第6章 光探測及光接收機2013Apr

1、1 第第 6 章章 光接收機及光探測器光接收機及光探測器 6.1 光探測原理光探測原理 6.2 光電探測器光電探測器 2 光接收機基本組成光接收機基本組成 均均衡衡 濾濾波波 信信號號光光 光光探探 測測器器 電電壓壓 供供給給 光光電電變變換換和和前前放放 前前放放主主放放 自自動動增增 益益控控制制 線線性性放放大大 判判決決 電電路路 時時鐘鐘 恢恢復復 數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)恢恢復復 數(shù)數(shù)據(jù)據(jù) 輸輸出出 3 光電檢測器光電檢測器 發(fā)射機發(fā)射的光信號經(jīng)光纖傳輸后，不僅幅度發(fā)射機發(fā)射的光信號經(jīng)光纖傳輸后，不僅幅度 衰減了，而且脈沖波形也展寬了衰減了，而且脈沖波形也展寬了。 光接收機的作用就是檢測經(jīng)過傳輸

2、后的微弱光光接收機的作用就是檢測經(jīng)過傳輸后的微弱光 信號，并放大、整形、再生成原輸入信號。信號，并放大、整形、再生成原輸入信號。 它的主要器件是利用光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)樗闹饕骷抢霉怆娦?yīng)把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)?電信號的電信號的光電檢測器光電檢測器。 對光電檢測器的要求是靈敏度高、響應(yīng)快、噪對光電檢測器的要求是靈敏度高、響應(yīng)快、噪 聲小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面應(yīng)聲小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面應(yīng) 與光纖芯徑匹配。與光纖芯徑匹配。 用半導體材料制成的光電檢測器正好滿足這些用半導體材料制成的光電檢測器正好滿足這些 要求。要求。 4 光探測器光探測器 5 6.1 光探測原理光探測原理

3、 在在 PN 結(jié)施加反向電壓的情況下，受結(jié)施加反向電壓的情況下，受 激吸收過程生成的電子激吸收過程生成的電子 空穴對，在空穴對，在 電場的作用下，在外電路形成光生電電場的作用下，在外電路形成光生電 流。流。 當入射功率變化時，光生電流也隨之當入射功率變化時，光生電流也隨之 線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)變成電流線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)變成電流 信號。信號。 6 假如入射光子的能量超過禁帶能量假如入射光子的能量超過禁帶能量 Eg， 耗盡區(qū)每次吸收一個光子，產(chǎn)生一個電耗盡區(qū)每次吸收一個光子，產(chǎn)生一個電 子空穴對。子空穴對。 受激吸收受激吸收 E c c 吸收光子后吸收光子后 產(chǎn)生電子產(chǎn)生電子 Ev 光子

4、光子 h 輸入輸入 (輸出電流)(輸出電流) 7 在在 PN 結(jié)施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子結(jié)施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子 空穴對在電場的作用下空穴對在電場的作用下, 分別離開耗盡區(qū)，電子向分別離開耗盡區(qū)，電子向 N 區(qū)漂移，區(qū)漂移， 空穴向空穴向 P 區(qū)漂移，空穴和從負電極進入的電子復合，電子則區(qū)漂移，空穴和從負電極進入的電子復合，電子則 離開離開 N 區(qū)進入正電極。從而在外電路形成光生電流。區(qū)進入正電極。從而在外電路形成光生電流。 當入射功率變化時，光生電流也隨之線性變化，從而把光信當入射功率變化時，光生電流也隨之線性變化，從而把光信 號轉(zhuǎn)變成電流信號。號轉(zhuǎn)

5、變成電流信號。 PN結(jié)型光電探測器結(jié)型光電探測器 入入射射光光 hv E g SiO 2 P + h + e - + E RIpVout W 抗抗反反射射膜膜 電電極極 電電 極極 耗耗盡盡區(qū)區(qū) Pin 空空穴穴h + e - 電電子子 負負載載電電阻阻R Ip光光生生電電流流 輸輸出出電電壓壓 L L L L N (a)反 反向向偏偏置置的的 PN結(jié) 結(jié) , , 當當光光入入射射時時, ,光光生生電電子子 空空穴穴對對分分別別向向N N區(qū)區(qū)和和P P 區(qū)區(qū)漂漂移移，在在外外電電路路產(chǎn)產(chǎn) 生生光光生生電電流流 W = = m 幾幾 光纖通信（第3版） 原榮 編著8 光電檢測器基本參數(shù)光電檢測器

