現(xiàn)代光通信第一章

1、第第5 章章 光檢測器及光接收機(jī)光檢測器及光接收機(jī) 5.1 概述概述 5.1.1 光探測原理光探測原理 5.1.2 光探測過程的基本原理光探測過程的基本原理 5.2光檢測器光檢測器 5.2.1 光電二極管工作原理光電二極管工作原理 5.2.2 PIN 光電二極管光電二極管 5.2.3 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD) 5.2.4 光電二極管一般性能和應(yīng)用光電二極管一般性能和應(yīng)用 5.3光接收機(jī)光接收機(jī) 5.3.1 概述概述 5.3.2 數(shù)字光接收機(jī)數(shù)字光接收機(jī) 5. 3.3 光接收機(jī)指標(biāo)光接收機(jī)指標(biāo) 5. 3.4 光接收機(jī)的性能評(píng)估光接收機(jī)的性能評(píng)估光源光源放大器放大器光電二光電二極管極

2、管判決器判決器CDR: clock data recovery 光接收機(jī)：光接收機(jī)：把光發(fā)射機(jī)發(fā)送的攜帶有信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)并放大、再生恢復(fù)為原傳輸?shù)男盘?hào)。光檢測器：光檢測器：將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。5.1.1 光探測原理光探測原理PN結(jié)的光電效應(yīng)：結(jié)的光電效應(yīng)：光電檢測器是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。 光電效應(yīng)：光電效應(yīng)：在光的照射下，使物體中的電子脫出的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。 光電檢測器核心器件：光電檢測器核心器件：光電二極管(PD)，是一個(gè)工作在反向偏壓下的PN結(jié)二極管。 5.1 概述概述PN結(jié)的光電效應(yīng)及條件：結(jié)的光電效應(yīng)及條件： 如右圖 所示，當(dāng)入射光子能量

3、hf 小于禁帶寬度Eg時(shí)，不論入射光有多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會(huì)發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足以下條件： hf Eg 即光頻fc 的入射光是不能產(chǎn)生光電效應(yīng)的，將fc 轉(zhuǎn)換為波長，則hEgc= gEhc即只有波長 c的入射光，才能使這種材料產(chǎn)生光生載流子，故c 為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長，又稱為截止波長，相應(yīng)的fc 稱為截止頻率。5.1.2 光探測過程的基本原理光探測過程的基本原理假設(shè)入射光子的能量hf超過禁帶能量Eg，只有幾微米寬的耗盡區(qū)每次吸收一個(gè)光子，將產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，發(fā)生受激吸收。在PN結(jié)施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子-空穴對(duì)在電場的作用下，分別離開耗盡層，電子向N區(qū)漂

4、移，空穴向P區(qū)漂移，空穴和從負(fù)電極進(jìn)入的電子復(fù)合，電子則離開N區(qū)進(jìn)入正電極。當(dāng)電路閉合時(shí)，在外電路形成光生電流IP。當(dāng)入射功率變化時(shí)，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號(hào)變成電流信號(hào)。光生電流IP與產(chǎn)生的電子空穴對(duì)和這些載流子運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)。也就是說直接與入射光功率Pin成正比，即inPPI式中是光電檢測器響應(yīng)度（用A/W表示） 5.2 光檢測器光檢測器對(duì)光檢測器的基本要求是：（1）在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；（2）具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；（3）具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對(duì)信號(hào)的影響；（4）具有良好的線性

5、關(guān)系，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中的不失真；（5）具有較小的體積、較長的工作壽命等。 在耗盡層 形成漂移電流。 內(nèi)部電場的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)5.2.1 光電二極管工作原理光電二極管工作原理 把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能， 是由半導(dǎo)體PN結(jié)的實(shí)現(xiàn)的。 電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)PN結(jié)界面 內(nèi)部電場 漂移運(yùn)動(dòng) 能帶傾斜 如果光子的能量大于或等于帶隙( hf Eg )當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí) 發(fā)生受激吸收?qǐng)D5.1 光電二極管工作原理 在耗盡層兩側(cè)是沒有電場的中性區(qū)，由于熱運(yùn)動(dòng)，部分光生電子和空穴通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入耗盡層，然后在電場作用下， 形成和漂移電流漂移電流相同方向相同方向的擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流。

