光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)05-光接收機(jī)

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)光接收機(jī)2光源調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路放大器

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然光電二

極管光纖光纖中繼器

判決器

光接收機(jī)光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，恢復(fù)光載波所攜帶的原信號(hào)。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然3?

光接收機(jī)簡介?

光電檢測(cè)器?

接收機(jī)噪聲分析?

光接收機(jī)靈敏度的計(jì)算?

光接收機(jī)的組成模塊4

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然光接收機(jī)的分類?

光接收機(jī)分為直接檢測(cè)接收機(jī)和相干檢測(cè)接收機(jī)?

直接檢測(cè)適合較低速率（<40Gbit/s)，原理簡單，成本低，但只檢測(cè)光強(qiáng)度，

頻帶利用率低?

相干檢測(cè)可以檢測(cè)光信號(hào)的相位信息，具有頻率利用率高、接收靈敏度高和

中繼距離長等優(yōu)點(diǎn)，但是實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。?

相干檢測(cè)需要本振激光器，且本振激光器與信號(hào)光之間的相位，偏振和頻率

具有相干性Sr

10lg10

-3

Pmax

在工程上常用dBm來表示，即3）接收機(jī)的最低輸出光功率（用dBm來描述）和最大允許輸入光功率（用dBmPmax和Pmin為保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)條件下，接收機(jī)允許的最大接收光功率和最小接收光功率

5

Pmin

10

(dB)來描述）之差（dB）就是光接收的動(dòng)態(tài)范圍

D

10lg

Pmin

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然

光接收機(jī)的性能指標(biāo)光接收機(jī)主要的性能指標(biāo)是誤碼率（BER）、靈敏度以及動(dòng)態(tài)范圍1）誤碼率是碼元被錯(cuò)誤判決的概率，可以用在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)和在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)傳輸?shù)目偞a元數(shù)之比來表示2）接收機(jī)靈敏度：在滿足給定誤碼率指標(biāo)條件下，最低接收的平均光功率Pmin。

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然光接收機(jī)的組成直接檢測(cè)光接收機(jī)分為模擬光接收機(jī)和數(shù)字光接收機(jī)兩種數(shù)字光接收機(jī)分為光電檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、AGC電路、均衡器、判決再生和時(shí)鐘提取七個(gè)部分光接收機(jī)也可以分為三部分：①光檢測(cè)器和前置放大器合起來稱為接收機(jī)前端，是光接收機(jī)的核心；②主放大器、均衡濾波器和自動(dòng)增益控制組成光接收機(jī)的線性通道；③判決器、譯碼器和時(shí)鐘恢復(fù)組成光接收機(jī)的判決、再生部分?jǐn)?shù)字光接收機(jī)框圖

67

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然光電檢測(cè)器光纖通信中對(duì)光電檢測(cè)器最重要的幾點(diǎn)要求如下：

在所用光源的波長范圍內(nèi)有較高的響應(yīng)度；

較小的噪聲；

響應(yīng)速度快；

對(duì)溫度變化不敏感；

與光纖尺寸匹配；

工作壽命長轉(zhuǎn)換效率、響應(yīng)速度和響應(yīng)波長是光電檢測(cè)器的主要指標(biāo)。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然8光檢測(cè)器光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然?什么是光電探測(cè)器?光電探測(cè)器的原理?光電探測(cè)器的材料?光電探測(cè)器的性能參數(shù)?光電探測(cè)器的分類

9光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然10光電探測(cè)器：將微弱光能轉(zhuǎn)化為電能的器件。光能

電能光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然11Photovoltaic

Effect光電（伏）效應(yīng)愛因斯坦本人是因?yàn)檠芯抗怆娦?yīng)現(xiàn)象并從理論上對(duì)其做出了正確的量子解釋而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).光探測(cè)的工作原理是基于光輻射與材料相互作用所產(chǎn)生的光電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然12光照射在金屬表面觀察到有電子逸出??！光電效應(yīng)?

光以量子化的光子的形式存在?

每個(gè)光子具有能量E=hv?

固體吸收能量為E=hv之后放出相等能量的電子P區(qū)N區(qū)P-N結(jié)

13

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然Question1：如何激勵(lì)出光生載電子？

回憶半導(dǎo)體激光器：PN結(jié)注入電流-》光子14

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然光電探測(cè)器（簡稱PD）是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件。

此電能來自PN結(jié)！P型摻雜N型摻雜P區(qū)N區(qū)P-N結(jié)

15

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然Question2：如何收集逸出的電子流？

提供電子流通的最佳場(chǎng)所：PN結(jié)16

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然

光電探測(cè)器原理1.

光電效應(yīng)產(chǎn)生電流

光照射到半導(dǎo)體的P-N結(jié)上，若光子能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價(jià)帶

的電子吸收光子的能量，從價(jià)帶越過禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中出現(xiàn)光電

子，在價(jià)帶中出現(xiàn)光空穴，即光電子-空穴對(duì)，稱作光生載流子。2.

