第4章光檢測器和光接收機

1、第4章 光檢測器和光接收機內容提要v光檢測器的工作原理v光檢測器的特性參數(shù)v光接收機第4章 光檢測器和光接收機第4章 光檢測器和光接收機4.1光檢測器的工作原理作用：將接收到的光信號轉換成電信號。工作原理： 把能量大于Eg的光照射到半導體材料上，則處于低能帶的電子吸收該能量后而被激勵躍遷到高能帶，從而產(chǎn)生電子_空穴對。通過在半導體材料上外加電場，使得電子_空穴對在半導體材料中渡越，形成光電流（光生電流）。當入射光變化時，光生電流隨之做線性變化，從而把光信號轉換成電信號。第4章 光檢測器和光接收機 光檢測器的工作原理光檢測器的工作原理第4章 光檢測器和光接收機1 PIN光檢測器 光電二極管存在問

2、題： PN結耗盡區(qū)寬度較窄時，大多數(shù)光子尚未被耗盡區(qū)吸收，便已到達N區(qū)，而在這部分區(qū)域，電場很小，無法將電子和空穴分開，導致量子效率較低；PN結耗盡區(qū)可等效成電容，如果耗盡區(qū)寬度較窄，則電容越大，電路的RC時間常數(shù)越大，不利于高速數(shù)據(jù)傳輸。 增加耗盡區(qū)寬度增加耗盡區(qū)寬度第4章 光檢測器和光接收機PIN光電檢測器結構：在P型和N型半導體材料之間插入一層摻雜濃度很低的半導體材料，記為I，稱為本征區(qū)。PIN光電二極管第4章 光檢測器和光接收機 注意：I區(qū)的寬度不是越寬越好，寬度越大，載流 子在耗盡區(qū)的漂移時間也就越長，對帶寬 的限制也就越大，所以需要綜合考慮。由于 不同半導體材料對不同波長的光吸收系

3、數(shù) 不同，所以本征區(qū)寬度選取也各不相同。第4章 光檢測器和光接收機PIN光電檢測器優(yōu)點(1)I區(qū)的寬度遠大于P區(qū)和N區(qū)寬度，所以I區(qū)有更多的光子被吸收，從而增加了量子效率；(2)擴散電流很小(3)反向偏壓可以取較小值第4章 光檢測器和光接收機2 APD光檢測器工作機理： 入射光在光電二極管中產(chǎn)生最初的電子_空穴對，由于光電二極管上加了較高反向偏置電壓，電子_空穴對在該電場作用下加速運動，獲得很大動能，當它們與中性原子碰撞時，會使中性原子價帶上的電子獲得能量后躍遷到導帶上去，于是產(chǎn)生新的電子_空穴對，新產(chǎn)生的電子_空穴對稱為二次電子_空穴對。這些二次載流子同樣能再強電場作用下，碰撞別的中性原子進

4、而產(chǎn)生新的電子_空穴對，這樣就引起了產(chǎn)生新載流子的雪崩過程。 這樣，一個光子最終產(chǎn)生了許多的載流子，使得光信號在光電二極管內部就獲得了放大。第4章 光檢測器和光接收機APD光電二極管的結構 第4章 光檢測器和光接收機APD與PIN的比較(1)APD在I層和N層間增加一個附加層P層(2)APD的光電流在器件內部就得到了放大，避免了由外部電子線路放大光電流所帶來的噪聲。(3)APD是有增益的光電二極管，在光接收機靈敏度要求較高的場合，采用APD有利于延長系統(tǒng)的傳輸距離。在靈敏度要求不高的場合，一般采用PIN光電檢測器。第4章 光檢測器和光接收機4.2光檢測器的特性參數(shù)1光檢測器性能參數(shù)(1)量子效

