光檢測(cè)器和光接收機(jī)學(xué)習(xí)PPT

1、 光源光源 放大器放大器 光電二極光電二極 管管 判決器判決器 前 言 n發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后，不僅 幅度衰減了，而且脈沖波形也展寬了。 n光接收機(jī)的作用就是檢測(cè)經(jīng)過傳輸后的微 弱光信號(hào)，并放大、整形、再生成原輸入 信號(hào)。 n它的主要器件是利用光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn) 變?yōu)殡娦盘?hào)的光電檢測(cè)器。 n對(duì)光電檢測(cè)器的要求是靈敏度高、響應(yīng)快 、噪聲小、成本低和可靠性高，并且它的 光敏面應(yīng)與光纖芯徑匹配。 n用半導(dǎo)體材料制成的光電檢測(cè)器正好滿足 這些要求。 光源光源 放大器放大器 光電二極光電二極 管管 判決器判決器 nexternal photoelectric effect(外部光電效應(yīng))： 金

2、屬表面通過吸收入射光子流的能量從而釋 放電子，形成光生電流真空光電二極管 和光電倍增管 ninternal photoelectric effect(內(nèi)部光電效應(yīng))： 半導(dǎo)體結(jié)型器件通過吸收入射光子產(chǎn)生自由 電荷載流子（電子和空穴）pn結(jié)光電二 極管，pin結(jié)光電二極管，雪崩光電二極管 in p p i 輸入功率波形輸入功率波形 檢測(cè)器輸出的電流波形檢測(cè)器輸出的電流波形 vacuum photodiode 真空光電二極管真空光電二極管 陰極陰極 陽(yáng)極陽(yáng)極 發(fā)射電子發(fā)射電子 入射光子入射光子 vacuum photodiode真空光電二極管真空光電二極管 vacuum photodiode n單

3、個(gè)電子從陰極逃逸需要一個(gè)最低的能量值，稱為功函數(shù)單個(gè)電子從陰極逃逸需要一個(gè)最低的能量值，稱為功函數(shù) (work function)，入射光子的能量必須大于此值才能產(chǎn)生，入射光子的能量必須大于此值才能產(chǎn)生 光致電子發(fā)射。光致電子發(fā)射。 n光子能量光子能量hv大于功函數(shù)時(shí)，電子可以吸收光子而逸出，否大于功函數(shù)時(shí)，電子可以吸收光子而逸出，否 則不論入射光多強(qiáng)，光電效應(yīng)都不會(huì)發(fā)生。所以，任何一則不論入射光多強(qiáng)，光電效應(yīng)都不會(huì)發(fā)生。所以，任何一 種材料制作的光電二極管都有種材料制作的光電二極管都有截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)(cutoff wavelength ) c：(um)(um) n光波長(zhǎng)大于這個(gè)值時(shí)，入射光

4、子沒有足夠的能量激勵(lì)檢測(cè)光波長(zhǎng)大于這個(gè)值時(shí)，入射光子沒有足夠的能量激勵(lì)檢測(cè) 器，因而不能被檢測(cè)到，波長(zhǎng)小于這個(gè)值時(shí)，光子能量超器，因而不能被檢測(cè)到，波長(zhǎng)小于這個(gè)值時(shí)，光子能量超 過功函數(shù)，能被檢測(cè)到。過功函數(shù)，能被檢測(cè)到。 h )( 24. 1 ev hc c n例例1，銫是一種常見的光致發(fā)光材料，其功，銫是一種常見的光致發(fā)光材料，其功 函數(shù)為函數(shù)為1.9ev,計(jì)算其截止波長(zhǎng)。計(jì)算其截止波長(zhǎng)。 m65. 0 9 . 1 24. 1 n光波長(zhǎng)小于這個(gè)值時(shí)，光子能量超過功函數(shù)，光波長(zhǎng)小于這個(gè)值時(shí)，光子能量超過功函數(shù)， 才能被銫陰極檢測(cè)到。才能被銫陰極檢測(cè)到。 n 量子效率量子效率表示表示入射光子轉(zhuǎn)

5、換為光電子的效率入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它。它 定義為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電子數(shù)與入射光子數(shù)之比定義為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電子數(shù)與入射光子數(shù)之比 ，即，即 入射光子數(shù) 發(fā)射電子數(shù) hfp 每秒鐘發(fā)射電子數(shù) cp hc pe hf ep i hc e hf e p i 檢測(cè)電流正檢測(cè)電流正 比于光功率比于光功率 photomultiplier （pmt） 光電倍增管 陰極陰極 陽(yáng)極陽(yáng)極 二次發(fā)射二次發(fā)射 電子電子 入射光子入射光子 倍增電極倍增電極 photomultiplier n每個(gè)倍增電極的增益每個(gè)倍增電極的增益(gain)指每個(gè)入射電子所產(chǎn)生指每個(gè)入射電子所產(chǎn)生 的二次發(fā)射電子數(shù)的平均值。通

6、常在的二次發(fā)射電子數(shù)的平均值。通常在26之間。之間。 n假設(shè)每個(gè)倍增電極的增益為假設(shè)每個(gè)倍增電極的增益為，總的增益為：，總的增益為： n通過外電路的電流為：通過外電路的電流為： n m hf epm i n例例2，假定一個(gè)光電倍增管有，假定一個(gè)光電倍增管有9個(gè)倍增電極，個(gè)倍增電極， 每個(gè)倍增電極的增益為每個(gè)倍增電極的增益為5，計(jì)算此光電倍增，計(jì)算此光電倍增 管的電流放大倍數(shù)。管的電流放大倍數(shù)。 6 1096. 1 n m photomultiplier n光電倍增管產(chǎn)生內(nèi)部增益光電倍增管產(chǎn)生內(nèi)部增益(internal gain)，可，可 以在不顯著降低信噪比的情況下放大信號(hào)，以在不顯著降低信噪

