西安交大光纤通信4光检测器与光接收机12PPT课件

3.13 光检测器
性能参数
噪声 量子噪声又称散弹噪声
光电效应是一种统计过程
光子流统计涨落 光电效应统计涨落 电子-空穴对自发复合统计涨落
量子噪声是一种具有均匀频谱的白噪声，带宽 B 内量子噪声电流的均方值可表示为：
iQ2
2 Q
2qIP B
3.2LD的输出光功率
半导体LD的速率方程：
A( N e
N0)N p
Ne
e
J ed
A( N e
N0)N p
Np
p
Ne
e
0
J th
ed (N e )th
e
3.2LD的输出光功率
P-I曲线 激光二极管的总发射光功率P与注入电流I的关系曲线。
NP
p
ed
(J
J th )
阈值电流Ith：开始发射受激发射的电 流值。阈值电流与腔的损耗、尺寸、 有源区材料和厚度等因素有关。
3.12 光源与光纤的耦合 面发光二极管与光纤的透镜耦合
（a）中光纤的端面作成球透镜， （b）中采用截头透镜， （c）中采用集成微透镜
3.12 光源与光纤的耦合 边发光LED与光纤的透镜耦合
3.13 光检测器
原理
光检测器由半导 体材料制成，当光 照射到其表面时价 带中的电子吸收光 子，获得能量的电 子跃迁到导带同时 在价带中留下了空 穴，在外加偏置电 压的情况下电子空 穴对的运动形成了 电流，常称为光生 电流。
光纤
限流区
金属 接触层
胶 电极
有源区
SiO2
SiO2
Cu热沉
面发射型LED
双异质结 结构
电极
衬底
Cu热沉
边发射型LED

率或信噪比)的条件下,光接收机所需的最
小平均光功率<P>min.灵敏度是光接收机
的重要指标，描述了其准确检测光信号
(dBm) 的能力。 Pr 10lg
P
m in 103
(W
)
APD接收灵敏度
I1 gP1 2g P
Im I1A
Q
Im
N0 N1
Q
P min
N0 N1
2gA
传输速率越大，光检测器的灵敏度越低
结论:光电检测器的灵敏度主要取决于三 个主要因素：
• 光检测器的噪声特性 • 前置放大器的噪声特性 • 传输速度
练习题
1、 InGaAs光电二极管的量子效率是70%，
它的响应度是多少？ 2、 P-I-N代表什么意思？ 3、门限判决和时钟判决示意图。 4、电路模块判断。 5、灵敏度的概念。
电压并联负反馈放大器（电 流-电压转换器）
优点：宽频带（等效输入电 阻很小）、低噪声（反馈电 阻可以取得很大）、灵敏度 高、动态范围大等综合优点， 被广泛采用。
6.3.2 光接收机的线性通道
提供高的增 益，放大到 适合于判决 电路的电平。
主放 大器
均衡 滤波
AGC电路
对主放输出的失 真数字脉冲进行 整形，使之成为 有利于判决码间 干扰最小的升余 弦波形。
光电二极管的响应度是0.85A/W，饱和输入光功率是 1.5mW，当入射光功率是1mW和2mW时，光电流分别是 多少？ 解：当输入光功率是1mW时，由I=RP，可得，
I=RP=[ 0.85A/W] ×[1.5mW]= 0.85mA
当输入光功率是2mW时，公式I=RP不适用，因此我们 无法得到光电流的值。
6.3.1 光接收机的前端(2)

IM g IP
（4-14）
G g
式中<g>是表示随机量g的平均值4-10 电流增益 电流增益－偏压 偏压、温度关系 温度关系
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过剩噪声
当雪崩光电二极管的雪崩增益为 G 时，它的信 号电流比无倍增时增大了 G 倍，信号功率增大了 倍 信号功率增大了 G2 倍。由式可以看出噪声功率增大了G2F倍。由于F＞2， 所以噪声功率增大的速率大于信号功率增大的速率*。
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图4 4-9 9 APD光电二极管的工作原理
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APD倍增因子g和平均倍增
倍增因子是APD内部的电流增益系数。倍增因子g定义为APD雪崩 放大后的输出电流IM和初始光生电流Ip的比值。
雪崩倍增过程是一个随机过程，即每一电子-空穴对与半导体晶体内 的原子碰撞电离产生的初始电子-空穴对的数目是随机的，因而倍增 因子g也是随机变化的。 也是随机变化的。一般所称的倍增因子是指平均倍增（电流增 般所称的倍增因子是指平均倍增（电流增 益系数）G。
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4.1 半导体光检测器件
光检测器的作用是将光纤输出的微弱光信号转变为电信 号，它是影响光接收机性能的重要器件。 光纤通信系统对光检测器的基本要求是： 波长段内响应度或灵敏度要高 具有足够的带宽和响应速度 由检测器引入的附加噪声必须最低，暗电流、漏电流和并 由检测器引入的附加噪声必须最低 暗电流 漏电流和并 联电导必须最小 较低的偏压或偏流，具有高可靠性和长寿命 较低的偏压或偏流 具有高可靠性和长寿命 较小的几何尺寸，便于与光纤及其他电路组装
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图4 4-1 1 PN结光电二极管
RL hy P N
扩散区
耗尽区 扩散区 吸收区
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图4 4-2 2 PN结光电二极管工作原理

(4.1.4)
量子效率定义为通过结区的载流子数与入射的光子数之 比， 即
第4章 光检测器和光接收机
通过结区的光生载流子数（光生电子-空穴对数） 入射到器件上的光子数
η=
(4.1.5)
由物理概念可知 光生载流子数（光生电子-空穴对数）=
Ip e
e为电子电荷量， 其值为1.6×10－19 C。
P0 入射的光子数= hν
第4章 光检测器和光接收机
第 4 章 光检测器和光接收机
4.1 光检测器 4.2 光检测器的分类 光检测器的分类 4.3 PIN光电二极管 光电二极管 4.4 雪崩光电二极管 雪崩光电二极管(APD) 4.5 MSM光检测器 光检测器 光检测器 4.6 光检测器的可靠性和注意事项 4.7 IM/DD模式 模式 4.8 光接收机 习题
第4章 光检测器和光接收机
光生载流子在外加负偏压（P接负， N接正）和内建 电场的作用下， 在外电路中出现光电流， 如图4-1-1所示， 从而在电阻R上有信号电压输出。 这样就实现了输出电压 跟随输入光信号变化的光电转换作用。 图4-1-2所示为PN结及其附近的能带分布图， 要注意 的是能带的高、 低是以电子的电位能为依据的， 电位越 负能带越高。
第4章 光检测器和光接收机
（4） 雪崩倍增建立时间（仅对于APD）； （5） RC时间常数。 显然， 一个快速响应的光电检测器， 它的响应时 间一定是短的。 要想具有快速响应的特性， 光电二极 管在结构上首先要减薄零场区， 其次是减小结电容。 采用同轴封装和微带结构可以减小管壳电容， 以进一步 减短响应时间。
第4章 光检测器和光接收机
4.1.2
主要工作特性 主要工作特性
下面介绍衡量光检测器性能的几个主要特性参数。 响应度与量子效率 1. 响应度与量子效率 响应度定义为在一定波长的光照射下， 光电检测 器的平均输出电流Ip与入射的平均光功率P0之比， 表示 I P 如下：