光電檢測器和光接收機(jī)課件

1、第5章光電檢測器和光接收機(jī)本章內(nèi)容5.1 光檢測器 5.2 光電檢測器的工作特性5.3 光接收機(jī)5.4 光接收機(jī)的噪聲5.5 光接收機(jī)的誤碼率和接收靈敏度小結(jié)、習(xí)題2.1 光檢測器1.光纖通信對光電檢測器的主要要求(1)在工作波長上光電轉(zhuǎn)換效率要高，即對一定的入射光信號功率，光檢測器能輸出盡可能大的光電流；(2)檢測過程中帶來的附加噪聲盡可能小；(3)響應(yīng)速度快、線性好及頻帶寬，使信號失真盡量?。?4)高可靠長壽命，尺寸與光纖直徑相配，工作電壓低等。2半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體光檢測器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成。光生伏特效應(yīng)-適當(dāng)波長的光，照射非均勻半導(dǎo)體（如P-N結(jié)）即使沒有外電場作用，也會因內(nèi)

2、建場的存在，使半導(dǎo)體中產(chǎn)生電動勢（光生電壓），這種內(nèi)建場引起的光電轉(zhuǎn)換過程稱為光生伏特效應(yīng)。條件3PIN光電二極管吸收區(qū)與作用區(qū)從半導(dǎo)體表面到內(nèi)部x方向上吸收入射光產(chǎn)生電子孔穴對：吸收系數(shù)1/cm吸收區(qū)：稱 為穿透深度作用區(qū)耗盡層內(nèi)（每對光生載流子都可迅速漂移生成電流）兩側(cè)擴(kuò)散長度內(nèi)（只有擴(kuò)散到耗盡層邊緣，才能漂移生成電流）-轉(zhuǎn)換效率高、運動速度快耗盡區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)換效率最高 為此施加反偏壓擴(kuò)大耗盡層PNh0 x為了改善光電檢測器的響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率，在P型材料和N型材料之間加一個I層（本征耗盡層），它是輕摻雜的N型材料，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散可以形成一個很寬的耗盡層。這就是PIN光電二極管（PIN-P

3、D）工作波長PIN特點：光電轉(zhuǎn)換效率較高（無光生電流放大作用），響應(yīng)速度快。 由于I層很厚具有較高電阻，電壓基本上落在該區(qū)，使勢壘區(qū)寬度增加，減小擴(kuò)散運動影響，提高了響應(yīng)速度。采用雙異質(zhì)結(jié)設(shè)計能顯著提高二極管的性能。APD的工作原理是利用半導(dǎo)體材料的雪崩倍增效應(yīng)制成的。 4雪崩光電二極管圖為拉通型雪崩光電二極管(RAPD)的結(jié)構(gòu)示意圖和電場分布圖。 APD的結(jié)構(gòu)：保護(hù)環(huán)型、拉通型 比PIN管響應(yīng)度大（有高的內(nèi)部增益） 四層結(jié)構(gòu) -輕摻雜，耗盡層較寬-摻雜極輕的P型-重?fù)诫s，耗盡層極窄P-N結(jié)外加高反壓使 產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng) 耗盡區(qū)載流子在強電場作用下獲得很大動能，高速碰撞半導(dǎo)體晶格（使價帶電子激

4、發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生新的電子孔穴對即“碰撞電離”）不斷多次地碰撞電離的結(jié)果，載流子密度、反向電流迅速加大，引成所謂雪崩效應(yīng)。 雪崩光電二極管隨使用的材料不同有：Si-APD(工作在短波長區(qū))；Ge-APD，InGaAs-APD等(工作在長波長區(qū))。Si-APD性能較好，它工作在0.85m附近，倍增增益高達(dá)1001000，暗電流很??；Ge-APD工作在長波長區(qū)，它的倍增增益一般不超過15，過剩噪聲大，暗電流也很大，限制了倍增增益及檢測靈敏度。 InGa/InP或InGaAsP/InP-APD工作在長波長區(qū)有較好的性能，從結(jié)構(gòu)上，類似于Si-RAPD，吸收區(qū)和倍增區(qū)分開，因此又稱為SAM-APD。APD

