《光纖通信技術》第四章 光探測器與光接收系統(tǒng)

1、光 纖 通 信 技 術通信與信息工程學院第1 章 緒 論第2 章 光纖光纜第3 章 光源與光發(fā)射系統(tǒng) 第4 章 光探測器與光接收系統(tǒng)第5章 光無源器件 第6章 光通信中的光放大器 第7章 光纖通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡 目 錄2022/8/27第4章 光探測器與光接收機 光子探測器光接收機框圖光接收機靈敏度 接收機的動態(tài)范圍和自動增益控制(AGC) 電路接收機的再生電路本章內(nèi)容光電探測器通常分為2類: (1)光子探測器（利用各種光子效應）；（2）熱探測器（利用溫度）。光子效應：光電子發(fā)射、光電導變化效應、光生伏特、光電磁等。光熱效應：溫差電、電阻率變化、自發(fā)極化強度變化、氣體體積和壓強變化等。基于光電子發(fā)

2、射效應的器件在吸收了大于紅外波長的光子能量以后，器件材料中的電子能逸出材料表面，這各種器件稱為外光電效應器件?；诠怆妼?、光伏特和光電磁效應的器件，在吸收了大于紅外波長的光子能量以后，器件材料中出現(xiàn)光生自由電子和空穴，這種器件稱為內(nèi)光電效應器件。2022/8/274.1 光子探測器4.1.1 光電子發(fā)射探測器2022/8/27在光電子發(fā)射探測器中，入射輻射的作用是使電子從光電陰極表面發(fā)射到周圍的空間中，即產(chǎn)生光電子發(fā)射。產(chǎn)生光電子發(fā)射所需光電能量取決于光電陰極的逸出功。光電子發(fā)射的能量轉換公式為為使價帶中的電子能躍遷到導帶上，必須使入射光子的能量大于禁帶寬度Eg，即使材料具有光電發(fā)射的截止波長

3、c應用光電子發(fā)射效應制成的光電探測器稱為光電子發(fā)射探測器。 光電倍增管的工作原理2022/8/27 圖是光電倍增管的工作原理圖。圖4-1中K為光電發(fā)射陰極，D為聚焦板，D1D10為倍增極（或打拿極），A為收集電子的陽極。倍增極間的電壓逐級增加，極間電壓約為80150V。光電倍增管的性能2022/8/27光電倍增管的性能主要由陰極和倍增極以及極間電壓決定。負電子親和勢材料是目前最好的光電陰極材料。倍增極二次電子發(fā)射特性用二次系數(shù)描述，即如果倍增極的總數(shù)為n，且各級性能相同，考慮到電子的傳輸損失，則光電倍增管的電流增益M為f為第一倍增極對陰極發(fā)射電子的收集率；g為各倍增極之間的電子傳遞效率，良好的

4、電子光學設計可始f、g值在0.9以上。n和值愈大，M值就愈高，但過多的倍增極不僅使倍增管加長，而且使電子渡越效應變得嚴重，從而嚴重影響倍增管的頻率特性和噪聲特性。值主要取決于倍增極材料和極間電壓4.1.2光電導探測器2022/8/27圖4-2光敏電阻（以非本征n型半導體為例）分析模型1.光電轉換規(guī)律 2022/8/27圖中V表示外加偏置電壓，l、b和d分別表示n型半導體得三維尺寸，光功率P在x方向均勻入射，假定光電導材料的吸收系數(shù)為，表面反射率為R，則光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化規(guī)律為相應的光生面電流密度j（x）為式中e為電子電荷，v為電子在外電場方向的漂移速度，n（x）為在x處的電子密度。

