光檢測器及光接收機

關(guān)于光檢測器及光接收機第1頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1半導(dǎo)體光檢測器原理、結(jié)構(gòu)及特性

光接收機是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，它的作用是把光發(fā)射機發(fā)送的攜帶有信息的光信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號并放大、再生恢復(fù)為原傳輸?shù)男盘枴９饨邮諜C的組成框圖如圖5.1所示，它由光檢測器、低噪聲前置放大器、主放大器、均衡器以及濾波器等組成。

第2頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖5.1光接收機組成框圖第3頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

光檢測器用于將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。由于從光纖中傳過來的光信號一般都很微弱，因此對光檢測器的基本要求是:（1）在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；（2）具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；（3）具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響；（4）具有良好的線性關(guān)系，以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真；（5）具有較小的體積、較長的工作壽命等。第4頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

光檢測器產(chǎn)生的光電流是非常微弱的，必須由前置放大器進行低噪聲放大，因此前置放大器的噪聲對放大器輸出的信號影響非常大。主放大器、均衡器以及濾波器對信號進行進一步放大及整形，以提高系統(tǒng)性能。本章首先介紹光電檢測器的原理及特性，然后介紹數(shù)字光接收機的組成及特性。第5頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.1PN結(jié)的光電效應(yīng)光電二極管（PD）是一個工作在反向偏壓下的PN結(jié)二極管，由光電二極管作成的光檢測器的核心是PN結(jié)的光電效應(yīng)。當PN結(jié)加反向偏壓時，外加電場方向與PN結(jié)的內(nèi)建電場方向一致，勢壘加強，在PN結(jié)界面附近載流子基本上耗盡形成耗盡區(qū)。當光束入射到PN結(jié)上，且光子能量hv大于半導(dǎo)體材料的帶隙Eg時，價帶上的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶上，形成一個電子—空穴對。第6頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

在耗盡區(qū)，在內(nèi)建電場的作用下電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，如果PN結(jié)外電路構(gòu)成回路，就會形成光電流。當入射光功率變化時，光電流也隨之線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。當入射光子能量小于Eg時，不論入射光有多強，光電效應(yīng)也不會發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足(5.1)(5.2)即存在第7頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月λc為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長，稱為截止波長。以Si為材料的光電二極管,λc=1.06μm;以Ge為材料的光電二極管，λc=1.60μm。利用光電效應(yīng)可以制造出簡單的PN結(jié)光電二極管。但這種光電二極管結(jié)構(gòu)簡單，無法降低暗電流和提高響應(yīng)度，器件的穩(wěn)定度也比較差，實際上不適合做光纖通信的檢測器。第8頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.2PIN光電二極管

1.PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)如圖5.2所示，PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、N型半導(dǎo)體之間，生成一層摻雜極低的本征材料，稱為I層。在外加反向偏置電壓作用下，I層中形成很寬的耗盡層。由于I層吸收系數(shù)很小，入射光可以很容易地進入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量的電子—空穴對，因此大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。另外，I層兩側(cè)的P層、N層很薄，光生載流子的漂移時間很短，大大提高了器件的響應(yīng)速度。第9頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.2PIN光電二極管結(jié)構(gòu)第10頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月2.PIN光電二極管的特性

PIN光電二極管的主要特性包括波長響應(yīng)范圍、響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)速度及噪聲特性等。

1)波長響應(yīng)范圍由式（5.2）可知，不同半導(dǎo)體材料存在著上限波長即截止波長。當入射波長遠遠小于截止波長時，光電轉(zhuǎn)換效率會大大降低。因此，半導(dǎo)體光電檢測器只可以對一定波長范圍的光信號進行有效的光電轉(zhuǎn)換，這一波長范圍就是波長響應(yīng)范圍。由于半導(dǎo)體材料對光的吸收，光在材料中按指數(shù)率衰減，因此經(jīng)過長度d的材料的光功率為第11頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

式中，α是材料對光的吸收系數(shù)，其單位為長度單位的倒數(shù)。稱1/α為光的穿透深度。半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)α與波長有關(guān)。半導(dǎo)體材料的吸收作用隨波長減小而迅速增強，即α隨波長減小而變大。圖5.3為光纖通信中用作光檢測器的幾種材料的吸收系數(shù)隨波長的變化情況。(5.3)第12頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.3用作光檢測器的幾種導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)隨波長的變化情況第13頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)α與波長有關(guān)。半導(dǎo)體材料的吸收作用隨波長減小而迅速增強，即α隨波長減小而變大。圖5.3為光纖通信中用作光檢測器的幾種材料的吸收系數(shù)隨波長的變化情況。