5、特點：光電轉(zhuǎn)換效率高（有光生電流放大作用，即雪崩倍增作用），響應(yīng)速度快。PIN、APD二極管比較PIN二極管特點：結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。電壓低，使用方便。量子效率高。噪聲小。帶寬較高。APD二極管特點：靈敏度高。高增益。高電壓，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。噪聲大。 PIN的負(fù)偏壓約為幾幾十伏，APD的負(fù)偏壓約為幾十一百多伏使用場合：PIN：廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)。在靈敏度要求不高的場合，一般都采用PIN。APD：在光接收機(jī)靈敏度要求較高的場合，采用APD。如：小信號測量Si-PIN/APD用于短波長(0.85m)光纖通信系統(tǒng)。InGaAs-PIN用于長波長(1.31m/1.55m)系統(tǒng)。把InGaAs-PIN和使

6、用場效應(yīng)管（FET）的前置放大器集成，構(gòu)成FET-PIN接收組件，可以進(jìn)一步提高靈敏度，改善器件的性能。5.2 光電檢測器的工作特性光電檢測器的工作特性參數(shù)很多，PIN-PD的主要工作特性有的響應(yīng)度和量子效率、響應(yīng)時間、暗電流等，由于APD有雪崩倍增效應(yīng)，所以APD除了上述參數(shù)外還包括倍增因子、過剩噪聲指數(shù)等。1、響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)度是描述這種器件光電轉(zhuǎn)換能力的物理量。描述這種器件光電轉(zhuǎn)換能力也可以從另一個角度描述，這就是量子效率，定義為產(chǎn)生的光生電子-空穴對數(shù)占入射光子數(shù)的百分比。響應(yīng)度量子效率通常，R=0.5A/W左右。已知Si PIN光電二極管，量子效率=0.7，波長 =0.85m；G

7、e光電二極管，=0.4，波長=1.6m，計算它們的響應(yīng)度。解： Si PIN光電二極管的響應(yīng)度：Ge光電二極管的響應(yīng)度：PIN和APD的響應(yīng)度與入射光的波長有關(guān)，Si-PIN和Si-APD的波長響應(yīng)范圍為6001000nm，對檢測0.85m的光非常有效。Ge-PIN和Ge-APD或InGaAs-PIN、InGaAsP-PIN和InGaAs-APD范圍為10001650nm，可以接收1310nm和1550nm的光信號。2、響應(yīng)時間響應(yīng)時間是描述光電檢測器對光信號變化響應(yīng)速度快慢程度的物理量，一般用上升時間和下降時間來表示。所謂上升時間是PD受階躍光脈沖照射時，輸出脈沖前沿的10%點到90%點之間

8、的時間間隔來衡量。光電檢測器的響應(yīng)時間受三個因素影響：1) 渡越時間 2) 擴(kuò)散時間 3) 電路的影響暗電流Id是指在PIN規(guī)定的反向電壓或者APD的90%擊穿電壓時，在無入射光情況下器件內(nèi)部的反向電流。暗電流將引起光接收機(jī)噪聲增大。因此，人們總是希望器件的暗電流越小越好。3、暗電流一般，PIN的IdE1E2-Vm該電路條件是E2E1E2-VmE2E1確保：當(dāng)sin(t)=0（包括無輸入信號）時，二極管D截止；E1E2-Vm用來確保：當(dāng)sin(t)=-Vm時，二極管D導(dǎo)通；二極管D導(dǎo)通內(nèi)阻rD負(fù)載電阻RL，以便充電很快、放電很慢。2差分電路負(fù)反饋箝位器（用在140Mb/s光纖通信系統(tǒng)中）幅度判

