西安交大光纤通信4-光检测器与光接收机..

w耗尽区宽度
产生的光电流
R e (1 e s w ) hc
eP0 (1 e s w ) hc
I p RP
光吸收系数与波长的关系曲线
s ( )
c
hf
?
Eg
hf Eg
c ( m)
hc

Eg
hc 1.24 Eg Eg (eV )
由于吸收系数取决于光波长，因此，特定的半导体材料只能应用在有限的波长 范围内。
（1） 量子噪声 量子（散粒）噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时，光电子 的产生和收集过程具有统计特性。 光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，该统计过程服从泊松分布。 量子噪声的谱密度为常数
SQ ( f ) eI p
对于pin
i (t ) SQ ( f )df 2eI p B
w 1/
1 w 低电容、耗尽区宽度 s 的光电二极管对矩形输入脉冲的响应的上升与
下降时间与输入脉冲比较一致。
如果光电二极管的电容较大，那 它的响应时间就会受到负载电阻 RL和光电二极管结电容所构成的 RC时间常数所限制。
如果耗尽区宽度太窄，则非耗尽材 料产生的任何载流子在被吸收之前 不得不扩散到耗尽区。所以窄耗尽 区的器件会有明显不同的慢速和快 速响应分量。
P
N
光电二极管（PD）
1、半导体光电二极管 光子进入PN结，价带的电子受激吸收将 被激发到导带，产生一对光生载流子， 受内建电场的作用，光生载流子的电子 向 N区漂移，空穴向P区漂移，载流子 移动到外部电路形成光电流。
光生电流包括：
耗尽层 势 垒
漂移电流--耗尽区的光生载流子在电场作用下运动形成的电流扩散电流 扩散电流----P区的光生载流子形成的电流 N区的光生载流子形成的电流
高电场
光
一次电子
§4.2 光电二极管的工作特性
光电二极管的主要特性参数包括响应度、量子效率、响应带宽、APD的倍增系 数及噪声等。
1、量子效率
单位时间产生的电子数 单位时间注入的光子数

Ip /e Pin / hf
式中 e是电子电荷， h是普朗克常数。 I p
e Pin hf
2、响应度：响应度表征了光电二极管的能量转换效率
偏置电路
自动增益 控制 线性通道
接收机的前端包括反向偏压下的光电二极管和前置放大器。 线性通道主要完成对信号的线性放大，以满足判决电平的要求。
数字信号和时钟恢复电路。
2、光接收机前端
作用：是将光纤线路末端耦合到光电二极管的光比特流转换为时变电
要求：一台性能优良的光接收机，应具有无失真地检测和恢复微弱信 号的能力，这首先要求光接收机具有： 前端应有低噪声； 高灵敏度； 足够的带宽。
特点：I区的耗尽区很宽，入射光很容易产生光生电子空穴对， 形成漂移电流；提高了响应速度。另外， I区的吸收系数 小 ， 因而光电转化效率高。
P
I
N
x
光功率衰减 被吸收的光功率
s ( ) x P( x) P e 0
s
吸收系数
P P0 (1 e s w )
P s w 0 Ip e eP ( 1 e ) hf hf
互阻抗前端是一个性能优良的电流—电压转换器，即使RL很高，而负反
馈使有效输入阻抗降低了G倍，G是前置放大器增益，从而使其带宽比高
阻抗前端增加了G倍.
优点： 动态范围大，频带宽、噪声低、灵敏度高。
3、光接收机的线性通道
光接收机的线性通道由
一个高增益放大器和
一个低通滤波器（或均衡器 ）组成。
自动增益控制(AGC)放大器：将放大器的平均输出电压限制在固定电 平
若光从 P区照射，大部分光子将在较厚的I层被吸收，因而产生电子、空 穴对，被匀强电场加速，运动到PN结强场区。
入射光功率产生的电子空穴对经过高场区时不断被加速而获得很高的能 量，这些高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使 晶格中的原子电离，产生新的电子空穴对。新的电子空穴对受到同样加速 运动，又与原子碰撞电离，产生电子空穴对，称为二次电子空穴对。如此 重复，使强电场区域中的电子和空穴成倍的增加，载流子和反向光生 电流迅速增大，产生雪崩现象, 这个物理过程称为雪崩倍增效应。
适配因子，与材料 及结构有关
例： 一种硅APD在波长900nm时的量子效率为65％，假定0.5uW的光功率 产生的倍增电流为10uA，试求倍增因子M。
解：
初级光电流为：
0.65 0.9 I p RP0 P0 0.5 0.236 ( A) 1.24 1.24
倍增因子M为：
M IM 10A 43 I P 0.235A
2 Q