6、 漂移電流漂移電流分量和擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電流光生電流。當(dāng)與P層和N層連接的電路開路時(shí)，便在兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種效應(yīng)稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)。 當(dāng)連接的電路閉合時(shí)，N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)， 便形成了光生電流光生電流。 當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之作線性變化線性變化，從而把光信號(hào)光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)電信號(hào)。 這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子 - 空穴對(duì)的運(yùn)動(dòng)，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡單的光電二極管光電二極管(PN)。 如圖5.1 (b)所示，光電二極管通常要施加施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘悍聪蚱珘?，目的是增加增加耗盡

7、層的寬度耗盡層的寬度，縮小耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的擴(kuò)散分量擴(kuò)散分量。 由于載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)慢得多，所以減小擴(kuò)散分量的比例便可顯著提高響應(yīng)速度響應(yīng)速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會(huì)增加載流子漂移的渡越時(shí)間渡越時(shí)間， 使響應(yīng)速度減慢。 為了解決這一矛盾， 就需要改進(jìn)PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。 PN光電二極管(1)入射光從P側(cè)進(jìn)入，在耗盡區(qū)光吸收產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在內(nèi)建電場作用下分別向左右兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生光電流。由光功率輸入轉(zhuǎn)化為光電流輸出，有一定時(shí)間遲后，其值主要決定于載流子通過耗盡區(qū)的渡越時(shí)間。srvwPN光電二極管(2)產(chǎn)生的光電流中存在擴(kuò)散分量，它

8、與耗盡區(qū)外的光吸收有關(guān)。載流子作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的時(shí)延將使檢測器輸出電流脈沖后沿的托尾加長，影響光電二極管的響應(yīng)速度。 5.2.2 PIN 光電二極管光電二極管 PIN光電二極管的產(chǎn)生光電二極管的產(chǎn)生 由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收， 因而光電轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率低低，響應(yīng)速度響應(yīng)速度慢慢。 為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管光電二極管。I層的寬度較寬，約有550m 。 PIN光電二極管光電二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)見圖5.2和圖5.3。 中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體，用(N)表

9、示；兩側(cè)是摻雜濃度摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，用P+和N+表示。 I層很厚， 吸收系數(shù)吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子電子 - 空穴對(duì)空穴對(duì)，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效光電轉(zhuǎn)換效率率。 兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層耗盡層， 因而光生電流中漂移分量漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度響應(yīng)速度。 另外，可通過控制耗盡層的寬度耗盡層的寬度w，來改變器件的響應(yīng)速度響應(yīng)速度。 圖5.2 PIN光電二極管工作原理圖5. 3 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)抗 反 射 膜光電 極(n)PNE電 極式中， hf 為， e為。ehfPIhfPe

10、IPP00/入射光子數(shù)空穴對(duì)光生電子對(duì))/(0WAhfePIPPIN光電二極管具有如下主要特性： (一) 量子效率和光譜特性量子效率和光譜特性。 光電轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率量子效率或響應(yīng)度響應(yīng)度表示。量子效率量子效率的定義為一次光光生電子生電子 -空穴對(duì)空穴對(duì)和入射光子數(shù)入射光子數(shù)的比值響應(yīng)度響應(yīng)度的定義為一次光生電流光生電流IP和入射光功率入射光功率P0的比值 （5.1）（5.2） 式中，()和w分別為I層的吸收系數(shù)和厚度。由上式可以看到，當(dāng)()w1時(shí)，1，所以為提高量子效率，I層的厚度w要足夠大。 （1）量子效率量子效率和和響應(yīng)度響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。 假設(shè)器件表面反

11、射率為零，P層和N層對(duì)量子效率的貢獻(xiàn)可以忽略， 在工作電壓下，I層全部耗盡，那么PIN光電二極管的量子效率量子效率可以近似表示為)(exp1w（5.3） （2） 量子效率量子效率的光譜特性取決于半導(dǎo)體材料的吸收光譜吸收光譜()，對(duì)長波長的限制由式 確定，即c= hc /Eg。 圖5.4示出和的光譜特性，由圖可見，Si 適用于0.80.9m波段，Ge 和InGaAs 適用于1.31.6 m波段。響應(yīng)度一般為0.50.6 (A/W)。 ggEEhc24. 1圖5-4 PIN光電二極管響應(yīng)度、 量子效應(yīng)率 與波長 的關(guān)系1030507090GeInGaAs0.70.91.11.31.51.700.2