9、決一、基本功能 將均衡器輸出并經(jīng)過基線恢復(fù)處理的升余弦波信號整形成為非歸零（NRZ）的矩形脈沖信號，以利于時鐘提取。由與非門和反相電路構(gòu)成。二、典型電路非線性處理一、基本功能 將幅度判決輸出的非歸零矩形脈沖序列信號變?yōu)闅w零矩形脈沖序列信號，以利于提取時鐘信號。NRZ與RZ脈沖序列信號的區(qū)別如下：（1）時域：NRZ脈沖寬度等于碼元周期Tb，RZ脈沖寬度小于碼元周期Tb(=Tb/m，其中m=2、3、4)。（2）頻域：NRZ功率譜沒有時鐘頻率的線譜分量，RZ功率譜則有之。二、典型電路時鐘提取一、基本功能 從非線性處理輸出的RZ信號中獲得按時鐘頻率fb振蕩的余弦信號。其中fb=1/Tb。二、典型電路：

10、LC諧振放大器 電感L和電容C1、C2（C2是微調(diào)電容）構(gòu)成LC諧振回路，與輸入信號中的相應(yīng)諧波共振。輸入信號sin(t)來自非線性處理電路，輸出信號sout(t)送往限幅移相電路，sout(t)是衰減余弦振蕩信號。它對應(yīng)于sin(t)為單個RZ脈沖時的諧振輸出。理論上已推導(dǎo)出sout(t)為Q是LC諧振迴路的等效品質(zhì)因數(shù)，其值越大，則幅度衰減越慢。b是諧振角頻率。sout(t)的兩相鄰正波峰間隔為2/b，每一個正波峰將處理成為后續(xù)電路的時標(biāo)。若令上式右邊K0及指數(shù)項為則K(t)是圖中sout(t)波形的幅度包絡(luò)線。限幅移相一、基本功能 將時鐘提取電路輸出的一列幅度變化很大的余弦振蕩信號進(jìn)行限

11、幅，得到矩形脈沖信號，再經(jīng)過移相和電平變換，變成后續(xù)電路所需要的時鐘信號。二、典型電路：射極耦合限幅移相電路 輸入信號sin(t)是來自時鐘提取電路的衰減余弦振蕩信號，輸出信號sout(t)是定時脈沖信號，送往定時判決電路。限幅功能由BG1BG4完成，移相功能由輸出端的R、C完成。該電路工作狀態(tài)的確定：該電路有三種工作狀態(tài)：狀態(tài)I：BG2截止、BG3導(dǎo)通；狀態(tài)II：BG2、BG3同時導(dǎo)通；狀態(tài)III：BG2導(dǎo)通、BG3截止。選擇兩個臨界電壓V1（0）定時判決一、基本功能 利用限幅移相電路輸出的時鐘脈沖的控制作用，將幅度判決電路輸出的NRZ脈沖信號（其前后沿有較大抖動）變成與發(fā)送端一致的NRZ脈

12、沖信號（抖動很?。?。二、典型電路：使用D觸發(fā)器 D端輸入來自幅度判決電路的NRZ信號，CK端輸入來自限幅移相電路的定時脈沖信號，Q端輸出再生NRZ信號，送往輸出電路進(jìn)行碼型反變換。3.光接收模塊和集成光接收機(jī) 光接收模塊是指將包括PD管芯和前置放大器以及阻抗匹配電路和電路狀態(tài)監(jiān)視/警示電路，再加上若干光學(xué)元件集成在一個管殼內(nèi)并形成光接收功能的器件。集成光接收機(jī)與光接收模塊不同，它是采用集成電路工藝技術(shù)把所有的元件集成在一個芯片上。 在高比特工作時，這種集成光接收機(jī)具有很多優(yōu)點。90年代末用Si和GaAs集成電路工藝已制成帶寬超過2GHz的集成光接收機(jī)，現(xiàn)在帶寬超過10GHz的集成光接收機(jī)也已用

