光檢測器及光接收機

關于光檢測器及光接收機5.1半導體光檢測器原理、結構及特性

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化成相應的電信號并放大、再生恢復為原傳輸的信號。光接收機的組成框圖如圖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。

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圖5.1光接收機組成框圖第3頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

光檢測器用于將接收到的光信號轉換成電信號。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）具有足夠快的響應速度，能夠適用于高速或寬帶系統(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）具有良好的線性關系，以保證信號轉換過程中的不失真；（5）具有較小的體積、較長的工作壽命等。第4頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

光檢測器產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，然后介紹數字光接收機的組成及特性。第5頁,共61頁，2024年2月25日，星期天5.1.1PN結的光電效應光電二極管（PD）是一個工作在反向偏壓下的PN結二極管，由光電二極管作成的光檢測器的核心是PN結的光電效應。當PN結加反向偏壓時，外加電場方向與PN結的內建電場方向一致，勢壘加強，在PN結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結上，且光子能量hv大于半導體材料的帶隙Eg時，價帶上的電子吸收光子能量躍遷到導帶上，形成一個電子—空穴對。第6頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

在耗盡區(qū)，在內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結外電路構成回路，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，光電效應也不會發(fā)生，即產生光電效應必須滿足(5.1)(5.2)即存在第7頁,共61頁，2024年2月25日，星期天λc為產生光電效應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。利用光電效應可以制造出簡單的PN結光電二極管。但這種光電二極管結構簡單，無法降低暗電流和提高響應度，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,共61頁，2024年2月25日，星期天5.1.2PIN光電二極管

1.PIN光電二極管的結構如圖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層吸收系數很小，入射光可以很容易地進入材料內部被充分吸收而產生大量的電子—空穴對，因此大幅度提高了光電轉換效率。另外，I層兩側的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速度。第9頁,共61頁，2024年2月25日，星期天圖5.2PIN光電二極管結構第10頁,共61頁，2024年2月25日，星期天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范圍、響應度、量子效率、響應速度及噪聲特性等。

1)波長響應范圍由式（5.2）可知，不同半導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，光電轉換效率會大大降低。因此，半導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換，這一波長范圍就是波長響應范圍。由于半導體材料對光的吸收，光在材料中按指數率衰減，因此經過長度d的材料的光功率為第11頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

式中，α是材料對光的吸收系數，其單位為長度單位的倒數。稱1/α為光的穿透深度。半導體材料的吸收系數α與波長有關。半導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隨波長的變化情況。(5.3)第12頁,共61頁，2024年2月25日，星期天圖5.3用作光檢測器的幾種導體材料的吸收系數隨波長的變化情況第13頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

半導體材料的吸收系數α與波長有關。半導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，材料的吸收系數很大，這樣，光在半導體材料表層即被吸收殆盡。在表層產生的光生載流子要擴散到耗盡層才能產生光生電流，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合掉了，使得光電轉換效率在波長很短時大大下降。第14頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

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，不能進行光電轉換。其次，材料的吸收系數不能太大，以免降低光電轉換效率。Si―PIN光電二極管的波長響應范圍為0.5～1μm，Ge―PIN和InGaAs―PIN光電二極管的波長響應范圍約為1~1.7μm。第15頁,共61頁，2024年2月25日，星期天2)響應度響應度是描述光檢測器能量轉換效率的一個參量。它定義為(5.4)

其中，Pin為入射到光電二極管上的光功率；Ip為所產生的光電流。它的單位為A/W。第16頁,共61頁，2024年2月25日，星期天3)量子效率量子效率表示入射光子轉換為光電子的效率。它定義為單位時間內產生的光電子數與入射光子數之比，即η=光電轉換產生的有效電子—空穴對數入射光子數(5.5)第17頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

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?？梢?，光電檢測器的響應度隨波長的增大而增大。圖5.4為PIN光電二極管的響應度、量子效率與波長的關系?？梢钥闯?，響應度、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；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)內被充分吸收。

(5.6)第18頁,共61頁，2024年2月25日，星期天圖5.4第19頁,共61頁，2024年2月25日，星期天4)響應速度響應速度是光電檢測器的另一個重要參數，通常用響應時間（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，這樣檢測器的響應特性必然與外電路相關。如圖5.5為檢測器電路及其等效電路，其中Cd、Rs、RL分別為檢測器的結電容、串聯電阻、負載電阻，CA、RA分別為放大器的輸入電容和電阻。第20頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

