光纖通信-ch6 光電檢測(cè)器與光接受機(jī)

第六章光電檢測(cè)器與光接受機(jī)光電檢測(cè)器：用于光信號(hào)的檢測(cè)或探測(cè)。通常置于通信系統(tǒng)的接受端或傳輸光纖的末端。光電監(jiān)測(cè)器＋控制電路→光接收機(jī)6.1光電檢測(cè)器6.1.1PIN光電二極管PN結(jié)光電效應(yīng)：光→電流光電監(jiān)測(cè)器原理：直接測(cè)量光電效應(yīng)產(chǎn)生的電流，再通過(guò)計(jì)算得到光的強(qiáng)度。PN結(jié)光電效應(yīng)NPLight_+----++++----多數(shù)載流子：受到PN結(jié)勢(shì)壘阻擋不形成電流少數(shù)載流子：形成漂移（暗）電流，但很小光——PN結(jié)區(qū)受激吸收——光生電子空穴對(duì)強(qiáng)PN結(jié)反向電場(chǎng)：電子N，空穴P，形成光電流反向偏置：反向暗電流很小光照時(shí)電流主要為光生電流++++光電二極管：將光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。核心：PN結(jié)比較于普通二極管：結(jié)構(gòu)：PN結(jié)面積大--入射光照射面積大，電極面積小+PN結(jié)的結(jié)深很淺（一般小于1微米）注意：光電二極管--反向電壓下工作。沒(méi)有光照時(shí)，也有反向電流--暗電流（小于0.1微安）。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號(hào)，而且這個(gè)電信號(hào)隨著光的變化而相應(yīng)變化。光電二極管Aschematicdiagramofareversebiasedpnjunctionphotodiode.Netspacechargeacrossthediodeinthedepletionregion.NdandNaarethedonorandacceptorconcentrationsinthepandnsides.Thefieldinthedepletionregion.p+SiO2Electrodernet-eNaeNdxxE(x)REmaxe-h+Iphhu

>EgWEnDepletionregion(a)(b)(c)AntireflectioncoatingVrElectrodeVout光電效應(yīng)方程禁帶寬度入射光能量電子動(dòng)能工作波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)：最大波長(zhǎng)短波長(zhǎng)極限：半導(dǎo)體材料對(duì)光的吸收

光電二極管除了有上截止波長(zhǎng)外，還有下截止波長(zhǎng)。當(dāng)入射光波長(zhǎng)太短時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率也會(huì)大大下降，這是因?yàn)椴牧蠈?duì)光的吸收系數(shù)是波長(zhǎng)的函數(shù)（下頁(yè)圖）。當(dāng)入射波長(zhǎng)很短時(shí)，材料對(duì)光的吸收系數(shù)變得很大，結(jié)果使大量的入射光子在光電二極管的表面層里被吸收。因此，某種材料制作的光電二極管對(duì)光波長(zhǎng)的響應(yīng)有一定的范圍。Si光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為0.5-1.0μm，適用于短波長(zhǎng)波段;Ge和InGaAs光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為1.1-1.6μm，適應(yīng)于長(zhǎng)波長(zhǎng)波段。1.61.8Wavelength(mm)In0.53Ga0.47AsGeSiIn0.7Ga0.3As0.64P0.36InPGaAsa-Si:H12341x1031x1041x1051x1061x1071x108Photonenergy(eV)Absorptioncoefficient(a)vs.wavelength(l)forvarioussemiconductorsa(m-1)1.0短波長(zhǎng)極限半導(dǎo)體材料對(duì)光的吸收（a）代表符號(hào)；（b）等效電路；（c）特性曲線。檢測(cè)電流電脈沖擴(kuò)散t光功率光脈沖t時(shí)間響應(yīng)前沿滯后載流子在耗盡區(qū)的渡越時(shí)間后沿拖尾耗盡區(qū)外載流子的擴(kuò)散增加耗盡區(qū)寬度，縮短P、N區(qū)寬度，使大部分光功率在耗盡區(qū)吸收，可降低擴(kuò)散的影響，提高后沿響應(yīng)速度?？紤]PIN結(jié)構(gòu)。PIN結(jié)pin結(jié)：薄的重?fù)诫sn區(qū)+接近于本征n區(qū)（i區(qū)）+重?fù)诫sp區(qū)

P＋區(qū)和輕摻雜n區(qū)（i區(qū)）之間形成pn結(jié)，并在n區(qū)形成空間電荷區(qū)，其中的電場(chǎng)是變化的（如圖）。

入射光在i區(qū)被吸收，產(chǎn)生被電場(chǎng)分開的電子－空穴對(duì)。優(yōu)點(diǎn)：pn結(jié)電場(chǎng)范圍擴(kuò)大，收集更多的光生載流子。

