光纖通信-ch6 光電檢測器與光接受機

第六章光電檢測器與光接受機光電檢測器：用于光信號的檢測或探測。通常置于通信系統(tǒng)的接受端或傳輸光纖的末端。光電監(jiān)測器＋控制電路→光接收機6.1光電檢測器6.1.1PIN光電二極管PN結(jié)光電效應：光→電流光電監(jiān)測器原理：直接測量光電效應產(chǎn)生的電流，再通過計算得到光的強度。PN結(jié)光電效應NPLight_+----++++----多數(shù)載流子：受到PN結(jié)勢壘阻擋不形成電流少數(shù)載流子：形成漂移（暗）電流，但很小光——PN結(jié)區(qū)受激吸收——光生電子空穴對強PN結(jié)反向電場：電子N，空穴P，形成光電流反向偏置：反向暗電流很小光照時電流主要為光生電流++++光電二極管：將光信號變成電信號的半導體器件。核心：PN結(jié)比較于普通二極管：結(jié)構：PN結(jié)面積大--入射光照射面積大，電極面積小+PN結(jié)的結(jié)深很淺（一般小于1微米）注意：光電二極管--反向電壓下工作。沒有光照時，也有反向電流--暗電流（小于0.1微安）。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應變化。光電二極管Aschematicdiagramofareversebiasedpnjunctionphotodiode.Netspacechargeacrossthediodeinthedepletionregion.NdandNaarethedonorandacceptorconcentrationsinthepandnsides.Thefieldinthedepletionregion.p+SiO2Electrodernet-eNaeNdxxE(x)REmaxe-h+Iphhu

>EgWEnDepletionregion(a)(b)(c)AntireflectioncoatingVrElectrodeVout光電效應方程禁帶寬度入射光能量電子動能工作波長截止波長：最大波長短波長極限：半導體材料對光的吸收

光電二極管除了有上截止波長外，還有下截止波長。當入射光波長太短時，光電轉(zhuǎn)換效率也會大大下降，這是因為材料對光的吸收系數(shù)是波長的函數(shù)（下頁圖）。當入射波長很短時，材料對光的吸收系數(shù)變得很大，結(jié)果使大量的入射光子在光電二極管的表面層里被吸收。因此，某種材料制作的光電二極管對光波長的響應有一定的范圍。Si光電二極管的波長響應范圍為0.5-1.0μm，適用于短波長波段;Ge和InGaAs光電二極管的波長響應范圍為1.1-1.6μm，適應于長波長波段。1.61.8Wavelength(mm)In0.53Ga0.47AsGeSiIn0.7Ga0.3As0.64P0.36InPGaAsa-Si:H12341x1031x1041x1051x1061x1071x108Photonenergy(eV)Absorptioncoefficient(a)vs.wavelength(l)forvarioussemiconductorsa(m-1)1.0短波長極限半導體材料對光的吸收（a）代表符號；（b）等效電路；（c）特性曲線。檢測電流電脈沖擴散t光功率光脈沖t時間響應前沿滯后載流子在耗盡區(qū)的渡越時間后沿拖尾耗盡區(qū)外載流子的擴散增加耗盡區(qū)寬度，縮短P、N區(qū)寬度，使大部分光功率在耗盡區(qū)吸收，可降低擴散的影響，提高后沿響應速度?？紤]PIN結(jié)構。PIN結(jié)pin結(jié)：薄的重摻雜n區(qū)+接近于本征n區(qū)（i區(qū)）+重摻雜p區(qū)