圖5.5光電二極管電路(a)接收電路；(b)等效電路第21頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

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

式中，ε為材料的介電常數，A為結面積，W為耗盡區(qū)厚度。第22頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

（2）載流子漂移通過耗盡區(qū)的渡越時間。光電二極管的響應速度主要受到耗盡區(qū)內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，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)外產生的載流子擴散引起的延遲。耗盡區(qū)外產生的載流子一部分復合，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,共61頁，2024年2月25日，星期天圖5.6光脈沖及電流脈沖波形第24頁,共61頁，2024年2月25日，星期天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,共61頁，2024年2月25日，星期天

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結內熱效應產生的電子—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,共61頁，2024年2月25日，星期天

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,共61頁，2024年2月25日，星期天圖5.7暗電流密度與偏置電壓的關系第28頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

漏電流和暗電流一樣，都只能通過合理設計、良好的結構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,共61頁，2024年2月25日，星期天

式中，R為等效電阻，T為絕對溫度，k為玻爾茲曼常數。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，它伴隨著信號的產生而產生，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,共61頁，2024年2月25日，星期天5.1.3雪崩光電二極管（APD）

1.雪崩光電二極管的結構當耗盡區(qū)中的場強達到足夠高時，入射光產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。經過多次電離后，載流子迅速增加，形成雪崩倍增效應。APD就是利用雪崩倍增效應使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。第31頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

圖5.8為一種被稱為拉通型APD（RAPD）的結構。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構，具有光電轉換效率高、響應速度快和附加噪聲低等優(yōu)點。第32頁,共61頁，2024年2月25日，星期天圖5.8一種稱為拉通型APD(RAPD)的結構圖

(a)RAPD的結構示意圖;(b)場分布示意圖第33頁,共61頁，2024年2月25日，星期天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范圍、量子效率、響應度、響應速度等。除此之外，由于APD中雪崩倍增效應的存在，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,共61頁，2024年2月25日，星期天g值隨反向偏壓、波長和溫度而變化。顯然，APD的響應度比PIN增加了g倍?，F在APD的g值已達到幾十甚至上百。第35頁,共61頁，2024年2月25日，星期天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。同時雪崩效應產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）可描述雪崩效應的隨機性所引起的噪聲增加的倍數。通常附加噪聲因子可表示為

F=g

x(5.14)第36頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

式中，x稱為附加噪聲指數，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,共61頁，2024年2月25日，星期天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,共61頁，2024年2月25日，星期天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,共61頁，2024年2月25日，星期天5.2數字光接收機5.2.1數字光接收機的組成數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,共61頁，2024年2月25日，星期天圖5.9數字光接收機組成框圖第41頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

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，并通過它實現自動增益控制（AGC），以使輸入光信號在一定范圍內變化時，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,共61頁，2024年2月25日，星期天

均衡器的目的是對經光纖傳輸、光／電轉換和放大后已產生畸變（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,共61頁，2024年2月25日，星期天

數字光發(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構類型、系統(tǒng)的傳輸速率等有關。第44頁,共61頁，2024年2月25日，星期天5.2.2數字光接收機的噪聲

1.數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,共61頁，2024年2月25日，星期天圖5.10接收機的噪聲及其分布第46頁,共61頁，2024年2月25日，星期天2.數字光接收機的噪聲特性的分析方法噪聲是一種隨機過程，應采取隨機過程的分析方法。用概率密度和概率分布函數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)為入射光產生的光電流，CPN為檢測器結電容，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,共61頁，2024年2月25日，星期天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、濾波器的響應函數。對于這樣的線性網絡，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,共61頁，2024年2月25日，星期天圖5.11接收機等效電路第49頁,共61頁，2024年2月25日，星期天5.2.3數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，經過判決、再生后，會出現將原來的“1”碼誤判為“0”碼、“0”碼誤判為“1”碼的情況，即出現誤碼。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,共61頁，2024年2月25日，星期天圖5.12輸出信號的概率密度第51頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

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,共61頁，2024年2月25日，星期天P(0)、P(1)分別為碼流中“0”碼、“1”碼出現的概率。

以此為基礎，可以根據要達到的誤碼率，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。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果可參閱有關書籍。第53頁,共61頁，2024年2月25日，星期天5.2.4數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是影響光接收機靈敏度的主要因素之一，因此前置放大器必須有良好