12、0.40.60.81.0m (W-1)Si (二) 響應(yīng)時(shí)間和頻率特性響應(yīng)時(shí)間和頻率特性。 光電二極管對(duì)高速調(diào)制光信號(hào)的響應(yīng)能力響應(yīng)能力用脈沖響應(yīng)時(shí)間脈沖響應(yīng)時(shí)間或截止頻率截止頻率fc(帶寬B)表示。 對(duì)于數(shù)字脈沖調(diào)制信號(hào)，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時(shí)間，分別定義為脈脈沖上升時(shí)間沖上升時(shí)間r和脈沖下降時(shí)間脈沖下降時(shí)間f。 當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù)0時(shí)，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數(shù)函數(shù)exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脈沖響應(yīng)脈沖響應(yīng)時(shí)間時(shí)間=r=f=2.20 (5.4) (三三) 噪聲噪聲。 噪聲噪聲影響光接收機(jī)的靈敏

13、度靈敏度。 噪聲噪聲包括散粒噪聲散粒噪聲(Shot Noise)(由信號(hào)電流和暗電流產(chǎn)生) 熱噪熱噪聲聲(由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生) （ 1 ） i2sh=2e(IP+Id)B (5.10) e為電子電荷，B為放大器帶寬，IP和Id分別為信號(hào)電流和暗電流。 稱為量子噪聲量子噪聲(由于入射光子和所形成的電子-空穴對(duì)都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生) 是暗電流暗電流產(chǎn)生的噪聲。 暗電流暗電流是器件在反反偏壓偏壓條件下，沒有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向直流反向直流電流。 均方熱噪聲電流均方熱噪聲電流 式中，k=1.3810-23J/K為，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負(fù)載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結(jié)果

14、。 因此， 光電二極管的總均方噪聲電流總均方噪聲電流為 i2=2e(IP+Id)B+ RKTB4(5.12)RKTB4(5.11)i2T= 5.2. 3 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD) 光電二極管輸出電流輸出電流 I和反偏壓反偏壓U的關(guān)系示于圖5.6。 隨著反向偏壓反向偏壓的增加，開始光電流光電流基本保持不變。 當(dāng)反向偏壓反向偏壓增加到一定數(shù)值時(shí)，光電流光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個(gè)電壓稱為擊穿電壓擊穿電壓UB。 就是根據(jù)這種特性設(shè)計(jì)的器件。 根據(jù)光電效應(yīng)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)， 光子被吸收而產(chǎn)生電電子子 - 空穴對(duì)空穴對(duì)。 圖5.6 光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關(guān)系

15、 U暗電流I00UB 如果如果電壓增加到使電場達(dá)到200 kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。 高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子電離，產(chǎn)生新的。 新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。 如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子載流子雪崩式倍增雪崩式倍增，見圖5.7 。 所以所以這種器件就稱為雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)。 圖 5.7 APD載流子雪崩式倍增示意圖(只畫出電子）I0NPP(N)光 APD的響應(yīng)度響應(yīng)度比PIN增加了g倍。 U為，UB為，n為與材料特性和入射光波長有關(guān)的常數(shù)，R為。 當(dāng)UUB時(shí)，RIo/UB1)是的隨機(jī)性引起噪聲增加的

16、倍數(shù)，設(shè)F=gx，APD的應(yīng)為 i2q=2eIPBg2+x (5.16b)式中， x為附加噪聲指數(shù)。 同理，產(chǎn)生的均方噪聲電流應(yīng)為 i2d=2eIdBg2+x (5.17) 與器件所用材料和制造工藝有關(guān) Si-APD的x=0.30.5，Ge-APD的x=0.81.0，InGaAs-APD的x=0.50.7。 當(dāng)式(5.16)和式(5.17)的g=1時(shí)，得到的結(jié)果和PIN相同。 5.2.4 光電二極管一般性能和應(yīng)用光電二極管一般性能和應(yīng)用是有增益的光電二極管，在光接收機(jī)靈敏度靈敏度要求較高的場合，采用有利于延長系統(tǒng)的傳輸距離。 要求不高的場合，一般采用PIN-PD。 InGaAs PIN帶尾纖光

