光探測和光接收機(jī)課件

1、第五章 光探測和光接收機(jī)第1頁，共51頁。本章內(nèi)容對光檢測器的基本要求PN結(jié)光電檢測原理PIN光電二極管APD雪崩光電二極管MSM光電探測器單行載流子光電探測器波導(dǎo)光電探測器數(shù)字光接收機(jī)第2頁，共51頁。對光檢測器的基本要求1.在系統(tǒng)的工作波長上要有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的入射光功率，光檢測器能輸出盡可能大的光電流。2.波長響應(yīng)要和光纖的三個(gè)低損耗窗口兼容。3.有足夠高的響應(yīng)速度和足夠的工作帶寬。4.產(chǎn)生的附加噪聲要盡可能低，能夠接收極微弱的光信號。5.光電轉(zhuǎn)換線性好，保真度高。6.工作性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長。7.功耗和體積小，使用簡便。第3頁，共51頁。光纖通信常用的光電檢測器半導(dǎo)體材

2、料PIN光電二極管APD雪崩光電二極管第4頁，共51頁。PN結(jié)光電檢測原理第5頁，共51頁。耗盡區(qū)：由于擴(kuò)散電流和漂移電流方向相反，在平衡狀態(tài)下兩種電流相等，使得總電場為零，等效于空間電荷區(qū)的電阻阻值很大，載流子數(shù)目很少，稱其為耗盡區(qū)。電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動PN結(jié)界面 內(nèi)部電場 漂移運(yùn)動 耗盡區(qū)、擴(kuò)散區(qū) 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、光生載流子 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，空穴向P區(qū)運(yùn)動半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)？第6頁，共51頁。PN結(jié)光電二極管結(jié)構(gòu)第7頁，共51頁。PN結(jié)光電二極管工作原理當(dāng)PN結(jié)加上反向電壓后，在

3、入射光的作用下，由于受激吸收過程生成的電子-空穴對在電場的作用下，分別離開耗盡區(qū)，在閉合外電路中形成光生電流的器件。當(dāng)入射光功率變化時(shí)，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)變成電流信號。加反向電壓？入射光？光生載流子？光生電流？第8頁，共51頁。鍍抗反射膜以減少反射光強(qiáng)度反射光的相位差？反射光的幅度？厚度？折射率？第9頁，共51頁。光電二極管的特性1.響應(yīng)度R2.量子效率第10頁，共51頁。3.截止波長c4.響應(yīng)速度 光生載流子的漂移時(shí)間、擴(kuò)散時(shí)間、RC時(shí)間常數(shù)第11頁，共51頁。常用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度與截止波長第12頁，共51頁。PN結(jié)光電二極管的缺點(diǎn)耗盡區(qū)窄結(jié)電容或耗盡區(qū)電容較大響應(yīng)速

4、度慢光電轉(zhuǎn)換效率低 第13頁，共51頁。PIN光電二極管在 P 和 N 層之間加入了一個(gè) I 層，作為耗盡層。I 層的寬度較寬，約有（5 50）m，吸收系數(shù)很小，易進(jìn)入材料內(nèi)部吸收絕大多數(shù)光子，使光生電流增加。第14頁，共51頁。PIN光電二極管工作原理 當(dāng)PN結(jié)加上反向電壓后，入射光主要在耗盡區(qū)被吸收，在耗盡區(qū)產(chǎn)生光生載流子(電子-空穴對)。在耗盡區(qū)電場作用下，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，產(chǎn)生光生電動勢。在遠(yuǎn)離PN結(jié)的地方，因沒有電場的作用，電子空穴作擴(kuò)散運(yùn)動，產(chǎn)生擴(kuò)散電流。因I層寬，又加了反偏壓，空間電荷區(qū)（耗盡層）加寬，絕大多數(shù)光生載流子在耗盡層內(nèi)進(jìn)行高效、高速漂移，產(chǎn)生漂移電流。這

5、個(gè)漂移電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擴(kuò)散電流，所以PIN光電二極管的靈敏度高。在回路的負(fù)載上出現(xiàn)電流，就將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)榱穗娦盘?。?5頁，共51頁。PIN光電二極管的波長響應(yīng)曲線第16頁，共51頁。幾種半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)隨波長的變化第17頁，共51頁。PIN輸出電流和反向偏壓的關(guān)系擊穿電壓第18頁，共51頁。APD雪崩光電二極管第19頁，共51頁。APD光電二極管的工作原理APD的光敏面被光子照射之后，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。這些電子-空穴對經(jīng)過高電場區(qū)之后，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。高速運(yùn)動的電子和晶體原子相碰撞，使晶體原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對，這個(gè)過程稱為碰撞電離。