5、流過電極的總電流為2022/8/27穩(wěn)態(tài)下，電子得復合率為n(x)/，而電子的產(chǎn)生率等于單位面積、單位時間吸收的光子數(shù)乘以量子效率，產(chǎn)生率復合率得：為電子的平均壽命，為量子效率應用上面兩式得：有效量子效率M為電荷放大系數(shù)M為電荷放大系數(shù)，un是電子遷移率，V為外加偏壓，l為結構尺寸。2.光電導探測電路 2022/8/27典型的光電探測器在電路中的連接如圖4-3所示。 電路中的參數(shù)Vb和RL均會影響輸出信號的電壓值，那么，如何選擇Vb和RL？2022/8/27從圖4-3可見，負載電阻RL兩端的直流壓降為當光輻射照到探測器上時，探測器電阻Rd就發(fā)生變化，負載電阻RL兩端壓降也就發(fā)生變化，這個電壓的

6、變化量就是信號電壓Vs當上式等于0時，有RLRd，信號電壓為極大值。2022/8/27從圖4-3可見，在偏壓Vb作用下，通過探測器電流I為在探測器上消耗的功率P為經(jīng)驗數(shù)據(jù)探測器的功耗不應超過0.1W/cm2，若探測器的面積為Ad，則消耗功率不應超過0.1Ad，與最大允許電壓關系為：Vb,max并不是最佳偏壓。2022/8/27圖4-4 信號、噪聲電壓隨偏流變化圖3.幾種典型的光電導探測器簡介2022/8/27光電導探測器按晶體結構可分為多晶和單晶兩類。多晶類多是薄膜型器件，如PbS、PbSe、PbTe等，單晶類中常見的有銻化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe）、碲錫鉛和摻雜型幾種。CdS和C

7、dSe。這是兩種造價低的可見光輻射探測器（CdS：0.30.8m，CdSe：0.30.9m）。它們的主要特點是高可靠性和長壽命，因而廣泛用于自動化技術中。PbS。這是一種性能優(yōu)良的近紅外輻射探測器，是在室溫條件下探測靈敏度最高的一種紅外探測器，室溫下的禁帶寬度為0.37eV，相應的長波限為3m。PbTe。在常溫下對4m以內(nèi)的紅外光靈敏，冷卻到90K，可在5m范圍內(nèi)使用。響應時間約為104105s。InSb。這也是一種良好的近紅外（峰值波長約為6m）輻射探測器。HgCdTe探測器。HgCdTe是由半導體CdTe和半金屬HgTe采用半導體合金法混合而成的合金系統(tǒng)。2022/8/27圖4-5 不同工

8、作溫度下InSb光電導探測器的光譜特性2022/8/27為了提高信噪比，英國首先研制成 掃積型HgCdTe探測器，如圖4-6。它是由若干小的方形單元探測器排列成的線陣探測器，當目標的紅外像點沿長條方向掃過時，外加電場驅使光生載流子也沿光點掃描方向遷移，并使遷移速度與像點掃描速度同步，這樣可使信號積累（積分輸出）。若此掃積探測器由n個單元組成，信號將是單元探測器輸出的n倍，但由于噪聲的非相關性，噪聲只會增加根號n倍，因此信噪比可提高n1/2倍。2022/8/27摻雜型光電導探測器。主要是以鍺（Ge）為主體材料摻有其它雜質的雜質半導體。它們主要用于814m長波段內(nèi)。圖4-7 摻雜型光電導探測器的光

9、譜特性2022/8/27表4-1 幾種光電導探測器的典型特性4.1.3 光伏探測器2022/8/27利用PN結的光伏效應而制作的光電探測器稱為光伏探測器。與光電導探測器不同，光伏探測器的工作特性要復雜些，PN結受光照射時，即使沒有外加偏壓，PN結自身也會產(chǎn)生一個開路電壓，這時如果將PN結兩端短接，便有短路電流通過回路。因此利用利用光生伏特效應制成的結型器件有光電池和光電二極管之分，而光電二極管又有兩種工作模式，光電導和光伏式，它們由外偏壓電路決定。1.兩種工作模式 一個PN結光伏探測器用圖48（a）中的符號表示，它等效為一個普通二極管和一個恒流源（光電流源）的并聯(lián)，如圖48（b）所示。在零偏壓