17、電二極管帶尾纖光電二極管 5.3.1 概述概述 光接收作用：光接收作用：是將光纖傳輸后的幅度被衰減、波形產(chǎn)生畸變的、微弱的光信號(hào)變換為電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、整形、再生后，再生成與發(fā)送端相同的電信號(hào)，輸入到電接收端機(jī)，并且用自動(dòng)增益控制電路（AGC）保證穩(wěn)定的輸出。 5.3光接收機(jī)光接收機(jī)分類：分類：組成：組成：圖5.95.3.2 數(shù)字光接收機(jī)數(shù)字光接收機(jī)一、光接收機(jī)的前端(1) 光檢測器光檢測器是光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，其性能特別是響應(yīng)度和噪聲直接影響光接收機(jī)的靈敏度。 對(duì)光檢測器的要求如下：對(duì)光檢測器的要求如下： (1) 波長響應(yīng)要和光纖低損耗窗口(0.85 m、 1.31

18、m和1.55 m)兼容； (2) 響應(yīng)度要高， 在一定的接收光功率下， 能產(chǎn)生最大的光電流； (3) 噪聲要盡可能低， 能接收極微弱的光信號(hào)； (4) 性能穩(wěn)定， 可靠性高， 壽命長， 功耗和體積小。 目前， 適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的光檢測器有PIN光電二極管光電二極管和雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)。光接收機(jī)的前端(2) 光檢測器的選擇：要視具體應(yīng)用場合而定。 PIN光電二極管具有良好的光電轉(zhuǎn)換線性度，不需要高的工作電壓，響應(yīng)速度快。 APD最大的優(yōu)點(diǎn)是它具有載流子倍增效應(yīng)，其探測靈敏度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度補(bǔ)償電路。 從簡化接收機(jī)電路考慮，一般情況下多喜歡采用PIN光電

19、二極管作光探測器。 前置放大器的主要作用是保持探測的電信號(hào)不失真地放大和保證噪聲最小。前置放大器應(yīng)是低噪聲放大器，它的噪聲對(duì)光接收機(jī)的靈敏度影響很大。因?yàn)榍爸眉?jí)輸入的是微弱信號(hào)，其噪聲對(duì)輸出信噪比影響很大，而主放大器輸入的是經(jīng)前置級(jí)放大的信號(hào)，只要前置級(jí)增益足夠大，主放大器引入的噪聲就可以忽略。 二、光接收機(jī)的線性通道主放大器主放大器一般是多級(jí)放大器，它的作用是： （1）提供足夠的增益 （2）并通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，使輸入光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)， 輸出電信號(hào)保持恒定。 主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。1.主放大器主放大器 均衡的目的：均衡的目的： 對(duì)經(jīng)光纖傳輸、光/電轉(zhuǎn)

20、換和放大后已產(chǎn)生畸變(失真)的電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償 使輸出信號(hào)的波形適合于判決(一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形)，以消除碼間干擾，減小誤碼率。 2.均衡濾波器均衡濾波器三、 判決再生與時(shí)鐘提取再生器的作用：再生器的作用：將接收的信將接收的信號(hào)恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)。號(hào)恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)。 再生電路包括：再生電路包括：判決電路判決電路和和時(shí)鐘提取電路。時(shí)鐘提取電路。 判決、再生過程光接收機(jī)各器件作用總結(jié)光接收機(jī)各器件作用總結(jié) 光電檢測器：光電檢測器是把光信號(hào)變換為電信號(hào) ； 前置放大器：是保持探測的電信號(hào)不失真地放大和保證噪聲最?。?主放大器：提供足夠的增益 ，并通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，使輸入

21、光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)， 輸出電信號(hào)保持恒定； 均衡濾波器：對(duì)已產(chǎn)生畸變(失真)和有碼間干擾的的電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出信號(hào)的波形適合于判決，以消除碼間干擾，減小誤碼率。 自動(dòng)增益控制電路（AGC）：用反饋環(huán)路來控制主放大器的增益，增加光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍； 判決器：將均衡器輸出的信號(hào)判為“1”碼或“0”碼； 時(shí)鐘恢復(fù)電路：從信號(hào)碼流中提取準(zhǔn)確的時(shí)鐘信息作為標(biāo)定，以保證與發(fā)送端一致。光電集成光電集成接收機(jī)：接收機(jī)： 光接收機(jī)方框圖中除光檢測器以外的所有元件都是標(biāo)準(zhǔn)的電子器件， 很容易用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路(IC)技術(shù)將它們集成在同一芯片上。 為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在努力開發(fā)單片光接收機(jī)，即用“光電集成電路(OEIC)技術(shù)”在同一芯片上集成包