從圖中可以看出，當波長很短時，材料的吸收系數(shù)很大，這樣，光在半導(dǎo)體材料表層即被吸收殆盡。在表層產(chǎn)生的光生載流子要擴散到耗盡層才能產(chǎn)生光生電流，而在表層為零電場擴散區(qū)，擴散速度很慢，在光生載流子還沒有到達耗盡層時就大量被復(fù)合掉了，使得光電轉(zhuǎn)換效率在波長很短時大大下降。第14頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

綜上所述，檢測某波長的光時要選擇合適材料作成的光檢測器。首先，材料的帶隙決定了截止波長要大于被檢測的光波波長，否則材料對光透明，不能進行光電轉(zhuǎn)換。其次，材料的吸收系數(shù)不能太大，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率。Si―PIN光電二極管的波長響應(yīng)范圍為0.5～1μm，Ge―PIN和InGaAs―PIN光電二極管的波長響應(yīng)范圍約為1~1.7μm。第15頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月2)響應(yīng)度響應(yīng)度是描述光檢測器能量轉(zhuǎn)換效率的一個參量。它定義為(5.4)

其中，Pin為入射到光電二極管上的光功率；Ip為所產(chǎn)生的光電流。它的單位為A/W。第16頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月3)量子效率量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即η=光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電子—空穴對數(shù)入射光子數(shù)(5.5)第17頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

其中,e為電子電荷，其值為1.6×10-19C。所以有

式中,λ單位取μm。可見，光電檢測器的響應(yīng)度隨波長的增大而增大。圖5.4為PIN光電二極管的響應(yīng)度、量子效率與波長的關(guān)系?？梢钥闯觯憫?yīng)度、量子效率隨著波長的變化而變化。

為提高量子效率，必須減少入射表面的反射率，使入射光子盡可能多地進入PN結(jié)；同時減少光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)內(nèi)被充分吸收。

(5.6)第18頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.4第19頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月4)響應(yīng)速度響應(yīng)速度是光電檢測器的另一個重要參數(shù)，通常用響應(yīng)時間（上升時間和下降時間）來表示。光電二極管在接收機中使用時通常由偏置電路與放大器相連，這樣檢測器的響應(yīng)特性必然與外電路相關(guān)。如圖5.5為檢測器電路及其等效電路，其中Cd、Rs、RL分別為檢測器的結(jié)電容、串聯(lián)電阻、負載電阻，CA、RA分別為放大器的輸入電容和電阻。第20頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖5.5光電二極管電路(a)接收電路；(b)等效電路第21頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

影響響應(yīng)速度的主要因素有：（1）檢測器及其負載的RC時間常數(shù)。要提高響應(yīng)速度，就要降低整個電路的時間常數(shù)。從檢測器本身來看，就要盡可能降低結(jié)電容(5.7)

式中，ε為材料的介電常數(shù)，A為結(jié)面積，W為耗盡區(qū)厚度。第22頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）載流子漂移通過耗盡區(qū)的渡越時間。光電二極管的響應(yīng)速度主要受到耗盡區(qū)內(nèi)的載流子在電場作用下的漂移通過所需時間(即渡越時間)的限制。漂移運動的速度與電場強度有關(guān)，電場強度較低時，漂移速度正比于電場強度，當電場強度達到某一值后，漂移速度不再變化。（3）耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴散引起的延遲。耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子一部分復(fù)合，一部分擴散到耗盡區(qū)，被電路吸收。由于擴散速度比漂移速度慢得多，因此，這部分載流子會帶來附加時延，會使輸出電信號脈沖拖尾加長，如圖5.6所示。第23頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.6光脈沖及電流脈沖波形第24頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月5)噪聲特性光電二極管的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲以及負載電阻的熱噪聲。除負載電阻的熱噪聲以外，其它都為散彈噪聲。散彈噪聲是由于帶電粒子產(chǎn)生和運動的隨機性而引起的一種具有均勻頻譜的白噪聲。量子噪聲是由于光電子產(chǎn)生和收集的統(tǒng)計特性造成的，與平均光電流Ip成正比。來自噪聲電流的均方值可表示為(5.8)式中，Δf為噪聲帶寬。第25頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

暗電流噪聲是當沒有入射光時流過器件偏置電路的電流，它是由于PN結(jié)內(nèi)熱效應(yīng)產(chǎn)生的電子—空穴對形成的，是PIN的主要噪聲源。暗電流的均方值可表示為(5.9)