10、時（圖48（c），稱為光伏工作模式。當外回路采用反偏壓V時（圖48（d），即外加p端為負，n端為正的電壓時，稱為光導工作模式。2022/8/27圖48 光伏探測器及其工作模式示意圖2022/8/27普通二極管的伏安特性為式中，iS為反向飽和電流，u是探測器兩端電壓，e是電子電荷，因而光伏探測器的總電流i為式中i為光電流。光伏探測器的伏安特性如圖49所示。由圖可見第一象限是正偏壓狀態(tài)，iD本來很大，所以光電流i不起重要作用，因此在這一區(qū)域工作沒有意義。第三象限是反偏壓狀態(tài)，這時iD-iS，它對應于光功率P=0時二極管的反向飽和電流，稱為暗電流，其數(shù)值很小，光電流ii-is。由于這種情況的外回路特

11、性與光電導探測器十分相似，所以反偏壓下的工作方式稱為光導模式。第四象限中，外偏壓為零，當負載電阻比較小時，RL3的負載線接近于理想的垂直負載線，這是，輸出光電流正比于入射功率，這種狀態(tài)工作模式叫光伏模式。2022/8/27圖49光伏探測器的伏安特性2022/8/272兩種工作模式的比較 光導模式工作時，光電二極管加反偏壓，可以大大提高器件的頻率特性。此外反偏壓可增加長波端靈敏度及擴展線性區(qū)上限。但反偏產(chǎn)生的暗電流引起較大的散粒噪聲，且頻率低于1KHz時還有1/f噪聲，這又限制了探測能力的下限。 因光伏式二極管無偏壓工作，故暗電流造成的散粒噪聲小，且無1/f噪聲，有高得多的信噪比。光伏式二極管主

12、要應用于超低噪聲、低頻及儀器方面。光導式二級管則主要用來探測高速光脈沖和高頻調制光。3.光譜響應和頻率特性 光電二極管都有一定的光譜響應范圍，圖410 給出了Si光電二極管的光譜響應曲線。高頻計算的簡化等效電路如圖4-11（b）所示，其截止頻率fc為通常又定義電路的時間常數(shù)Tc為2022/8/27圖410 Si光電二極管光譜響應曲線2022/8/27圖411 光電二極管的高頻等效短路截至頻率：電路的時間常數(shù)：c2.2RLCj2022/8/27 4常用的光伏探測器簡介(1) 硅光電池。也稱太陽電池或光伏電池。工作在圖443所示的第四象限。價格便宜，光電轉換效率高，光譜響應寬，頻率特性好，壽命長，

13、穩(wěn)定性好，耐高能輻射，適合近紅外探測。 (2) PIN 硅光電二極管。從前面光電二極管的討論中可知，載流子的擴散時間和電路時間常數(shù)大約同數(shù)量級，是決定光電二極管響應速度的主要因素。為了改善頻率特性，就得設法減小載流子擴散時間和結電容，于是人們提出加一層中間本征層。 (3)異質結光電二極管。異質結是由兩種不同的半導材料形成的P一N結。P一N結兩邊是由不同的基質材料形成的，兩邊的禁帶寬度不同。通常以禁帶寬度大的一邊作為光照面，能量大于寬禁帶的光子被寬禁帶材料吸收，產(chǎn)生電子空穴對。如果光照面材料的厚度大于載流子的擴散長度，則光生載流子達不到結區(qū)，對光電信號無貢獻。而能量小于寬禁帶的長波載流子卻能順利