P＋區(qū)和輕摻雜n區(qū)（i區(qū)）之間形成pn結(jié)，并在n區(qū)形成空間電荷區(qū)，其中的電場是變化的（如圖）。

入射光在i區(qū)被吸收，產(chǎn)生被電場分開的電子－空穴對。優(yōu)點：pn結(jié)電場范圍擴大，收集更多的光生載流子。

反向偏壓加速電子和空穴遷移，減少復合。半導體光電二極管的受光表面一般為器件的P型外延層表面或N型襯底表面。PIN-+Eg1Eg2入射光頻率滿足：P、N區(qū)對入射光完全透明受激吸收作用全部發(fā)生在I區(qū)大大提高光電轉(zhuǎn)換效率和響應速度雙異質(zhì)PIN結(jié)通常反向偏壓主要是加在PN結(jié)的結(jié)區(qū)附近的耗盡層里，光電二極管的體內(nèi)往往存在著一個零電場區(qū)域。在零電場區(qū)域里產(chǎn)生的電子一空穴對不能有效地轉(zhuǎn)換成光電流，從而使光電轉(zhuǎn)換效率降低。

因此，應使光電二極管的體內(nèi)少產(chǎn)生或不產(chǎn)生電子一空穴對。雙異質(zhì)PIN結(jié)結(jié)構的P區(qū)和N區(qū)選用禁帶寬度大的半導體材料，并使入射光的能量（頻率）滿足關系，就可使光生電子一空穴對僅僅在I區(qū)產(chǎn)生，提高光電轉(zhuǎn)換效率，并有效改善光電轉(zhuǎn)換的時間響應。雙異質(zhì)PIN結(jié)幾種高速PINPD的結(jié)構

InGaAsPIN帶尾纖光電二極管

6.1.2雪崩光電二極管(AvalanchePhotodetector-APD)雪崩效應原理:

增加PN結(jié)上反向偏壓，耗盡層內(nèi)的電場強度增加。當反向偏壓增加到一定值時，進入耗盡層的光生載流子被電場加速而獲得足夠大的動能，當其與晶格碰撞時使價帶中的電子激發(fā)到導帶而產(chǎn)生新的電子-空穴對。這些電子-空穴對又被電場加速而獲得足夠大的動能，又可產(chǎn)生新的電子-空穴對。依次類推，耗盡層內(nèi)的載流子數(shù)目劇增，發(fā)生雪崩效應，反向結(jié)電流倍增。利用光生載流子雪崩效應工作的PN結(jié)光電二極管就是APD。Apictorialviewofimpactionizationprocessesreleasingelectron－h(huán)olepairs(EHPs)andtheresultingavalanchemultiplication.Impactofanenergeticconductionelectronwithcrystalvibrationstransferstheelectron'skineticenergytoavalenceelectronandtherebyexcitesittotheconductionband.h+Ep+n+pe-Avalancheregion(a)e-h+EcEv(b)EAvalanchemultiplicationprocess碰撞電離所需最小電場高電場區(qū)雪崩區(qū)電場強度位置APD：Reach-through拉通型N+PIP++-光由P+區(qū)進入器件，光子被接近本征I區(qū)（p區(qū)）材料吸收，I區(qū)起光生載流子的收集作用。從而在I區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對，I區(qū)的電場使這些電子-空穴對分開。光生電子經(jīng)過I區(qū)漂移到高電場的PN+結(jié)區(qū)，使載流子碰撞而倍增。N+PIP++-Aschematicillustrationofthestructureofanavalanchephotodiode(APD)biasedforavalanchegain.Thenetspacechargedensityacrossthephotodiode.Thefieldacrossthediodeandtheidentificationofabsorptionandmultiplicationregions.p+SiO2ElectrodernetxxE(x)REhu>EgpIphe-h+AbsorptionregionAvalancheregion(a)(b)(c)Electroden+SiO2GuardringElectrodeAntireflectioncoatingnnn+p+pSubstrateElectroden+p+pSubstrateElectrodeAvalanchebreakdown(a)(b)ASiAPDstructurewithoutaguardring.AschematicillustrationofthestructureofamorepracticalSiAPD幾種高速工作的APD結(jié)構6.2光電檢測器的特性指標6.2.1光電監(jiān)測器的工作特性1.