式中，Id為暗電流平均值。當偏置電壓增大時，暗電流增大。暗電流還隨著器件溫度的升高而增加。暗電流的大小與光電二極管的結(jié)面積成正比，故常用單位面積上的暗電流即暗電流密度來衡量。第26頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖5.7給出了幾種光電檢測器常用材料的暗電流密度與偏置電壓的關(guān)系。

除此之外，光電二極管中還有表面漏電流。表面漏電流是由于器件表面物理特性的不完善，如表面缺陷、不清潔和加有偏置電壓而引起的。漏電流的均方值可表示為式中，IL為漏電流平均值。(5.10)第27頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.7暗電流密度與偏置電壓的關(guān)系第28頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

漏電流和暗電流一樣，都只能通過合理設(shè)計、良好的結(jié)構(gòu)以及嚴格的工藝來降低。任何電阻都具有熱噪聲，只要溫度高于絕對零度，電阻中大量的電子就會在熱激勵下作無規(guī)則運動，由此在電阻上形成無規(guī)則弱電流，造成電阻的熱噪聲。均方熱噪聲電流為(5.11)第29頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

式中，R為等效電阻，T為絕對溫度，k為玻爾茲曼常數(shù)。因此，光電二極管的總均方噪聲電流為(5.12)

量子噪聲不同于熱噪聲，它伴隨著信號的產(chǎn)生而產(chǎn)生，隨著信號的增大而增大。當沒有光入射時，信號消失，量子噪聲也同時消失。第30頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.3雪崩光電二極管（APD）

1.雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)當耗盡區(qū)中的場強達到足夠高時，入射光產(chǎn)生的電子或空穴將不斷被加速而獲得很高的能量，這些高能量的電子和空穴在運動過程中與晶格碰撞，使晶體中的原子電離，激發(fā)出新的電子—空穴對。這些碰撞電離產(chǎn)生的電子和空穴在場中也被加速，也可以電離其它的原子。經(jīng)過多次電離后，載流子迅速增加，形成雪崩倍增效應(yīng)。APD就是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。第31頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖5.8為一種被稱為拉通型APD（RAPD）的結(jié)構(gòu)。π層為低摻雜區(qū)（接近本征態(tài)），而且很寬。當偏壓加達到一定程度后，耗盡區(qū)將被拉通到π層，一直抵達P+層。這是一種全耗盡型結(jié)構(gòu)，具有光電轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快和附加噪聲低等優(yōu)點。第32頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.8一種稱為拉通型APD(RAPD)的結(jié)構(gòu)圖

(a)RAPD的結(jié)構(gòu)示意圖;(b)場分布示意圖第33頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月2.雪崩光電二極管的特性與PIN相比，雪崩光電二極管的主要特性也包括波長響應(yīng)范圍、量子效率、響應(yīng)度、響應(yīng)速度等。除此之外，由于APD中雪崩倍增效應(yīng)的存在，APD的特性還包括雪崩倍增特性、倍增噪聲、溫度特性等。

1)倍增因子定義倍增因子g為APD輸出光電流Io和一次光生電流Ip的比值:(5.13)第34頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月g值隨反向偏壓、波長和溫度而變化。顯然，APD的響應(yīng)度比PIN增加了g倍?，F(xiàn)在APD的g值已達到幾十甚至上百。第35頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月2)噪聲特性

APD中的噪聲除了量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲之外，還有附加的倍增噪聲。雪崩倍增效應(yīng)不僅對信號電流有放大作用，而且對噪聲電流也有放大作用。同時雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的載流子也是隨機的，所以會引入新的噪聲成分。用附加噪聲因子F(大于1）可描述雪崩效應(yīng)的隨機性所引起的噪聲增加的倍數(shù)。通常附加噪聲因子可表示為

F=g

x(5.14)第36頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

式中，x稱為附加噪聲指數(shù)，反映了不同材料的APD的附加噪聲的大小。對于Si，x=0.3~0.5；對于Ge，x=0.6~1.0；對于InGaAsP，x=0.5~0.7。第37頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月APD中表面漏電流不被倍增，熱噪聲與PIN的特性相同。量子噪聲為暗電流噪聲為(5.15)(5.16)第38頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月3)溫度特性當溫度變化時，原子的熱運動狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起電子、空穴電離系數(shù)的變化，使得APD的增益也隨溫度而變化。隨著溫度的升高，倍增增益下降。為保持穩(wěn)定的增益，需要在溫度變化的情況下進行溫度補償。第39頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2數(shù)字光接收機5.2.1數(shù)字光接收機的組成數(shù)字光接收機的組成如圖5.9所示，主要包括光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、時鐘提取電路、取樣判決器以及自動增益控制（AGC）電路等。第40頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.9數(shù)字光接收機組成框圖第41頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

