光纖通信第4.1節(jié)

第四章

光檢測(cè)器與光放大器【知識(shí)要點(diǎn)】通信用光有源器件主要包括光源、光檢測(cè)器、光放大器和光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器等。光源是光發(fā)射機(jī)的主要器件，主要功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的電—光轉(zhuǎn)換；光檢測(cè)器位于光接收機(jī)內(nèi)，主要功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的光—電轉(zhuǎn)換；光放大器主要是對(duì)光信號(hào)直接進(jìn)行放大，無需通過光—電—光轉(zhuǎn)換過程，解決長(zhǎng)距離傳輸時(shí)光功率不足的問題。本章重點(diǎn)介紹光檢測(cè)器和光放大器的類型、應(yīng)用時(shí)如何選擇等。4.1光電檢測(cè)器的工作機(jī)理與類型

4.1.1光敏二極管

4.1.2PIN光敏二極管

4.1.3雪崩光敏二極管

4.1.4光電二極管一般性能和應(yīng)用

4.1.1光敏二極管

如圖4.1所示，光敏二極管（PD）由半導(dǎo)體PN結(jié)組成，結(jié)上加反向偏壓。當(dāng)有光照射時(shí)，若光子能量（hf）大于或等于半導(dǎo)體禁帶寬度（Eg），則占據(jù)低能級(jí)（價(jià)帶）的電子吸收光子能量而躍遷到較高能級(jí)（導(dǎo)帶），在耗盡區(qū)里產(chǎn)生許多電子空穴對(duì)，稱為光生載流子。PN圖4.1PD工作原理耗盡區(qū)吸收區(qū)這些光生載流子受到結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)（自建場(chǎng)）的作用，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，于是P區(qū)就有過剩的空穴積累，N區(qū)則有過剩的電子積累，也就是在PN結(jié)兩邊產(chǎn)生了一個(gè)發(fā)光電動(dòng)勢(shì)，即光生伏特效應(yīng)。如果把外電路接通，就會(huì)有光生電流Is流過負(fù)載。入射到PN結(jié)的光越強(qiáng)，光生電動(dòng)勢(shì)越大。如果將被調(diào)光信號(hào)照射到該連接了外電路的光敏二極管的PN結(jié)上，它就會(huì)將被調(diào)制的光信號(hào)還原成帶有原信息的電信號(hào)。這種光敏二極管由于響應(yīng)速度低，不適用于光纖通信系統(tǒng)4.1.2PIN光敏二極管

PIN光敏二極管是在光敏二極管的基礎(chǔ)上制成的。用半導(dǎo)體本征材料（如：Si或InGaAs）作本體，分別在兩側(cè)摻雜而形成P區(qū)和N區(qū)，本征材料夾在中間，稱為I區(qū)。工作原理在反向偏置電壓下，形成較寬的耗盡區(qū)，當(dāng)被光照射時(shí)，在P區(qū)和N區(qū)產(chǎn)生空穴和電子，載流子在耗盡層區(qū)內(nèi)進(jìn)行高效率，高速度的漂移和擴(kuò)散所形成光生電流。特性PIINN光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率或響應(yīng)度R①量子效率（微觀）定義：一次光生電子—空穴對(duì)和入射光子數(shù)的比值

==

②響應(yīng)度R定義：一次光生電流和入射光功率的比值R==式中hf為光子能量，e為電子電荷。4.1.3雪崩光敏二極管在很強(qiáng)方向電場(chǎng)(反向電壓數(shù)十伏或數(shù)百伏)作用下，電子以極快的速度通過PN結(jié)。在行進(jìn)途中碰撞半導(dǎo)體晶格上的原子離化而產(chǎn)生的電子、空穴，即所謂二次電子和空穴，而且這種現(xiàn)象不斷連鎖反應(yīng)，使結(jié)區(qū)內(nèi)電流急劇倍增放大，產(chǎn)生“雪崩”現(xiàn)象。