13、于光波實驗系統(tǒng)。 集成光接收機(jī)設(shè)計制造有兩種方案，一種稱為混合集成光接收機(jī)，它將電子器件集成在GaAs芯片上，而將光電二極管制造在InP芯片上，然后將InP芯片按圖示倒裝式接合法，堆疊在GaAs芯片上，使這兩個芯片連接起來。另一種是光電集成電路（OEIC），將光接收機(jī)所有元器件集成在同一芯片上。 4.光收發(fā)一體模塊光收發(fā)一體模塊是將傳統(tǒng)的分離發(fā)射、接收組件合二為一密封在同一管殼內(nèi)的新型光電器件。它具有如下優(yōu)點：小型化、低成本、高可靠性和高性能，在數(shù)據(jù)通信和電信傳輸中均有廣闊的應(yīng)用前景。5.4 光接收機(jī)的噪聲1數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的信號變換特點在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)氖怯伞?”和“1”組成的二進(jìn)

14、制光脈沖信號，這是一種單極性碼，即光功率在“接通”(“1”碼)和“斷開”(“0”碼)兩個電平上變動。按照“1”碼時碼元周期T的大小，分為歸零碼(RZ碼)與非歸零碼(NRZ碼)兩種。顯然，RZ碼的占空比為0.5，而NRZ碼的占空比為1。為數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中數(shù)字脈沖傳輸過程的變換特點。2光接收機(jī)的噪聲源 光接收機(jī)的噪聲是與信息無關(guān)的隨機(jī)變化量，噪聲源從引入過程來分，可分為兩類，即與信號光電檢測器有關(guān)的噪聲和與光電接收機(jī)電路有關(guān)的噪聲。與信號光電檢測器有關(guān)的噪聲包括：量子噪聲、雪崩倍增噪聲、暗電流及漏電流噪聲和背景噪聲等等。與光接收機(jī)電路有關(guān)的噪聲包括：放大器噪聲、負(fù)載電阻熱噪聲等。 3噪聲的評價方

15、法1）噪聲的大小可以用均方值來表示散粒噪聲電阻熱噪聲總噪聲放大器噪聲系數(shù)2）信噪比(SNR) 信噪比(SNR)是評價光接收機(jī)性能的重要指標(biāo)，其定義為平均信號功率和噪聲功率的比值 5.5 光接收機(jī)的誤碼率和接收靈敏度 1光接收機(jī)的誤碼率分析對于數(shù)字光接收機(jī)，數(shù)字信號的恢復(fù)是由判決電路判定，判決電路接收到的波動信號如圖所示。陰影部分表示出現(xiàn)錯誤的情況。 光接收機(jī)的誤碼率BER定義為： BER=錯誤接收的碼元數(shù)/傳輸?shù)拇a元總數(shù) 一般為使總誤碼率最小，一般令從而有這樣，就得到BER與參量Q的關(guān)系式：參量Q帶有信噪比的意義，因為 對Q3，近似表達(dá)式有合理的精度，BER隨Q參數(shù)的變化趨勢如圖示，當(dāng)Q增大時

16、，BER降低了，接收機(jī)性能提高了。 靈敏度是數(shù)字光接收機(jī)最重要的指標(biāo)，它直接決定光纖通信系統(tǒng)的中繼距離和通信質(zhì)量。數(shù)字光接收機(jī)的靈敏度定義為：在保證一定誤碼率的條件下，光接收機(jī)所需接收的最小光功率。靈敏度越高，意味著數(shù)字光接收機(jī)接收微弱光信號的能力就越強，當(dāng)光發(fā)送機(jī)輸出功率一定時，則保證通信質(zhì)量(誤碼率低于某一數(shù)值)的中繼距離就越長。因此，提高數(shù)字光接收機(jī)的靈敏度，可以延長光纖通信的中繼距離和增加通信容量。2光接收機(jī)的靈敏度和動態(tài)范圍最小平均光功率Pmin，在國際單位制中，它的單位是瓦(W)；而在工程上，光接收機(jī)的靈敏率常用光功率相對值來表示，單位是分貝毫瓦(dBm)。二者的換算關(guān)系為 光接收機(jī)的動態(tài)范圍是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)要求下，光接收機(jī)最低輸入光功率Pmin和最大允許光功率Pmax的變化范圍。這個范圍用D來表示，一般在工程上用二者(用dBm為單位描述)之差來表示