14、到達結區(qū)，被窄禁帶材料吸收，產(chǎn)生光電信號。 (4)雪崩光電極管（APD）。以上討論的光電二極管都是沒有內(nèi)部增益的，即增益。這里討論的雪崩二極管是有內(nèi)部增益的，增益可達102104。它是利用雪崩管在高的反向偏壓下發(fā)生雪崩倍增效應而制成的光電探測器。 2022/8/27光電流增益的大小用倍增因子M表示。實驗表明，M隨反向偏壓V的變化可用加下的經(jīng)驗公式近似表示APD的噪聲主要是散粒噪聲預熱噪聲，噪聲電流有效值可寫為r是電子和空穴電離概率VB為擊穿電壓，n為與材料有關的常數(shù)2022/8/27（5）Schottky勢壘光電二極管。這是一種由金屬和半導體接觸所制成的光電二極管，所以這種光電二極管也稱為金屬

15、半導體光電二極管。 要求反偏壓工作，光從金屬一側入射。為使透光性好，金屬是用真空鍍膜技術制成的金屬膜，厚度只有幾十埃。(6) 光電三極管。光電三極管具有內(nèi)增益，但獲得內(nèi)增益的途徑不是雪崩效應，而是利用一般晶體管的電流放大原理。 工作原理：基區(qū)和集電區(qū)處于反向偏壓狀態(tài)，內(nèi)建電場從集電區(qū)指向基區(qū)。光照基區(qū)，產(chǎn)生電子空穴對，光生電子在內(nèi)電場作用下漂移到集電區(qū)，空穴留在基區(qū)，使基區(qū)電位升高，這相當于EB結上加了個正偏壓，基極電位升高，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，最后形成光電流。光電流隨光照強弱而變化。2022/8/27(7) InSb光伏探測器。InSb材料既可作光電導探測器，也可制成PN結光

16、伏探測器。常以P型層表面作光照面，產(chǎn)生的少數(shù)載流子是電子，具有較大的遷移率和擴散長度，這樣可以使大多數(shù)的光生少數(shù)載流子擴散到PN結而形成光生電動勢，因而可使靈敏度較高。是在35um波段內(nèi)常用的高性能紅外探測器。（8）HGCdTe光伏探測器。近20年來在紅外探測器方面最卓越約成績是HgCdTe探測器的研制成功及投入使用。和光電導型HgCdTe一樣，可采用半導體合金法將化合物CdTe和HgTe合成Hg1xCdxTe合金。若在P型HgCdTe中將Hg擴散進去，表面將形成N型層，從而構成PN結，改變組份x就可以改變HgCdTe探測器的工作波段。（9）長波長紅外焦平面陣列。隨著軍事和遙感遙測科學的發(fā)展，

17、對由大量單元紅外探測器構成的高密度焦平面陣列的要求日益迫切，尤其使814m的長波長紅外波段的探測器對接近景物的目標最為敏感，因此一直是紅外焦平面陣列研究的主要方向之一。 期望能利用成熟的工藝制作、波長可調，并可將探測器與信號處理及讀出電路集成在同一芯片上的大面積長波紅外焦平面陣列。此概念20世紀70年代提出，80年代分子束外延和金屬有機化學汽相淀積等工藝的發(fā)展，才成功地生長出能制作長波紅外探測器所必須的異質結GexSi1-x/Si等偽合金及GexSi1-x-GexSi1-x/Si異質結內(nèi)光發(fā)射的長波紅外探測器陣列。4.1.4 其它光子探測器簡介2022/8/27 1.光子牽引探測器 光子牽引探

18、測器是一種非勢壘光伏效應探測器。它和HgCdTe光電二極管一樣適用于10.6m的激光波長探測。但是HgCdTe光電二極管只能在微弱光信號下使用，而光子牽引探測器則適用于強光探測。因此它廣泛用于CO2脈沖激光器輸出的探測。P型鍺的光子牽引探測器示意圖這種探測器的優(yōu)點是響應快，可在損傷閾值高及室溫下工作，不需要電源。缺點是靈敏度低，典型器件的單位帶寬等效噪聲功率為103W，只有在強光下才能使用。2022/8/27 2. 光電磁探測器 如圖412所示，將半導體置于強磁場中，當半導體表面受到光輻射照射時，在表面產(chǎn)生電子空穴對，并且濃度逐漸增大，電子和空穴便向體內(nèi)擴散，在擴散過程中，受到強磁場的洛倫茲力