6、碰撞電離所產(chǎn)生的電子稱為二次電子-空穴對，這些電子-空穴對在高速電場運(yùn)動時(shí)又被加速，又可能碰撞電離其他原子，如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，使載流子數(shù)量迅速增加，反向電流迅速增大，形成雪崩倍增效果。第20頁，共51頁。平均雪崩增益M M與電子和空穴的電離率有關(guān)，隨半導(dǎo)體材料的不同而不同，同時(shí)隨高電場區(qū)強(qiáng)度的增大而增大。第21頁，共51頁。APD增益與偏壓及溫度的關(guān)系第22頁，共51頁。本征響應(yīng)帶寬（頻域角度）載流子在電場區(qū)的渡越時(shí)間上升時(shí)間tr定義：輸入階躍光功率時(shí)，探測器輸出光電流最大值的10%到90%所需的時(shí)間。第23頁，共51頁。APD的本征響應(yīng)帶寬e為等效渡越時(shí)間，它與空穴和電子的電離系數(shù)

7、比值有關(guān)。第24頁，共51頁。光電二極管的實(shí)際響應(yīng)帶寬第25頁，共51頁。APD 波長響應(yīng)曲線 Si半導(dǎo)體材料的空穴和電子的碰撞電離系數(shù)比值為0.22第26頁，共51頁。三種探測器產(chǎn)品的典型參數(shù)P183 表5.2.1第27頁，共51頁。MSM光電探測器（MSM, Metal-Semiconductor-Metal）優(yōu)點(diǎn)：結(jié)電容小，帶寬大，制造容易缺點(diǎn)：響應(yīng)度低光電轉(zhuǎn)換原理相同第28頁，共51頁。單行載流子探測器(UTC-PD)在PIN光電二極管中，對光電流作出貢獻(xiàn)的包括電子和空穴兩種載流子。只有電子充當(dāng)載流子，空穴不參與導(dǎo)電，電子的遷移率遠(yuǎn)高于空穴，因而其載流子渡越時(shí)間比PIN的小。第29頁，

8、共51頁。第30頁，共51頁。第31頁，共51頁。波導(dǎo)光電探測器（WG-PD）邊入射光電探測器面入射光電探測器PIN的響應(yīng)速度受到PN結(jié)RC數(shù)值、I 吸收層厚度和載流子渡越時(shí)間等的限制?？山獬孔有逝c響應(yīng)速度之間的制約關(guān)系第32頁，共51頁。分支波導(dǎo)探測器(Tapered WG-PD)第33頁，共51頁。邊入射平面折射波導(dǎo)RF UTC-PD第34頁，共51頁。數(shù)字光接收機(jī)第35頁，共51頁。光電轉(zhuǎn)換和前置放大器（光接收機(jī)的核心）前置放大器在減弱或防止電磁干擾和抑制噪聲方面起著特別重要的作用第36頁，共51頁。光接收機(jī)前置放大器等效電路第37頁，共51頁。線性放大第38頁，共51頁。柰奎斯特脈

9、沖響應(yīng)和升余弦均衡濾波器輸出響應(yīng)第39頁，共51頁。數(shù)據(jù)恢復(fù)第40頁，共51頁。選取最佳的判決時(shí)間第41頁，共51頁。眼圖分析法第42頁，共51頁。光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)1.噪聲機(jī)理2.信噪比3.誤碼率4.接收靈敏度5.動態(tài)范圍第43頁，共51頁。光接收機(jī)噪聲一部分是外部電磁干擾產(chǎn)生的，這部分噪聲的危害可通過屏蔽或?yàn)V波加以消除。另一部分是內(nèi)部產(chǎn)生的，這部分噪聲是在信號檢測和放大過程中引入的隨機(jī)噪聲，只能通過器件的選擇和電路的設(shè)計(jì)與制造盡可能減小，一般不可能完全消除。其主要來源是光檢測器的噪聲和前置放大器的噪聲。因?yàn)榍爸眉壿斎氲氖俏⑷跣盘枺湓肼晫敵鲂旁氡扔绊懞艽?，而主放大器輸入的是?jīng)前置級放大的信號，只要前置級增益足夠大，主放大器引入的噪聲就可以忽略。第44頁，共51頁。內(nèi)部噪聲暗電流噪聲-無光照時(shí)產(chǎn)生散粒噪聲熱噪聲第45頁，共51頁?？偟木皆肼曤娏鞯?6頁，共51頁。光接收機(jī)信噪比SNR第47頁，共51頁。誤碼率BER