6、基本參數(shù) 9 6.2 光電探測器光電探測器 6.2.1 PIN光電二極管光電二極管 6.2.2 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD） 10 PN 結(jié)光電二極管的缺點結(jié)光電二極管的缺點 簡單的簡單的 PN 結(jié)光電二極管具有兩個主結(jié)光電二極管具有兩個主 要的缺點。要的缺點。 1 結(jié)電容較大，響應(yīng)速度慢，不利于高頻結(jié)電容較大，響應(yīng)速度慢，不利于高頻 調(diào)制。調(diào)制。 2 耗盡層寬度?。ㄗ畲笠仓挥袔孜⒚?，大耗盡層寬度?。ㄗ畲笠仓挥袔孜⒚?，大 多數(shù)光子沒有被耗盡層吸收，量子效率多數(shù)光子沒有被耗盡層吸收，量子效率 低。低。 11 為了克服為了克服 PN 管存在的問題，人們采用管存在的問題，人們采用 PIN

7、 光電二極管光電二極管 PIN 二極管與二極管與 PN 二極管的主要區(qū)別是，在二極管的主要區(qū)別是，在 P 和和 N 層之間加入了層之間加入了 一個一個 I 層，作為耗盡層。層，作為耗盡層。I 層的寬度較寬，約有（層的寬度較寬，約有（5 50） m， 可吸收絕大多數(shù)光子，使量子效率提高，使光生電流增加?？晌战^大多數(shù)光子，使量子效率提高，使光生電流增加。 PIN光電二極管光電二極管 入入射射光光hv E g SiO2 P+ h+ e- + E Ip Vout 抗抗反反射射膜膜 電電極極 電電 極極 耗耗盡盡區(qū)區(qū) Pin 輸輸出出 電電壓壓 RL 反反向向偏偏置置的的 PIN, 因因耗耗盡盡區(qū)區(qū)較

8、較寬寬, , 可可以以吸吸收收絕絕大大多多數(shù)數(shù) 光光生生電電子子和和空空穴穴對對, , 使使量量子子效效率率提提高高 I-Si W N+ Vr - RL Cd Ip Vout 空空穴穴h+ e-電電子子 負負載載電電阻阻R Ip 光光生生電電流流 L L W= = m 550 EVr/W CdP PI IN N管管分分布布電電容容 12 PIN光電二極管的響應(yīng)時間光電二極管的響應(yīng)時間 光纖通信（第3版） 原榮 編著13 光電二極管的光譜特性光電二極管的光譜特性 60080010001200140016001800 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 90% 70% 50% 30% 10

9、% InGaAsP Ge InGaAs Si (nm)波長波長 ( ) R 響響 應(yīng)應(yīng) 度度 量子效率量子效率 截止波長有上限、下限截止波長有上限、下限 14 截止波長上限截止波長上限 15 PIN光電二極管的性能參數(shù)光電二極管的性能參數(shù) 量子效率量子效率 響應(yīng)度響應(yīng)度 R 暗電流暗電流, 表示無光照時出現(xiàn)的電流，它影表示無光照時出現(xiàn)的電流，它影 響接收機的信噪比。響接收機的信噪比。 響應(yīng)速度響應(yīng)速度, 它表示對光信號的反應(yīng)能力，它表示對光信號的反應(yīng)能力， 常用對光脈沖響應(yīng)的上升或下降沿表示。常用對光脈沖響應(yīng)的上升或下降沿表示。 結(jié)電容結(jié)電容 , 它影響響應(yīng)速度。它影響響應(yīng)速度。 16 習題：

10、計算光電二極管的靈敏度和量子效率習題：計算光電二極管的靈敏度和量子效率 17 6.2 光電探測器光電探測器 6.2.1 PIN光電二極管光電二極管 6.2.2 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD） 18 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）特點）特點 APD是利用是利用雪崩倍增效應(yīng)雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的使光電流得到倍增的 高靈敏度探測器。高靈敏度探測器。 APD的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使它能承受高的反向偏壓，的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使它能承受高的反向偏壓， 從而在從而在 PN 結(jié)內(nèi)部形成一個高電場區(qū)。結(jié)內(nèi)部形成一個高電場區(qū)。 APD能提供內(nèi)部增益能提供內(nèi)部增益 工作速度高工作速度高 基于以上優(yōu)點，基于

11、以上優(yōu)點，APD已廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中。已廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中。 光纖通信（第3版） 原榮 編著19 光生的電子光生的電子 空穴對經(jīng)過高電場區(qū)時被加速。獲得足夠的能量，空穴對經(jīng)過高電場區(qū)時被加速。獲得足夠的能量， 在高速運動中與在高速運動中與 P 區(qū)晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子電區(qū)晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子電 離，從而產(chǎn)生新的電子離，從而產(chǎn)生新的電子 空穴對，稱為二次電子空穴對，稱為二次電子 空穴對。空穴對。 二次電子二次電子 空穴對在高電場區(qū)里運動時又被加速，又可能碰撞空穴對在高電場區(qū)里運動時又被加速，又可能碰撞 別的原子。這樣多次碰撞電離的結(jié)果，使載流子迅速增加，反別的原子。

