第五章-光探測和光接收機課件

第五章光探測和光接收機1概況一點擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容點擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容整體概述概況三點擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容點擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容概況二點擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容點擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容2本章內(nèi)容對光檢測器的基本要求PN結(jié)光電檢測原理PIN光電二極管APD雪崩光電二極管MSM光電探測器單行載流子光電探測器波導光電探測器數(shù)字光接收機3對光檢測器的基本要求1.在系統(tǒng)的工作波長上要有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的入射光功率，光檢測器能輸出盡可能大的光電流。2.波長響應(yīng)要和光纖的三個低損耗窗口兼容。3.有足夠高的響應(yīng)速度和足夠的工作帶寬。4.產(chǎn)生的附加噪聲要盡可能低，能夠接收極微弱的光信號。5.光電轉(zhuǎn)換線性好，保真度高。6.工作性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長。7.功耗和體積小，使用簡便。4光纖通信常用的光電檢測器半導體材料PIN光電二極管APD雪崩光電二極管5PN結(jié)光電檢測原理6耗盡區(qū)：由于擴散電流和漂移電流方向相反，在平衡狀態(tài)下兩種電流相等，使得總電場為零，等效于空間電荷區(qū)的電阻阻值很大，載流子數(shù)目很少，稱其為耗盡區(qū)。電子和空穴的擴散運動PN結(jié)界面內(nèi)部電場漂移運動耗盡區(qū)、擴散區(qū)如果光子的能量大于或等于帶隙(hf≥Eg)當入射光作用在PN結(jié)時發(fā)生受激吸收、光生載流子

在耗盡層形成漂移電流。內(nèi)部電場的作用，電子向N區(qū)運動，空穴向P區(qū)運動半導體材料的光電效應(yīng)？7PN結(jié)光電二極管結(jié)構(gòu)8PN結(jié)光電二極管工作原理當PN結(jié)加上反向電壓后，在入射光的作用下，由于受激吸收過程生成的電子-空穴對在電場的作用下，分別離開耗盡區(qū)，在閉合外電路中形成光生電流的器件。當入射光功率變化時，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。加反向電壓？入射光？光生載流子？光生電流？9鍍抗反射膜以減少反射光強度反射光的相位差？反射光的幅度？厚度？折射率？10光電二極管的特性1.響應(yīng)度R2.量子效率η113.截止波長λc4.響應(yīng)速度

光生載流子的漂移時間、擴散時間、RC時間常數(shù)12常用半導體材料的禁帶寬度與截止波長13PN結(jié)光電二極管的缺點耗盡區(qū)窄結(jié)電容或耗盡區(qū)電容較大響應(yīng)速度慢光電轉(zhuǎn)換效率低

14PIN光電二極管在P和N層之間加入了一個I層，作為耗盡層。I層的寬度較寬，約有（5~50）m，吸收系數(shù)很小，易進入材料內(nèi)部吸收絕大多數(shù)光子，使光生電流增加。15PIN光電二極管工作原理當PN結(jié)加上反向電壓后，入射光主要在耗盡區(qū)被吸收，在耗盡區(qū)產(chǎn)生光生載流子(電子--空穴對)。在耗盡區(qū)電場作用下，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，產(chǎn)生光生電動勢。在遠離PN結(jié)的地方，因沒有電場的作用，電子空穴作擴散運動，產(chǎn)生擴散電流。因I層寬，又加了反偏壓，空間電荷區(qū)（耗盡層）加寬，絕大多數(shù)光生載流子在耗盡層內(nèi)進行高效、高速漂移，產(chǎn)生漂移電流。這個漂移電流遠遠大于擴散電流，所以PIN光電二極管的靈敏度高。在回路的負載上出現(xiàn)電流，就將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)榱穗娦盘枴?6PIN光電二極管的波長響應(yīng)曲線17幾種半導體材料的吸收系數(shù)隨波長的變化