19、的作用，使空穴和電子的偏轉方向相反，從而在半導體內(nèi)產(chǎn)生一個電場，阻礙著電子和空穴的繼續(xù)偏轉，如果這時將半導體兩端短路，則產(chǎn)生短路電流；開路時，則有開路電壓。這種現(xiàn)象叫做光電磁效應。利用這種效應制成的光電探測器叫做光電磁探測器（PME器件）。2022/8/27圖412 光電磁效應2022/8/27 圖413 PbPbOPb隧道結的伏安特性曲線3.Josephson結探測器 在兩超導薄膜之間被一層（厚約10）電介質隔開，這種結構稱為Jesephson結，或超導隧道結。若通過隧道結的電流小于某一臨界值，在結上沒有電位降，則在隧道結的伏安特性曲線中存在一個零電壓的電流。若通過隧道結的電流超過這個臨界值

20、，在結上將產(chǎn)生電位降，這時在伏安特性曲線中，將沿著測量負載線跳到正常電子隧道的曲線上，如圖413所示。這種在隧道結中有隧道電流通過而不產(chǎn)生電位降的現(xiàn)象，稱之為直流Josephson效應。2022/8/27若在隧道結上維持一個有限的電位降V，在隧道結兩超導體之間將有一個頻率為f的交流電流通過，頻率f和電壓V之間有下述關系 若隧道結受到光輻射照射時，在一系列分立的電壓值上可以感應出額外的直流電流，則在隧道結的直流伏安特性曲線上，出現(xiàn)常電壓電流階梯現(xiàn)象。階梯處的電壓Vn和外加輻照信號頻率f的關系為E為電子電荷，h為普朗克常數(shù)n為階梯級數(shù)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，由于隧道結受到輻射照射時，在結上可以感應

21、出交流電壓，而這交流電壓反過來對結上的Josephson電流進行調制，從而產(chǎn)生許多使電流增大的邊帶。利用Josephson結效應可以研制出從射頻到遠紅外的寬廣頻率范圍內(nèi)、靈敏度為皮瓦的探測器。在射電天文、毫米波通信等方面有實際應用。2022/8/274.2 光接收機框圖探測器：實現(xiàn)光電變換。前放：實現(xiàn)低噪聲放大。主放：提供足夠的增益，且增益受AGC電路的控制。均衡器：保證判決時不存在碼間干擾。判決器，時鐘提?。簩π盘栠M行再生。AGC電路：改變接收機的增益，擴大接收機的動態(tài)范圍。光信號探測器 前置放大器主放大器均衡器判決器時鐘提取AGC電路譯碼器2022/8/274.3 光接收機的靈敏度接收靈敏

22、度定義 保證達到給定誤碼率的條件下，光接收機需要的最小平均光功率。(Pmin: W，dBm) 2022/8/27P(dBm)BER10-1010-910-810-710-610-510-4-32-30-28-26-24給定BER接收靈敏度 Pmin2022/8/27靈敏度與碼速的關系fb Pmin(變差)PIN: Pminfb3/2 (4.5dB/比特率倍程)APD：Pminfb7/6(3.5dB/比特率倍程)APD比PIN改善靈敏度5-10dB靈敏度與量子極限差10dB左右1101001000fb(Mb/s)Pmin(dBm)-80-70-60-50-40-30-20量子極限APDPIN20