負(fù)載入射光PNNI

E電場(chǎng)耗盡區(qū)圖4.3APD工作原理負(fù)載

入射光PNNNI

E電場(chǎng)耗盡區(qū)圖4.3APD工作原理③光敏二極管對(duì)高速調(diào)制光信號(hào)的響應(yīng)能力用脈沖響應(yīng)時(shí)間或截止頻率表示。PIN光敏二極管脈沖響應(yīng)時(shí)間或截止頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越時(shí)間和包括光敏二極管在內(nèi)的檢測(cè)電路RC常數(shù)所確定。

=式中為光敏二極管的串聯(lián)電阻和負(fù)載電阻的總和；為結(jié)電容和管殼分布電容的總和。

=式中為材料介電常數(shù)；A為結(jié)面積；w為耗盡層寬度。④噪聲噪聲直接影響光接收機(jī)的接收靈敏度。噪聲包括由信號(hào)電流暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲和有負(fù)載電阻與后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。暗電流是沒有光入射時(shí)流過光檢測(cè)器的電流，它是由PN結(jié)的熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)形成的。暗電流的均方值為<>=2eIdB加上信號(hào)電流的散粒噪聲，總的均方散粒噪聲為<>=2e(Ip+Id)B均方熱噪聲為<>=總均方噪聲電流為<>=2e(Ip+Id)B+雪崩光敏二極管（APD）使用時(shí)，需要數(shù)十以至數(shù)百伏的高反向電壓。雪崩電壓對(duì)環(huán)境溫度變化比較敏感，使用有點(diǎn)不方便。但由于有內(nèi)部電流放大作用，可以提高接收機(jī)靈敏度，因此廣泛用于中、長(zhǎng)距離的光纖通信系統(tǒng)。在光纖通信的短波場(chǎng)區(qū)（0.8~0.9um）雪崩光敏二極管用Si作本體，稱Si—APD。在長(zhǎng)波場(chǎng)區(qū)（1.0~1.65um）用Ge或用InGaAs作本體，分別稱為Ge—APD和InGaAs／InP—APDAPD特性參數(shù)響應(yīng)度、光譜響應(yīng)、響應(yīng)時(shí)間和頻率特性、噪聲（定義與PIN同）倍增因子g定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流Ip的比值g隨反向偏壓、波長(zhǎng)和溫度變化U為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)，R為體電阻。過剩噪聲因子在APD中，每個(gè)光生載流子不會(huì)經(jīng)歷相同的倍增過程具有隨機(jī)性，這將導(dǎo)致倍增增益的波動(dòng)，這種波動(dòng)是額外的倍增噪聲的主要根源。通常用過剩噪聲因子F來表征這種倍增噪聲。

x:附加噪聲指數(shù)均方噪聲電流:4.1.4光電二極管一般性能和應(yīng)用性能（表4.3、表4.4）應(yīng)用在短距離的應(yīng)用中，工作在850nm的Si器件對(duì)于大多數(shù)鏈路是個(gè)相對(duì)比較廉價(jià)的解決方案。在長(zhǎng)距離的鏈路常常需要工作在1330nm和1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。APD檢測(cè)器與PIN檢測(cè)器相比，具有載流子倍增效應(yīng)，其探測(cè)靈敏度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度補(bǔ)償電路。要視具體應(yīng)用場(chǎng)合而選定。InGaAs-APD（響應(yīng)速度快）適于超高速光纖通信系統(tǒng)-5~-15-5~-15工作電壓/V1~20.5~1結(jié)電容Cj/pF0.2~12~10響應(yīng)時(shí)間2~50.1~1暗電流Id/nA0.6(1.3)0.4(0.85)響應(yīng)度1.0~1.60.4~1.0波長(zhǎng)響應(yīng)InGaAs-PINSi-PIN表4.3PIN光電二極管一般特性0.5~0.70.3~0.4附加噪聲指數(shù)x20~3030~100倍增因子g40~6050~100工作電壓/V<0