18PIN輸出電流和反向偏壓的關(guān)系擊穿電壓19APD雪崩光電二極管20APD光電二極管的工作原理APD的光敏面被光子照射之后，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。這些電子-空穴對經(jīng)過高電場區(qū)之后，初始電子(一次電子)在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運動。高速運動的電子和晶體原子相碰撞，使晶體原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對，這個過程稱為碰撞電離。碰撞電離所產(chǎn)生的電子稱為二次電子-空穴對，這些電子-空穴對在高速電場運動時又被加速，又可能碰撞電離其他原子，如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，使載流子數(shù)量迅速增加，反向電流迅速增大，形成雪崩倍增效果。21平均雪崩增益MM與電子和空穴的電離率有關(guān)，隨半導體材料的不同而不同，同時隨高電場區(qū)強度的增大而增大。22APD增益與偏壓及溫度的關(guān)系23本征響應(yīng)帶寬（頻域角度）載流子在電場區(qū)的渡越時間上升時間τtr定義：輸入階躍光功率時，探測器輸出光電流最大值的10%到90%所需的時間。24APD的本征響應(yīng)帶寬τe為等效渡越時間，它與空穴和電子的電離系數(shù)比值有關(guān)。25光電二極管的實際響應(yīng)帶寬26APD波長響應(yīng)曲線Si半導體材料的空穴和電子的碰撞電離系數(shù)比值為0.2227三種探測器產(chǎn)品的典型參數(shù)P183表5.2.128MSM光電探測器

（MSM,Metal-Semiconductor-Metal）優(yōu)點：結(jié)電容小，帶寬大，制造容易缺點：響應(yīng)度低光電轉(zhuǎn)換原理相同29單行載流子探測器(UTC-PD)在PIN光電二極管中，對光電流作出貢獻的包括電子和空穴兩種載流子。只有電子充當載流子，空穴不參與導電，電子的遷移率遠高于空穴，因而其載流子渡越時間比PIN的小。303132波導光電探測器（WG-PD）邊入射光電探測器面入射光電探測器PIN的響應(yīng)速度受到PN結(jié)RC數(shù)值、I吸收層厚度和載流子渡越時間等的限制?？山獬孔有逝c響應(yīng)速度之間的制約關(guān)系33分支波導探測器(TaperedWG-PD)34邊入射平面折射波導RFUTC-PD35數(shù)字光接收機36光電轉(zhuǎn)換和前置放大器（光接收機的核心）前置放大器在減弱或防止電磁干擾和抑制噪聲方面起著特別重要的作用37光接收機前置放大器等效電路38線性放大39柰奎斯特脈沖響應(yīng)和升余弦均衡濾波器輸出響應(yīng)40數(shù)據(jù)恢復41選取最佳的判決時間42眼圖分析法43光接收機的主要性能指標1.噪聲機理2.信噪比3.誤碼率4.接收靈敏度5.動態(tài)范圍44光接收機噪聲一部分是外部電磁干擾產(chǎn)生的，這部分噪聲的危害可通過屏蔽或濾波加以消除。另一部分是內(nèi)部產(chǎn)生的，這部分噪聲是在信號檢測和放大過程中引入的隨機噪聲，只能通過器件的選擇和電路的設(shè)計與制造盡可能減小，一般不可能完全消除。其主要來源是光檢測器的噪聲和前置放大器的噪聲。因為前置級輸入的是微弱信號，其噪聲對輸出信噪比影響很大，而主放大器輸入的是經(jīng)前置級放大的信號，只要前置級增益足夠大，主放大器引入的噪聲就可以忽略。45內(nèi)部噪聲暗電流噪聲---無光照時產(chǎn)生散粒噪聲熱噪聲46總的均方噪聲電流47光接收機信噪比SNR48誤碼率BER通常數(shù)字光接收機要求BER≤10-949Q&A問答環(huán)節(jié)

敏而好學，不恥下問。

學問學問，邊學邊問。

He

is

quick

and

eager

to

learn.

Learning

is

le