反向偏壓加速電子和空穴遷移，減少?gòu)?fù)合。半導(dǎo)體光電二極管的受光表面一般為器件的P型外延層表面或N型襯底表面。PIN-+Eg1Eg2入射光頻率滿足：P、N區(qū)對(duì)入射光完全透明受激吸收作用全部發(fā)生在I區(qū)大大提高光電轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)速度雙異質(zhì)PIN結(jié)通常反向偏壓主要是加在PN結(jié)的結(jié)區(qū)附近的耗盡層里，光電二極管的體內(nèi)往往存在著一個(gè)零電場(chǎng)區(qū)域。在零電場(chǎng)區(qū)域里產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)不能有效地轉(zhuǎn)換成光電流，從而使光電轉(zhuǎn)換效率降低。

因此，應(yīng)使光電二極管的體內(nèi)少產(chǎn)生或不產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。雙異質(zhì)PIN結(jié)結(jié)構(gòu)的P區(qū)和N區(qū)選用禁帶寬度大的半導(dǎo)體材料，并使入射光的能量（頻率）滿足關(guān)系，就可使光生電子一空穴對(duì)僅僅在I區(qū)產(chǎn)生，提高光電轉(zhuǎn)換效率，并有效改善光電轉(zhuǎn)換的時(shí)間響應(yīng)。雙異質(zhì)PIN結(jié)幾種高速PINPD的結(jié)構(gòu)

InGaAsPIN帶尾纖光電二極管

6.1.2雪崩光電二極管(AvalanchePhotodetector-APD)雪崩效應(yīng)原理:

增加PN結(jié)上反向偏壓，耗盡層內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度增加。當(dāng)反向偏壓增加到一定值時(shí)，進(jìn)入耗盡層的光生載流子被電場(chǎng)加速而獲得足夠大的動(dòng)能，當(dāng)其與晶格碰撞時(shí)使價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶而產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。這些電子-空穴對(duì)又被電場(chǎng)加速而獲得足夠大的動(dòng)能，又可產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。依次類推，耗盡層內(nèi)的載流子數(shù)目劇增，發(fā)生雪崩效應(yīng)，反向結(jié)電流倍增。利用光生載流子雪崩效應(yīng)工作的PN結(jié)光電二極管就是APD。Apictorialviewofimpactionizationprocessesreleasingelectron－h(huán)olepairs(EHPs)andtheresultingavalanchemultiplication.Impactofanenergeticconductionelectronwithcrystalvibrationstransferstheelectron'skineticenergytoavalenceelectronandtherebyexcitesittotheconductionband.h+Ep+n+pe-Avalancheregion(a)e-h+EcEv(b)EAvalanchemultiplicationprocess碰撞電離所需最小電場(chǎng)高電場(chǎng)區(qū)雪崩區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度位置APD：Reach-through拉通型N+PIP++-光由P+區(qū)進(jìn)入器件，光子被接近本征I區(qū)（p區(qū)）材料吸收，I區(qū)起光生載流子的收集作用。從而在I區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，I區(qū)的電場(chǎng)使這些電子-空穴對(duì)分開。光生電子經(jīng)過(guò)I區(qū)漂移到高電場(chǎng)的PN+結(jié)區(qū)，使載流子碰撞而倍增。N+PIP++-Aschematicillustrationofthestructureofanavalanchephotodiode(APD)biasedforavalanchegain.Thenetspacechargedensityacrossthephotodiode.Thefieldacrossthediodeandtheidentificationofabsorptionandmultiplicationregions.p+SiO2ElectrodernetxxE(x)REhu>EgpIphe-h+AbsorptionregionAvalancheregion(a)(b)(c)Electroden+SiO2GuardringElectrodeAntireflectioncoatingnnn+p+pSubstrateElectroden+p+pSubstrateElectrodeAvalanchebreakdown(a)(b)ASiAPDstructurewithoutaguardring.AschematicillustrationofthestructureofamorepracticalSiAPD幾種高速工作的APD結(jié)構(gòu)6.2光電檢測(cè)器的特性指標(biāo)6.2.1光電監(jiān)測(cè)器的工作特性1.

響應(yīng)度-反映光電效應(yīng)的效率ρ＝

平均輸出電流流

入射的平均光功率

＝Ip為光生電流的平均值（A）；P為平均入射光功率（W）。

2.