B：接收机带宽
对于APD
2 iQ (t ) 2eI p BM 2 F (M )
PIN
2eI p B
M2
F
F
(过剩)噪声系数
（2）光电二极管的暗电流噪声
i
2 DB
2qI D B 2 2qI D BM F ( M )
对于 pin 对于APD
其中ID是初级（未倍增过的）光检测器体暗电流。
3、 雪崩光电二极管(APD) 1 ）雪崩光电二极管的的结构
高掺杂的 型半导体，为接触层； I轻掺杂半导体层，为漂移区（光吸收区）； P型半导体，为倍增层（或称雪崩区）； N+高掺杂的 型半导体，为接触层。
P
2 ）雪崩光电二极管(APD)的工作原理
高反向偏置
约100V—150V
电场分布
当外加的反向偏压比PIN情况下高得多时，这个电压几乎都降到P 结 上。特别是在高阻的PN结附近，电场强度可高达 105V/m，已经高出碰撞电流
漂移电流
扩散电流，光电转换效率低，响应速度慢 漂移电流, 光电转换效率高，相应速度快 增大漂移电流，减小扩散电流
增大漂移电流的方法
增加PN结的反偏
耗尽层
加偏置电压的好处：加大耗尽区的宽度， 加强漂移电流的影响 ， 减少扩散电流的比例， 提高响应速度。同时， 提高了电光转换效率。 但增加有限。 另一种加大耗尽层的方法是 引入本征半导体（I型半导体）
§4.3光接收机
光接收机的任务： 从接收到带有附加噪声及失真的微弱光信号中恢复出 携带的信息。 光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。 光纤通信系统有模拟和数字两大类 光接收机也有数字接收机和模拟接收机两种形式。
1、数字光接收机组成
光检测器 前置放大器 主放大器 均衡器 数字信号 恢复、时钟 线路译码 接口

因此，初级光电流被放大了43倍。 APD的性能是由它的响应度 R APD来表征。 APD响应度定义为
RAPD RPIN M
其中
RPIN
是pin二极管得响应度。
4、光电检测器的噪声
量子噪声 暗电流噪声 热噪声
入射光子激发的电子空穴的随机性产生的电流
PIN在反偏情况下，没有外来的光时产生的电流 电阻的热噪声
I p RP in
R的单位为A／W。
e R hf
e hc
R
e hc 1.24
波长λ的单位取μm
响应度随波长 增加而增大。
hc

Eg
c
hc 1.24 Eg Eg (eV )
R ( )
例
InGaAs的量子效率大约为90％，波长为1300nm，求响应度。
接收机前端等效电路： 光电二极管的串联电阻Rs， 总电容Cd 放大电路的输入电容为Ca 输入电阻为Ra
Ip
前端的设计有3 低阻抗前端 高阻抗前端 跨阻抗前端 低阻抗前端从频带要求出发选 择光检测器的负载电阻RL， 使其满足
1 RL 2fCt
Δf为码速率所要求的前端带宽； Ct=Cj+Cs+Ca； Cj ---为光电二极管的结电容； Cs ---为光电二极管和前置放大器引线的 杂散电容； Ca ---为前置放大器的输入电容。 低阻抗前端优点： 电路简单，不需要或只需要很少的均衡，前 置级的动态范围也较大。
（3） 对于光电探测器电阻的热噪声
光检测器电阻的均方热噪声电流为：
2 k BT ST ( f ) R 2k T 4k BTB 2 B iT 2 df 0 RL R
K：玻耳兹曼常数 T：绝对温度
5、 检测器响应时间
光脉冲照射PD下,光电流的响应时间。 当检测器受到阶跃光脉冲照射时，响 应时间可以用检测器输出脉冲的上升 时间 r 和下降时间 f 来表示
光检测器
第四章
光 检 测 器与光接收机
主要内容 光检测器工作原理 光电二极管的工作特性 光接收机 光接收机的噪声 数字接收机的灵敏度
§4.1光检测器工作原理
光检测器:检测通过光纤传来的光信号 将光功率转换为电流输出。
光检测器利用光电效应实现。
外光电效应 内光电效应 真空光电二极管 半导体光电二极管
而不随输入平均光功率而变。
低通滤波器（或均衡器 ）：使电压脉冲整形，降低噪声，控制可能出 现的码间串扰(ISI)。
接收机噪声正比于接收机带宽，为降低噪声，采用带宽Δ f小于比特率
Si、Ge、InGaAs pin光电二极管的通用工作特性参数
参数 波长范围 响应度 暗电流 上升时间 带宽 偏置电压
符号
单位
nm A/W nA ns GHz V
Si
400～1100 0.4～0.6 1～10 0.5～1.0 0.3～0.7 5
Ge
800～1650 0.4～0.5 50～500 0.1～0.5 0.5～3.0 5～10
低（高）阻抗前端
跨阻抗前端
低阻抗前端缺点： 灵敏度较低，噪声比较高。