5、率 入射光（光功率為Pin）中含有大量光子，能轉換為光生電流的光子數(shù)和入射的總光子數(shù)之比稱為量子效率。 其中，q為電子電荷；Ip為產(chǎn)生的光電流；h為普朗克常數(shù)；v為光子的頻率。hPqI/inP第4章 光檢測器和光接收機 (2)響應度 光檢測器的光電流與入射光功率之比： 表明光檢測器將光信號轉換為電信號的效率。(3)響應光譜 對確定的半導體檢測材料，只有波長小于截止波長的光才能被檢測到，并且探測器的量子效率隨著波長的變化而變化，這種特性稱為響應光譜。 inPPIR 第4章 光檢測器和光接收機 (4) 響應時間 響應時間是用來反映光檢測器對瞬變或高速調制光信號響應能力的參數(shù)。 影響因素：耗盡區(qū)光載

6、流子的渡越時間；耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光載流子的擴散時間；光電二極管及與其相關電路的RC時間常數(shù)。 光檢測器的帶寬與上升時間成反比：(5)暗電流 暗電流是指光檢測器上無光入射時的電流。 暗電流最終決定了能被檢測到的最小光功率，也就是光電二極管的靈敏度。r35. 0tB 第4章 光檢測器和光接收機2光檢測器的噪聲(1)散粒噪聲 由于半導體材料中電子發(fā)射不均勻性引起光生電流起伏的噪聲。散粒噪聲屬于白噪聲，為了降低它的影響，通常在判決電路之前使用低通濾波器，使得信道帶寬變窄。(2)熱噪聲 溫度變化導致的瞬間電子數(shù)目圍繞其平均值的起伏稱為熱噪聲。(3)1/f噪聲 噪聲與頻率成反比，一般而言，它的影響只在低頻范

7、圍內，當信號調制頻率大于100MHz時，就可以忽略其作用。第4章 光檢測器和光接收機4.3 光接收機 光接收機的作用是把光發(fā)射機發(fā)送并經(jīng)光纖傳輸?shù)臄y帶有信息的光信號轉化成相應的電信號，然后放大并再生恢復為原始電信號。 第4章 光檢測器和光接收機 光接收機原理框圖第4章 光檢測器和光接收機1光接收機的組成 (1)前置放大器 前置放大器負責對光電檢測器產(chǎn)生的微弱電流信號進行放大。由于前端的噪聲對整個放大器的輸出噪聲影響甚大，因此前置放大器必須是低噪聲和高帶寬的，且有一定的增益。第4章 光檢測器和光接收機 互阻放大器作為前置放大器 第4章 光檢測器和光接收機(2)增益可控制的主放大器功能：將前置放大

8、器輸出的信號放大到判決電路所 需要的電平，同時起著調節(jié)增益的作用，使 得輸出信號幅度在一定范圍內不受輸入信號 幅度的影響。(3)濾波器 對已發(fā)生失真和有嚴重碼間干擾的信號進行均衡，使其盡可能的恢復原來狀況，以利于定時判決，使得誤碼率最小。第4章 光檢測器和光接收機 濾波器均衡波形示意圖第4章 光檢測器和光接收機(4)時鐘恢復和判決電路 判決電路和時鐘恢復電路負責對信號進行再生。為了精確地確定“判決時刻”，需要從信號碼流中提取準確的時鐘信息作為標定，以保證與發(fā)送端一致。如果在發(fā)射端進行了線路編碼，那么在接收端需要有相應的譯碼電路。第4章 光檢測器和光接收機 信號再生示意圖第4章 光檢測器和光接收機2光接收機的技術指標誤碼率量子極限靈敏度動態(tài)范圍第4章 光檢測器和光接收機(1)誤碼率 BER 出錯的比特數(shù)總的比特數(shù)第4章 光檢測器和光接收機 誤碼率的判定第4章 光檢測器和光接收機(2)量子極限 假設光檢測器具有理想特性，量子效率為1，且無熱噪聲，無暗電流，這樣沒有光功率輸入時，就沒有電子-空穴對產(chǎn)生。在該條件下，就可以得到數(shù)字系統(tǒng)中對于給定誤碼率所要求的最小接收光功率。這個最小接收到的功率就是量子極限。 量子極限是對系統(tǒng)特性的基本物理限制。大多數(shù)接收機的靈敏度要比量子極限高出20dB左右rp2hcBPN第4章 光檢測器和光接收機(3)靈敏度 光接收機靈敏度是表征光接收機調