量子效率–以量子形式反映光電效應(yīng)的效率η＝

通過(guò)結(jié)區(qū)的光生載流子數(shù)

入射到器件上的光子數(shù)

＝3.

響應(yīng)速度－即光電轉(zhuǎn)換速度，也即當(dāng)光照射在二極管上（了解）產(chǎn)生一定大小的電流所需的時(shí)間（對(duì)脈沖光信號(hào)上升沿的響應(yīng)）。

從光入射到光敏面到發(fā)生受激吸收的時(shí)間；

零場(chǎng)區(qū)光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間；有場(chǎng)區(qū)光生載流子的漂移時(shí)間；雪崩倍增建立時(shí)間（對(duì)APD）；

RC時(shí)間常數(shù)。

光電二極管的暗電流是指沒(méi)有光入射時(shí)流過(guò)檢測(cè)器的偏置電路的電流，它是體暗電流和表面暗電流之和。

體暗電流：光電二極管pn結(jié)區(qū)熱產(chǎn)生的電子和空穴形成的電流。即一般所說(shuō)pn結(jié)的反向電流。對(duì)于APD，熱產(chǎn)生的載流子同樣會(huì)得到pn結(jié)區(qū)高電場(chǎng)的加速，并因雪崩效應(yīng)而產(chǎn)生倍增。

表面暗電流：表面漏電流，是由表面缺陷、清潔程度、偏置電壓大小和表面積大小等因素決定的。

注意：雪崩倍增是一種體效應(yīng)，表面電流并不受雪崩增益的影響。4.

暗電流5.

APD的倍增因子(了解)平均倍增因子：為APD倍增后的光生電流；：未曾倍增時(shí)的原始光生電流；：無(wú)倍增時(shí)和倍增時(shí)的總電流；：無(wú)倍增時(shí)和倍增時(shí)的暗電流。最佳倍增因子：系統(tǒng)具有最大信噪比時(shí)的最佳取值。6.3光接收機(jī)6.3.1光解調(diào)原理光解調(diào)或光檢測(cè)方式：非相干檢測(cè)方式和相干檢測(cè)方式。非相干檢測(cè)方式：即直接檢測(cè)方式，是通過(guò)光電二極管直接

將接受的光信號(hào)恢復(fù)成基本調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。也即通過(guò)光電檢測(cè)器和低通濾波器組成一個(gè)包絡(luò)檢測(cè)器，將光載波包絡(luò)（即基本調(diào)制信號(hào)的強(qiáng)度部分）恢復(fù)出來(lái)。相干檢測(cè)方式：目的：提高光電檢測(cè)器的靈敏度。像無(wú)線電收音機(jī)一樣，將接受的光信號(hào)與一個(gè)光本地振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行光混頻之后，再被光電檢測(cè)器變換成一定要求的電信號(hào)。一定范圍內(nèi)，只要增加本地振蕩器輸出的光功率，就可提高光電檢測(cè)器接受的光信號(hào)功率。外差檢測(cè)方式；零差檢測(cè)方式；相位合成檢測(cè)方式；偏振合成檢測(cè)方式等。用于超長(zhǎng)中繼距離的系統(tǒng)（海底光纜）PIN不能使原信號(hào)光電流發(fā)生倍增具有好的光電轉(zhuǎn)換線性度不需要高的工作電壓響應(yīng)速度快PIN與APD的選擇：APD能夠使原信號(hào)光電流發(fā)生倍增提高接收機(jī)靈敏度需要較高的偏置電壓需要溫度補(bǔ)償電路從簡(jiǎn)化接收機(jī)電路考慮，一般情況下多采用PIN光電二極管。6.3.2光接受器的構(gòu)成與指標(biāo)

圖：數(shù)字光接收機(jī)方框圖

光檢測(cè)器偏壓控制前置放大器AGC電路均衡器判決器時(shí)鐘提取再生碼流主放大器光信號(hào)1.光接收機(jī)構(gòu)成前端線性通道時(shí)鐘提取數(shù)據(jù)再生放大器：兩級(jí)放大。前置放大器：低噪聲放大器。因輸入信號(hào)微弱，其噪聲對(duì)光接收機(jī)的靈敏度和輸出信噪比影響很大。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。

（1）多級(jí)放大器，提供足夠的增益

（2）通過(guò)它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，使輸入光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電信號(hào)保持恒定。光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍：由主放大器和AGC決定。

均衡和再生:均衡的目的：?對(duì)經(jīng)光纖傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變(失真)的電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償?