前置放大器是低噪聲放大器，它的噪聲對光接收機的靈敏度影響很大。前置放大器的噪聲取決于放大器的類型。主放大器一般是多級放大器，它的作用是提供足夠的增益，并通過它實現(xiàn)自動增益控制（AGC），以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不變。主放大器和AGC決定著光接收機的動態(tài)范圍。第42頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

均衡器的目的是對經(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。再生電路包括判決電路和時鐘提取電路，它的功能是從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元時鐘，并逐個對碼元波形進行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。第43頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

數(shù)字光發(fā)射機的主要指標有靈敏度、誤碼率和信噪比。靈敏度是指在給定誤碼率條件下，能夠檢測到的最小信號光功率，通常用dBm表示。它表示接收機檢測微弱信號的能力。接收機的動態(tài)范圍指接收機可以正常工作的輸入信號的變化范圍。這些指標與光檢測器和放大電路的結(jié)構(gòu)類型、系統(tǒng)的傳輸速率等有關(guān)。第44頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.2數(shù)字光接收機的噪聲

1.數(shù)字光接收機的噪聲源接收機中，影響接收機靈敏度的主要因素是信號檢測和放大系統(tǒng)中的各種噪聲。這些噪聲的分布如圖5.10所示。這些噪聲可分為散彈噪聲和熱噪聲兩大類。散彈噪聲包括光檢測器的量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲和APD的倍增噪聲；熱噪聲包括負載電阻上的熱噪聲和放大電路中產(chǎn)生的噪聲。具體的噪聲均方值形式類似于PIN噪聲特性中的表示。第45頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.10接收機的噪聲及其分布第46頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月2.數(shù)字光接收機的噪聲特性的分析方法噪聲是一種隨機過程，應(yīng)采取隨機過程的分析方法。用概率密度和概率分布函數(shù)來表示隨機過程的統(tǒng)計特性。接收機可以等效為類似于圖5.11所示的等效電路，其中is(t)為入射光產(chǎn)生的光電流，CPN為檢測器結(jié)電容，Cs為雜散電容，RL為偏置電路電阻，id為檢測器的噪聲電流，iL為偏置電阻的熱噪聲電流，Ra、Ca分別為前置放大器的輸入電阻和輸入電容，第47頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月ia、ea分別為前置放大器的噪聲電流、電壓源，A1(ω)、A2(ω)、E(ω)、F(ω)分別為前置放大器、主放大器、均衡器、濾波器的響應(yīng)函數(shù)。對于這樣的線性網(wǎng)絡(luò)，可以獲得系統(tǒng)輸出由于各種噪聲影響的統(tǒng)計平均特性。

確定系統(tǒng)的噪聲特性后，就可以進行靈敏度的計算。第48頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.11接收機等效電路第49頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.3數(shù)字光接收機的靈敏度靈敏度是光接收機最重要的性能指標。影響光接收機靈敏度的主要因素是光檢測器和前置放大器的噪聲特性。

由于噪聲的存在，使接收機放大器輸出的信號成為一個隨機變量，經(jīng)過判決、再生后，會出現(xiàn)將原來的“1”碼誤判為“0”碼、“0”碼誤判為“1”碼的情況，即出現(xiàn)誤碼。如圖5.12所示，V0、V1分別為“0”碼、“1”碼的平均電平值，D為判決電平。第50頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.12輸出信號的概率密度第51頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

若已知“1”碼、“0”碼取值的概率密度分別為f0(x)、f1(x)，則“0”碼誤判為“1”碼的概率為“1”碼誤判為“0”碼的概率為(5.17)(5.18)則總誤碼率BER為(5.19)第52頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月P(0)、P(1)分別為碼流中“0”碼、“1”碼出現(xiàn)的概率。

以此為基礎(chǔ)，可以根據(jù)要達到的誤碼率，確定入射光功率，從而確定靈敏度。要計算靈敏度，首先必須求出總噪聲的概率密度函數(shù)。光接收機的噪聲特性、靈敏度隨系統(tǒng)所用器件、電路的不同而不同，計算過程十分繁雜，具體計算過程和最后結(jié)果可參閱有關(guān)書籍。第53頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.4數(shù)字光接收機的前置放大器電路由于前置放大器的噪聲特性