12、這樣多次碰撞電離的結(jié)果，使載流子迅速增加，反 向電流迅速加大，形成向電流迅速加大，形成雪崩倍增效應(yīng)雪崩倍增效應(yīng)。 SiO2 P+ + h+ e- E RIp Vout 電電極極 電電 極極 耗耗盡盡區(qū)區(qū) 入入射射光光 hv E g L L (a)雪 雪崩崩光光電電二二 極極管管（A AP PD D ）的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) W N+ Vr - P E( ) x 0 0 各各區(qū)區(qū)電電場場分分布布, , 雪雪崩崩發(fā)發(fā)生生在在P P區(qū)區(qū)， 吸吸收收發(fā)發(fā)生生在在 區(qū)區(qū) (b) x 吸吸收收區(qū)區(qū) 雪雪崩崩區(qū)區(qū) E N+ P h+ e- 雪雪崩崩區(qū)區(qū) (a)離離子子碰碰撞撞過過程程釋釋放放電電子子空空穴穴對對， 導

13、導致致雪雪崩崩 晶晶格格 APD工作原理工作原理 ( )N Pp P 20 APD的倍增因子的倍增因子 光纖通信（第3版） 原榮 編著21 APD習題習題1： 計算靈敏度計算靈敏度 InGaAs APD 沒有倍增時沒有倍增時（M = 1），波長），波長 1.55 m 處的量子效率為處的量子效率為 60%，當反向偏置時的倍增系數(shù)是，當反向偏置時的倍增系數(shù)是 12。假如入射功率為。假如入射功率為 20 nW，光生，光生 電流是多少？當倍增系數(shù)是電流是多少？當倍增系數(shù)是 12時，靈敏度又是多少？時，靈敏度又是多少？ 解：用量子效率表示的靈敏度是解：用量子效率表示的靈敏度是 1 834 919 A W

14、75. 0 103)10626. 6( 101550)106 . 1 ( 6 . 0 hc q R 假如沒有倍增時的光電流是假如沒有倍增時的光電流是 ph0 I，入射光功率是，入射光功率是 in P，根據(jù)定義，根據(jù)定義， 靈敏度是靈敏度是 inph0 / PIR ，因此初始光生電流是，因此初始光生電流是 A105 . 1102075. 0 89 inph0 RPI 。 當有倍增時的光電流：當有倍增時的光電流： A101.80A)105 . 1 (12 78 ph0ph MII 或或 者者 180nA。 倍增系數(shù)倍增系數(shù) 12時的靈敏度：時的靈敏度： 1 inph A W0 . 975. 012

15、 MRPIR 。 22 Si APD 在在 830 nm 沒有倍增即沒有倍增即 M = 1 時的量子效率為時的量子效率為 70%， 反偏工作倍增系數(shù)反偏工作倍增系數(shù) M = 100， 當入射功率為當入射功率為 10 nW 時，光電流是時，光電流是 多少？多少？ 解：沒有倍增時的靈敏度：解：沒有倍增時的靈敏度： 1 834 919 A W47. 0 103)10626. 6( 10830)106 . 1 ( 70. 0 hc q R 。 沒有倍增時的初始光電流：沒有倍增時的初始光電流： nA7 . 4101047. 0 9 inph0 RPI。 倍 增 后 的 光 電 流 ：倍 增 后 的 光

16、電 流 ：nA)(4707 . 4100 ph0ph IMI 或或 0.47 A。 APD習題習題2 23 總總 結(jié)結(jié) 24 思考題思考題 1. 光探測器的作用是什么光探測器的作用是什么? 2. 光接收機的作用是什么光接收機的作用是什么? 3. 光纖通信中最常用的光電檢測器是哪兩種？光纖通信中最常用的光電檢測器是哪兩種？ 4. PIN和和APD探測器的主要區(qū)別是什么探測器的主要區(qū)別是什么? 5. 數(shù)字光接收機主要由哪幾部分組成數(shù)字光接收機主要由哪幾部分組成? 6. 監(jiān)測光纖通信系統(tǒng)性能好壞通常采用什么最直觀簡單監(jiān)測光纖通信系統(tǒng)性能好壞通常采用什么最直觀簡單 的方法？的方法？ 光纖通信（第3版） 原榮 編著25 光纖通信（第3版） 原榮 編著26 光纖通信（第3版） 原榮 編著27 眼圖分析法眼圖分析法 在實驗室里觀察碼間干擾是否存在的最直觀、最簡單在實驗室里觀察碼間干擾是否存在的最直觀、最簡單 的方法是眼圖分析法。的方法是眼圖分析法。通常誤碼率的典型值為通常誤碼率的典型值為109。 將均衡濾波器輸出的隨機脈沖序列輸入到示波器的將均衡濾波器輸出的隨機脈沖序列輸入到示