使輸出信號(hào)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。再生器的作用：將接受的信號(hào)恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)。

再生電路包括：判決電路和時(shí)鐘提取電路。

光接收機(jī)的前端前端：由光電二極管和前置放大器組成作用：將耦合入光電檢測(cè)器的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為光生電流， 然后進(jìn)行預(yù)放大(電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換)，以便 后級(jí)作進(jìn)一步處理。前端是光接收機(jī)的核心要求：低噪聲、高靈敏度、足夠的帶寬光檢測(cè)器的選擇：視具體應(yīng)用場(chǎng)合而定。A. pin光電二極管具有良好的光電轉(zhuǎn)換線性度，不需要高的工作電壓，響應(yīng)速度快。B. APD最大的優(yōu)點(diǎn)是它具有載流子倍增效應(yīng)，一般來(lái)說(shuō)其探測(cè)靈敏度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度補(bǔ)償電路。從簡(jiǎn)化接收機(jī)電路考慮，一般喜歡采用pin光電二極管。EDFA+pin同樣可以帶來(lái)高靈敏度。前置放大器： 保持探測(cè)的電信號(hào)不失真地放大并保證噪聲最小，一般采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。器件的選擇光接收機(jī)的線性通道對(duì)主放輸出的失真數(shù)字脈沖進(jìn)行整形和補(bǔ)償，使之成為有利于判決的碼間干擾最小的升余弦波形根據(jù)輸入信號(hào)(平均值)大小自動(dòng)調(diào)整放大器增益，使輸出信號(hào)保持恒定。用以擴(kuò)大接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。提供高的增益，放大到適合于判決電路的電平判決再生與時(shí)鐘提取任務(wù)：把線性通道輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)為確定是‘1’或是‘0’，需要對(duì)某時(shí)隙的碼元作出判決。若判決結(jié)果為‘1’，則由再生電路產(chǎn)生一個(gè)矩形‘1’脈沖；若判決結(jié)果為‘0’，則由再生電路重新輸入一個(gè)‘0’。為了精確地確定“判決時(shí)刻”，需要從信號(hào)碼流中提取準(zhǔn)確的時(shí)鐘信息作為標(biāo)定，以保證與發(fā)送端一致通過(guò)光數(shù)據(jù)鏈路的信號(hào)路徑光電集成接收機(jī)（參考）：

光接收機(jī)方框圖中除光檢測(cè)器以外的所有元件都是標(biāo)準(zhǔn)的電子器件，很容易用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路(IC)技術(shù)將它們集成在同一芯片上。為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在努力開發(fā)單片光接收機(jī)，即用“光電集成電路(OEIC)技術(shù)”在同一芯片上集成包括光檢測(cè)器在內(nèi)的全部元件。

WidebandWaveguidePhotodiode

for40Gb/sSystems（HEMT高電子遷移率晶體管）

MonolithicReceiverOEICModule

for40Gb/sSystems(OEIC－光電集成器件)BERofReceiverOEICEyeDiagram@50Gb/s2.光接收機(jī)指標(biāo)靈敏度：在一定的誤碼率和信噪比條件下，光接收機(jī)可接受的

最小平均光功率。動(dòng)態(tài)范圍：在一定的誤碼率和信噪比條件下，光接收機(jī)允許的光信號(hào)平均光功率的變化范圍。信噪比條件：6.4光接收機(jī)的噪聲（p.115以及p.119)6.4.1光接收機(jī)噪聲源光接收機(jī)總噪聲Ntot＝光檢測(cè)器噪聲＋放大器噪聲圖：光接收機(jī)的噪聲等效模型光檢測(cè)器噪聲：量子噪聲、pn結(jié)體材料引起的暗電流噪聲

(darkcurrentnoise)和表面暗(漏)電流噪聲

〈iq2〉光檢測(cè)器的量子噪聲

功率譜密度為Sq

〈id2〉暗電流噪聲產(chǎn)生的均方噪聲電流----

體+表面暗電流功率譜密度Sdip光檢測(cè)器的輸出光生電流

R

光檢測(cè)器的偏置電阻和前置放大器輸入等效電阻的并聯(lián)電阻

C光檢測(cè)器的電容(結(jié)電容和其他電容)

放大器分解為:

理想放大器:相應(yīng)的功率譜密度

SI

等效噪聲電流源〈i02〉:

相應(yīng)的功率譜密度

SE

電壓源〈u02〉

Rin放大器的輸入電阻

帶寬B內(nèi)，量子噪聲均方根電流和光電流Ip平均值成正比：e：電子電荷，B：噪聲帶寬，