響應度-反映光電效應的效率ρ＝

平均輸出電流流

入射的平均光功率

＝Ip為光生電流的平均值（A）；P為平均入射光功率（W）。

2.

量子效率–以量子形式反映光電效應的效率η＝

通過結(jié)區(qū)的光生載流子數(shù)

入射到器件上的光子數(shù)

＝3.

響應速度－即光電轉(zhuǎn)換速度，也即當光照射在二極管上（了解）產(chǎn)生一定大小的電流所需的時間（對脈沖光信號上升沿的響應）。

從光入射到光敏面到發(fā)生受激吸收的時間；

零場區(qū)光生載流子的擴散時間；有場區(qū)光生載流子的漂移時間；雪崩倍增建立時間（對APD）；

RC時間常數(shù)。

光電二極管的暗電流是指沒有光入射時流過檢測器的偏置電路的電流，它是體暗電流和表面暗電流之和。

體暗電流：光電二極管pn結(jié)區(qū)熱產(chǎn)生的電子和空穴形成的電流。即一般所說pn結(jié)的反向電流。對于APD，熱產(chǎn)生的載流子同樣會得到pn結(jié)區(qū)高電場的加速，并因雪崩效應而產(chǎn)生倍增。

表面暗電流：表面漏電流，是由表面缺陷、清潔程度、偏置電壓大小和表面積大小等因素決定的。

注意：雪崩倍增是一種體效應，表面電流并不受雪崩增益的影響。4.

暗電流5.

APD的倍增因子(了解)平均倍增因子：為APD倍增后的光生電流；：未曾倍增時的原始光生電流；：無倍增時和倍增時的總電流；：無倍增時和倍增時的暗電流。最佳倍增因子：系統(tǒng)具有最大信噪比時的最佳取值。6.3光接收機6.3.1光解調(diào)原理光解調(diào)或光檢測方式：非相干檢測方式和相干檢測方式。非相干檢測方式：即直接檢測方式，是通過光電二極管直接

將接受的光信號恢復成基本調(diào)制信號的過程。也即通過光電檢測器和低通濾波器組成一個包絡檢測器，將光載波包絡（即基本調(diào)制信號的強度部分）恢復出來。相干檢測方式：目的：提高光電檢測器的靈敏度。像無線電收音機一樣，將接受的光信號與一個光本地振蕩器產(chǎn)生的信號進行光混頻之后，再被光電檢測器變換成一定要求的電信號。一定范圍內(nèi)，只要增加本地振蕩器輸出的光功率，就可提高光電檢測器接受的光信號功率。外差檢測方式；零差檢測方式；相位合成檢測方式；偏振合成檢測方式等。用于超長中繼距離的系統(tǒng)（海底光纜）PIN不能使原信號光電流發(fā)生倍增具有好的光電轉(zhuǎn)換線性度不需要高的工作電壓響應速度快PIN與APD的選擇：APD能夠使原信號光電流發(fā)生倍增提高接收機靈敏度需要較高的偏置電壓需要溫度補償電路從簡化接收機電路考慮，一般情況下多采用PIN光電二極管。6.3.2光接受器的構成與指標

圖：數(shù)字光接收機方框圖

光檢測器偏壓控制前置放大器AGC電路均衡器判決器時鐘提取再生碼流主放大器光信號1.光接收機構成前端線性通道時鐘提取數(shù)據(jù)再生放大器：兩級放大。前置放大器：低噪聲放大器。因輸入信號微弱，其噪聲對光接收機的靈敏度和輸出信噪比影響很大。主放大器：輸入的是經(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。

（1）多級放大器，提供足夠的增益

（2）通過它實現(xiàn)自動增益控制(AGC)，使輸入光信號在一定范圍內(nèi)變化時，輸出電信號保持恒定。光接收機動態(tài)范圍：由主放大器和AGC決定。

均衡和再生:均衡的目的：?對經(jīng)光纖傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變(失真)的電信號進行補償?