23、22/8/27LD消光比對靈敏度的影響 EXT Pmin惡化對于PIN Pmin9EXT(%) (dB)對于APD Pmin18EXT(%) (dB) 例：EXT=10% Pmin=1.8dB 2022/8/27各種因素對靈敏度的影響探測器噪聲量子噪聲暗電流噪聲倍增噪聲倍增失調雪崩增益偏離最佳值放大器噪聲-影響靈敏度的最主要因素碼速率消光比2022/8/27各種因素對靈敏度的影響LD量子噪聲光子數(shù)的隨機起伏模式分配噪聲多縱模LD各模式攜帶能量的隨機變化模式噪聲多模光纖鏈路中連接,耦和等單元的空間濾波效應反射噪聲LD輸出的光反射回LD諧振腔中影響光強,光譜等其它多路徑反射2022/8/27無碼間

24、干擾判決的條件線性相移傳輸系統(tǒng)：H()=0 2/Tb H()+H(2/Tb-)=C 02/Tb/Tb+/Tb=H()/Tb2022/8/27升余弦形頻譜 在光纖通信系統(tǒng)中，常設計均衡網(wǎng)絡使輸出波形具有升余弦形頻譜。頻譜A()=1 0 (1+)Tb2022/8/27升余弦形頻譜頻譜A()/Tb2/Tb-/Tb-2/Tb10.5=1=0.5: 滾降因子，01，表示頻譜曲線滾降的快慢。=1滾降最慢。2022/8/27升余弦形頻譜 波形hout(t)=sin(t/Tb)cos(t/Tb)tTb1-(2tTb)thout(t)Tb2Tb3Tb4Tb-Tb-2Tb-3Tb-4Tb=102022/8/27升

25、余弦形頻譜 波形 hout(0)=1 hout(nTb)=0 n=1, 2, 3,.本碼元判決時刻信號最大，相鄰碼元判決時刻信號為零，無碼間干擾。2022/8/27均衡網(wǎng)絡的傳遞函數(shù) Heq()為實現(xiàn)無碼間干擾判決需滿足S()Hof()Ham()Heq()=A()S(): 發(fā)送脈沖的頻譜Hof(): 光纖的傳遞函數(shù)Ham(): 放大器的傳遞函數(shù)Heq()=A()S()Hof()Ham() 均衡網(wǎng)絡與發(fā)送脈沖波形，光纖特性，放大器特性有關。2022/8/27均衡電路網(wǎng)絡綜合問題。眼圖分析法眼圖-隨機信號在反復掃描過程中疊加在一起的綜合反應。發(fā)送脈沖眼圖： Tb均衡輸出眼圖：2022/8/27眼圖

26、分析法模型化眼圖：V1V2t1t2最佳判決時刻判決門限垂直張開度：E=V1/V2 反映系統(tǒng)的抗噪聲能力。水平張開度： E=t1/t2 反映過門限失真的大小。 E小會導致提取出的時鐘信號的抖動增加。眼圖的張開度受噪聲和碼間干擾的影響。 4.4 接收機的動態(tài)范圍和自動增益控制(AGC) 電路2022/8/27接收機的動態(tài)范圍 保證達到給定誤碼率的條件下，允許接收 光功率的變化范圍。(dB) -反映接收機接收強信號的能力。系統(tǒng)對接收機動態(tài)范圍的要求： D(dB)=PTR(dBm)-10dBPmin(dBm)可正常接收比發(fā)送功率小10dB的光功率例：fb=34Mb/s, Pmin=-44dBm, PTR=-3dBm 要求：D=31dB接收機的動態(tài)范圍2022/8/27P(dBm)BER10-1010-910-810-710-610-510-4-32-30-28-12-10給定BER接收靈敏度Pmin-8-6過載功率Pmax動態(tài)范圍DD(dB)=Pmax(dBm)-Pmin(dBm)自動增益控制電路框圖2022/8/27擴大動態(tài)范圍方法：控制APD的雪崩增益控制主放大器的增益D(dB)=10lg(Gopt/Gmin)+Da(dB)光電檢測前置放大主放均衡判決峰值檢測AGC放大APD高壓APD雪崩增益控制電路2022/8/27控制范圍：D=10lg(Gopt/Gmin)Gop