7、比的情況下放大信號(hào)， 而放大器的外部增益（而放大器的外部增益（external gain）一般）一般 會(huì)引入噪聲，降低信噪比。會(huì)引入噪聲，降低信噪比。 n光電倍增管響應(yīng)速度很快，不到光電倍增管響應(yīng)速度很快，不到1ns。 n缺點(diǎn)缺點(diǎn)：成本高，體積大，重量大，需要一個(gè)：成本高，體積大，重量大，需要一個(gè) 能提供數(shù)百伏偏置電壓的電壓源能提供數(shù)百伏偏置電壓的電壓源。 4.1 semiconductor photodiode 半導(dǎo)體光電二極管半導(dǎo)體光電二極管 n假如入射光子的能量超過禁帶能量 eg，耗盡區(qū) (pn結(jié)的結(jié)區(qū)也就是中間勢(shì)壘所在區(qū)域，沒有 自由電子)每次吸收一個(gè)光子，將產(chǎn)生一個(gè)電子 空穴對(duì)，發(fā)生

8、受激吸收。 光探測(cè)原理-受激吸收 e c c 吸收光子后吸收光子后 產(chǎn)生電子產(chǎn)生電子 ev 光子光子 h 輸入輸入 (輸出電流)(輸出電流) pn型光電二極管檢測(cè)原理說明 n光電二極管（光電二極管（pd）是一個(gè)工作在反向偏壓是一個(gè)工作在反向偏壓 下的下的pn結(jié)二極管，由光電二極管作成的光結(jié)二極管，由光電二極管作成的光 檢測(cè)器的核心是檢測(cè)器的核心是pn結(jié)的光電效應(yīng)。當(dāng)結(jié)的光電效應(yīng)。當(dāng)pn結(jié)結(jié) 加反向偏壓時(shí)，外加電場(chǎng)方向與加反向偏壓時(shí)，外加電場(chǎng)方向與pn結(jié)的內(nèi)結(jié)的內(nèi) 建電場(chǎng)方向一致，勢(shì)壘加強(qiáng)，在建電場(chǎng)方向一致，勢(shì)壘加強(qiáng)，在pn結(jié)界面結(jié)界面 附近基本上沒有載流子，稱為附近基本上沒有載流子，稱為耗盡區(qū)

9、耗盡區(qū)。當(dāng)。當(dāng) 光束入射到光束入射到pn結(jié)上，且光子能量結(jié)上，且光子能量hf大于半大于半 導(dǎo)體材料的帶隙導(dǎo)體材料的帶隙eg時(shí)，價(jià)帶上的電子吸收時(shí)，價(jià)帶上的電子吸收 光子能量躍遷到導(dǎo)帶上，形成一個(gè)電子光子能量躍遷到導(dǎo)帶上，形成一個(gè)電子 空穴對(duì)?？昭▽?duì)。 pn結(jié)光電檢測(cè)原理 簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)單的 pn 結(jié)光電二極管具有兩個(gè)主結(jié)光電二極管具有兩個(gè)主 要的缺點(diǎn)。要的缺點(diǎn)。 n首先，它的響應(yīng)速度很慢。首先，它的響應(yīng)速度很慢。 n其次，它的量子效率很低，響應(yīng)度很低其次，它的量子效率很低，響應(yīng)度很低。 dr vw w a c d n雪崩光電二極管（apd）是利用雪崩倍增效 應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度探測(cè)器。 na

10、pd的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使它能承受高的反向偏壓 ，從而在 pn 結(jié)內(nèi)部形成一個(gè)高電場(chǎng)區(qū)。 napd能提供內(nèi)部增益 n工作速度高 已廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中 e h a k e h a )1( a ea e 1 k k m wk w m e e 1 a k1 e w 0 h m n br )v/v(1 1 m e h a k cutoff wavelength 截止波長(zhǎng) n 綜上所述，檢測(cè)某波長(zhǎng)的光時(shí)要綜上所述，檢測(cè)某波長(zhǎng)的光時(shí)要 選擇選擇合適材料合適材料作成的光檢測(cè)器。首先，作成的光檢測(cè)器。首先， 材料的帶隙決定了截止波長(zhǎng)要大于被檢材料的帶隙決定了截止波長(zhǎng)要大于被檢 測(cè)的光波波長(zhǎng)，否則材料對(duì)光透明，不測(cè)

11、的光波波長(zhǎng)，否則材料對(duì)光透明，不 能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。其次，材料的吸收系能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。其次，材料的吸收系 數(shù)不能太大，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率。數(shù)不能太大，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率。 sipin光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為 0.51m，gepin和和ingaaspin光光 電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍約為電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍約為11.7m。 輸入功率波形輸入功率波形 檢測(cè)器輸出的電流波形檢測(cè)器輸出的電流波形 n例例7.6，估算一個(gè)響應(yīng)度為，估算一個(gè)響應(yīng)度為0.5a/w，暗電流，暗電流 為為1na的的pin光電二極管的最小檢測(cè)功率。光電二極管的最小檢測(cè)功率。 p i nw i p2 n光接收機(jī)的噪聲將影響信噪比光接收機(jī)的噪聲將影響信噪比snr和通信質(zhì)量。和通信質(zhì)量。 主要來(lái)自光電探測(cè)器和前置放大器的噪聲。分為主要來(lái)自光電探測(cè)器和前置放大器的噪聲。分為 兩類：兩類：散粒噪聲和熱噪聲。散粒噪聲和熱噪聲。 )()( sp tiiti biiqti)(2)( dp 2 s 2 s biifqmti)(2)()apd( dpa 22 s 2 s