第五章-光探測(cè)和光接收機(jī)課件

第五章光探測(cè)和光接收機(jī)1概況一點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容整體概述概況三點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容概況二點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容2本章內(nèi)容對(duì)光檢測(cè)器的基本要求PN結(jié)光電檢測(cè)原理PIN光電二極管APD雪崩光電二極管MSM光電探測(cè)器單行載流子光電探測(cè)器波導(dǎo)光電探測(cè)器數(shù)字光接收機(jī)3對(duì)光檢測(cè)器的基本要求1.在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上要有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，光檢測(cè)器能輸出盡可能大的光電流。2.波長(zhǎng)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(hào)。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(zhǎng)。7.功耗和體積小，使用簡(jiǎn)便。4光纖通信常用的光電檢測(cè)器半導(dǎo)體材料PIN光電二極管APD雪崩光電二極管5PN結(jié)光電檢測(cè)原理6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(chǎng)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(dòng)PN結(jié)界面內(nèi)部電場(chǎng)漂移運(yùn)動(dòng)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(chǎng)的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)？7PN結(jié)光電二極管結(jié)構(gòu)8PN結(jié)光電二極管工作原理當(dāng)PN結(jié)加上反向電壓后，在入射光的作用下，由于受激吸收過(guò)程生成的電子-空穴對(duì)在電場(chǎng)的作用下，分別離開(kāi)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(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)。加反向電壓？入射光？光生載流子？光生電流？9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？10光電二極管的特性1.響應(yīng)度R2.量子效率η113.截止波長(zhǎng)λc4.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)12常用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度與截止波長(zhǎng)13PN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)速度慢光電轉(zhuǎn)換效率低

14PIN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。15PIN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(duì))。在耗盡區(qū)電場(chǎng)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(dòng)勢(shì)。在遠(yuǎn)離PN結(jié)的地方，因沒(méi)有電場(chǎng)的作用，電子空穴作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榱穗娦盘?hào)。16PIN光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)曲線17幾種半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化

18PIN輸出電流和反向偏壓的關(guān)系擊穿電壓19APD雪崩光電二極管20APD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(duì)。這些電子-空穴對(duì)經(jīng)過(guò)高電場(chǎng)區(qū)之后，初始電子(一次電子)在高電場(chǎng)區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。高速運(yùn)動(dòng)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(duì)，這個(gè)過(guò)程稱為碰撞電離。碰撞電離所產(chǎn)生的電子稱為二次電子-空穴對(duì)，這些電子-空穴對(duì)在高速電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)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。21平均雪崩增益MM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(chǎng)區(qū)強(qiáng)度的增大而增大。22APD增益與偏壓及溫度的關(guān)系23本征響應(yīng)帶寬（頻域角度）載流子在電場(chǎng)區(qū)的渡越時(shí)間上升時(shí)間τtr定義：輸入階躍光功率時(shí)，探測(cè)器輸出光電流最大值的10%到90%所需的時(shí)間。24APD的本征響應(yīng)帶寬τe為等效渡越時(shí)間，它與空穴和電子的電離系數(shù)比值有關(guān)。25光電二極管的實(shí)際響應(yīng)帶寬26APD波長(zhǎng)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0.2227三種探測(cè)器產(chǎn)品的典型參數(shù)P183表5.2.128MSM光電探測(cè)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29單行載流子探測(cè)器(UTC-PD)在PIN光電二極管中，對(duì)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。303132波導(dǎo)光電探測(cè)器（WG-PD）邊入射光電探測(cè)器面入射光電探測(cè)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33分支波導(dǎo)探測(cè)器(TaperedWG-PD)34邊入射平面折射波導(dǎo)RFUTC-PD35數(shù)字光接收機(jī)36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37光接收機(jī)前置放大器等效電路38線性放大39柰奎斯特脈沖響應(yīng)和升余弦均衡濾波器輸出響應(yīng)40數(shù)據(jù)恢復(fù)41選取最佳的判決時(shí)間42眼圖分析法43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(dòng)態(tài)范圍44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(guò)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(hào)檢測(cè)和放大過(guò)程中引入的隨機(jī)噪聲，只能通過(guò)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(lái)源是光檢測(cè)器的噪聲和前置放大器的噪聲。因?yàn)榍爸眉?jí)輸入的是微弱信號(hào)，其噪聲對(duì)輸出信噪比影響很大，而主放大器輸入的是經(jīng)前置級(jí)放大的信號(hào)，只要前置級(jí)增益足夠大，主放大器引入的噪聲就可以忽略。45內(nèi)部噪聲暗電流噪聲---無(wú)光照時(shí)產(chǎn)生散粒噪聲熱噪聲46總的均方噪聲電流47光接收機(jī)信噪比SNR48誤碼率BER通常數(shù)字光接收機(jī)要求BER≤10-949Q&A問(wèn)答環(huán)節(jié)

敏而好學(xué)，不恥下問(wèn)。

學(xué)問(wèn)學(xué)問(wèn)，邊學(xué)邊問(wèn)。

He

is

quick

and

eager

to

learn.

Learning

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