第6-7章 光检测器

1、.,第6章 光检测器,在光纤接收端，首先需要将光信号转换成电信号，并把光功率的变化转换成相应变化的电流。其首要部件就是光检测器。,.,光纤通信中对光检测器的最重要的几点要求：,对所用光源的波长范围内有较高的响应度或灵敏度 较小的噪声 响应速度快 对温度变化不敏感 与光纤尺寸匹配 工作寿命长,光电二极管：尺寸小、灵敏度高、响应速度快、材料合 适,.,6.1 光电二极管的物理原理,6.1.1. pin光电二极管,P型材料区和n型材料区由轻微掺杂n型材料的本征（i）区隔开。正常工作时，器件加上足够大的反向偏置电压。,偏置电压,光电二极管,本征层,.,1. 基于能带的观点,.,结论：,外界的光子(也就

2、是光)射入半导体，分离出电子和空穴，这些自由的载流子的流动形成电流，外部的电压(反向偏压)会增强这种效果。,.,实际工作原理,光照射到半导体的PN结上，若光子的能量足够大（即hEg），则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即产生光电子空穴对。称为光生载流子。,偏置电压,.,pn结,Emax,n型区,耗尽区,p型区,光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现了光电流，从而在电阻R上有信号电压输出。这样就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用。 负偏压：P接负，N接正。由图可见，外加负偏压产生的电场方向与内建电

3、场方向一致，有利于耗尽区的加宽。（耗尽区的加宽可以改善光电检测器响应速度和转换效率）,扩散电子,.,hEg 或 hc/ Eg (=c/),当入射光子的能量小于Eg时，不论入射光多强，光电效应也不会发生。 所以光电效应必须满足：,.,波长响应：,（6.2）,当入射光波的波长c的光，才能使这种材料产生光生载流子。c称为截止波长。,输入输出特性,.,2. 雪崩光电二极管（APD）,在长途光纤通信系统中仅有毫瓦级的光功率从光发射机输出，经过几十KM光纤的传输衰减，到达光接收机处的光信号将变得十分微弱。为了能使光纤接收机的判决电路正常工作，就需要采用多级放大。放大器将引入噪声。从而，使光接收机的信噪比降

4、低，灵敏度降低。 如果能先在光电二极管内部进行放大，就能克服PIN管的上述缺点。雪崩光电二极管具有放大功能，类似光电倍增管。,.,工作原理,在二极管的PN结上加反向电压（一般为几十伏或几百伏），在结区形成一个强电场。在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到能量越过禁带到导带，产生了新的电子空穴对，新产生的电子空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子空穴对，如此循环下去，像雪崩一样的发展，从而使光电流获得了倍增。,.,拉通(reach-through)型的APD 结构,.,倍增因子M,光电二极管中所有载流子产生的倍增因子M定义为：,（6.

5、7）,IM ：雪崩增益后输出电流的平均值,Ip ：未倍增时的初级光电流,.,光电二极管性能参数,一、量子效率和响应度,每个能量为hv的入射光子所产生的电子空穴对数,（6.5）,Ip：入射在光电二极管上的稳态平均光功率P0所产生的平均光电流。 q: 电子电荷 在光电二极管的实际应用，100个光子会产生3095个电子空穴对，因此，检测器的量子效率范围为3095。加大耗尽区的厚度，使得可以吸收大部分的光子，提高量子效率。但是耗尽区越厚，光生载流子越过反向偏置结的时间就越长，影响了光电二极管的响应速度。,.,二、响应度：,（6.6）,光子能量一定时，二极管的量子效率和入射光功率无关。响应度是光功率的线

6、性函数。光电流Ip正比于光功率P0。,对雪崩二极管,响应度是单位光功率产生的光电流的大小。,.,Fig. 6-4: Photodiode Responsivities,对于给定的波长（给定的光子能量hv），响应度 是一个常数。,而在整个波长范围内的量子效率并不是一个常数，光子能量在改变。单位为：A/W,.,三、响应时间（响应速度）,指光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态。一般用响应时间（上升时间和下降时间）表示。,.,四、暗电流I0,光电二极管的另一个重要参数是它的暗电流。暗电流是指无光照时，光电二极管的反向电流。 理想情况下，当没有光照时，光电检测器无光电流输出。暗电流将引起光

7、接收机噪音增大。 所以I0 越小 越好 Si制作的PIN I0l nA 长波长波段 lnGaAs 光电二极管，I0较小 几个 nA,.,五、雪崩倍增因子G,雪崩倍增过程是一个复杂的随机过程，每一个初始的光生的电子空穴对在什么位置发生碰撞电离，总共激发出多少对二次电子空穴对，这些都是随机的。,IM：雪崩倍增时光电流的平均值,Ip：无雪崩倍增时光电流的平均值 往往用平均雪崩增益G来表示APD的倍增大小，一般APD的倍增因子G在40100之间。,.,光检测器的比较,表1. Si、Ge、InGaAs pin光电二极管的通用工作特性参数,.,光检测器的比较,表2. Si、Ge、InGaAs 雪崩光电二极

8、管的通用工作特性参数,.,光接收机,.,典型的光纤数字传输链路如图所示,数字信号传输,.,7.1.2 DD数字光接收机框图,光接收机的任务是将光纤中传来的光信号转换为电信号，然后再将其放大,.,7.2 数字接收机性能,一、误码率 常用的方法是在一定的时间间隔t内，区分发生差错的脉冲数Ne和在这个时间间隔内传输的总脉冲数Nt之比。,其中B1/Tb 比特速率,例如：误码率为10-9,代表平均每发送十亿个脉冲有一个误码出现。,光纤电信系统典型误码率范围是10-9到10-12,.,二、灵敏度,指在一定比特误码率的情况下光电二极管所能检测到的最小光功率。 它可以用三种物理量来体现： （1）最低接受平均光功率； （2）每个光脉冲中最低接受光子能 （3）每个脉冲中最低接受平均光子数。,采用工程常用的物理量：最低平均光功率。,.,光接收机的灵敏度，就是在满足给定能的误码率指标条件下，最低接受的平均光功率Pmin 。 光接收机灵敏度中的光功率在工程上常用绝对功率值（dBm）来表示，即,Pmin：最低接受光功率 103指1mw光功率,.,三、光接收机的动态范围,是在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低输出光功率（用dBm来描述）和最大允许输入光功率（用dBm来描述）之差（dB）。即,之所以要求光接收机有一个动态范围，是因为当环境温度变化时，光纤的损耗将产生变化；随着时间的增