使輸出信號的波形適合于判決(一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形)，以消除碼間干擾，減小誤碼率。再生器的作用：將接受的信號恢復成標準數(shù)字信號。

再生電路包括：判決電路和時鐘提取電路。

光接收機的前端前端：由光電二極管和前置放大器組成作用：將耦合入光電檢測器的光信號轉(zhuǎn)換為光生電流， 然后進行預放大(電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換)，以便 后級作進一步處理。前端是光接收機的核心要求：低噪聲、高靈敏度、足夠的帶寬光檢測器的選擇：視具體應用場合而定。A. pin光電二極管具有良好的光電轉(zhuǎn)換線性度，不需要高的工作電壓，響應速度快。B. APD最大的優(yōu)點是它具有載流子倍增效應，一般來說其探測靈敏度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度補償電路。從簡化接收機電路考慮，一般喜歡采用pin光電二極管。EDFA+pin同樣可以帶來高靈敏度。前置放大器： 保持探測的電信號不失真地放大并保證噪聲最小，一般采用場效應晶體管(FET)。器件的選擇光接收機的線性通道對主放輸出的失真數(shù)字脈沖進行整形和補償，使之成為有利于判決的碼間干擾最小的升余弦波形根據(jù)輸入信號(平均值)大小自動調(diào)整放大器增益，使輸出信號保持恒定。用以擴大接收機的動態(tài)范圍。提供高的增益，放大到適合于判決電路的電平判決再生與時鐘提取任務：把線性通道輸出的升余弦波形恢復成數(shù)字信號為確定是‘1’或是‘0’，需要對某時隙的碼元作出判決。若判決結(jié)果為‘1’，則由再生電路產(chǎn)生一個矩形‘1’脈沖；若判決結(jié)果為‘0’，則由再生電路重新輸入一個‘0’。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)送端一致通過光數(shù)據(jù)鏈路的信號路徑光電集成接收機（參考）：

光接收機方框圖中除光檢測器以外的所有元件都是標準的電子器件，很容易用標準的集成電路(IC)技術將它們集成在同一芯片上。為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在努力開發(fā)單片光接收機，即用“光電集成電路(OEIC)技術”在同一芯片上集成包括光檢測器在內(nèi)的全部元件。

WidebandWaveguidePhotodiode

for40Gb/sSystems（HEMT高電子遷移率晶體管）

MonolithicReceiverOEICModule

for40Gb/sSystems(OEIC－光電集成器件)BERofReceiverOEICEyeDiagram@50Gb/s2.光接收機指標靈敏度：在一定的誤碼率和信噪比條件下，光接收機可接受的

最小平均光功率。動態(tài)范圍：在一定的誤碼率和信噪比條件下，光接收機允許的光信號平均光功率的變化范圍。信噪比條件：6.4光接收機的噪聲（p.115以及p.119)6.4.1光接收機噪聲源光接收機總噪聲Ntot＝光檢測器噪聲＋放大器噪聲圖：光接收機的噪聲等效模型光檢測器噪聲：量子噪聲、pn結(jié)體材料引起的暗電流噪聲

(darkcurrentnoise)和表面暗(漏)電流噪聲

〈iq2〉光檢測器的量子噪聲

功率譜密度為Sq

〈id2〉暗電流噪聲產(chǎn)生的均方噪聲電流----

體+表面暗電流功率譜密度Sdip光檢測器的輸出光生電流

R

光檢測器的偏置電阻和前置放大器輸入等效電阻的并聯(lián)電阻

C光檢測器的電容(結(jié)電容和其他電容)

放大器分解為:

理想放大器:相應的功率譜密度

SI

等效噪聲電流源〈i02〉:

相應的功率譜密度

SE

電壓源〈u02〉

Rin放大器的輸入電阻

帶寬B內(nèi)，量子噪聲均方根電流和光電流Ip平均值成正比：e：電子電荷，B：噪聲帶寬，