PN結(jié)導(dǎo)通電流光生載流子在外加負(fù)偏壓（P接負(fù)，N接正）和內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，在外電路中出現(xiàn)光電流，從而在電阻R上有信號(hào)電壓輸出。這樣就實(shí)現(xiàn)了輸出電壓跟隨輸入光信號(hào)變化的光電轉(zhuǎn)換作用。171、電子的能量量子化

a2、電子運(yùn)動(dòng)有隧道效應(yīng)

原子的外層電子(高能

級(jí)),

勢(shì)壘穿透概率較大,

電子可以在整個(gè)固體中

運(yùn)動(dòng),

價(jià)電子不再為單個(gè)

原子所有,

而為整個(gè)晶體

所共有稱為共有化電子原子的內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊,一般不是共有化電子

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然共有化電子

解定態(tài)薛定諤方程，可以得出兩點(diǎn)重要結(jié)論：18

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然

能帶的形成

量子力學(xué)計(jì)算表明，固體中若有N個(gè)原子，由于各原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原來孤立原子的每一個(gè)能級(jí)，變成了N條靠得很近的能級(jí)，稱為能帶19

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個(gè)名詞1、滿帶各能級(jí)均被電子填滿2、價(jià)帶

能帶中能級(jí)沒有被電子全部填滿

無導(dǎo)電作用3、空帶(導(dǎo)帶)各能級(jí)均無電子填充4、禁帶相鄰能帶之間不存在電子穩(wěn)定能態(tài)的能量區(qū)間

無導(dǎo)電作用E重半禁帶ΔEg=0.1~2eV絕

禁帶ΔEg=3~6eV緣體光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然20固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為：半導(dǎo)體絕緣體導(dǎo)帶(空帶)

滿帶導(dǎo)體

E

導(dǎo)帶導(dǎo)體

滿帶

疊導(dǎo)

體

其共有化電子很易從

低能級(jí)躍遷到高能級(jí)

上去，造成多個(gè)能級(jí)

未被電子占滿，這些

能級(jí)上的電子均可參與導(dǎo)電E

導(dǎo)帶(空帶)

滿帶

是因?yàn)闈M帶與空帶之

間有一個(gè)較寬的禁帶

，共有化電子很難從

低能級(jí)(滿帶)躍遷到高能級(jí)(空帶)上去21

半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)：滿帶與空帶之間也是禁帶，但是禁帶很窄絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿：

當(dāng)外電場(chǎng)非常強(qiáng)時(shí)，共有化電子越過禁帶躍遷到

空帶中形成載流子

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然導(dǎo)帶(空帶)

禁帶ΔEg=0.1~2eV

滿帶光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然一、本征半導(dǎo)體

—

純凈的半導(dǎo)體

兩個(gè)概念：

1、電子導(dǎo)電……載流子是電子

2、空穴導(dǎo)電……載流子是空穴

滿帶上的一個(gè)電子躍遷到空帶后，滿帶中出現(xiàn)一個(gè)空位稱空穴

22§14-3半導(dǎo)體光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然23

?

每個(gè)原子周圍有四個(gè)相鄰的原

子

?

原子之間通過共價(jià)鍵緊密結(jié)合

在一起。

?

原子最外層的價(jià)電子不僅圍繞

…

?

兩個(gè)相鄰原子共用一對(duì)電子24

24

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然

本征半導(dǎo)體（純凈的半導(dǎo)體晶體）硅的晶體結(jié)構(gòu)電子硅光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然

自由電子和空穴?

室溫下由于熱運(yùn)動(dòng)少數(shù)價(jià)

電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成

為自由電子，同時(shí)在共價(jià)

鍵中留下一個(gè)空位這個(gè)空

位稱為“空穴”。?

失去價(jià)電子的原子成為正

離子，就好象空穴帶正電

荷一樣。

在電子技術(shù)中,將空穴看

成帶正電荷的載流子。

25電子硅空穴光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然磷原子的五個(gè)價(jià)電子有四個(gè)形成共價(jià)鍵，多出的一個(gè)電子不受束縛,室溫下很容易成為自由電子。每個(gè)磷原子都提供一個(gè)自由電子，自由電子數(shù)目大大增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過空穴數(shù)。這種半導(dǎo)體主要依靠電子導(dǎo)電，稱為電子型或N型半導(dǎo)體。

26

N型和P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體，在硅晶體中摻入磷

電子硅磷光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然27P型半導(dǎo)體，在硅晶體中摻入硼硼原子與相鄰的四個(gè)硅原子由于缺少一個(gè)價(jià)電子而產(chǎn)生一個(gè)空位，這個(gè)空位很容易被鄰近共價(jià)鍵中的價(jià)電子填補(bǔ)。每個(gè)硼原子都產(chǎn)生一個(gè)空穴，空穴數(shù)目大大增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自由電子數(shù)。這種半導(dǎo)體主要依靠空穴導(dǎo)電，稱為空穴型或P型半導(dǎo)體27電子硅硼多數(shù)載流子：電子空穴

摻入的雜質(zhì)元素的濃度越高，多數(shù)載流子的數(shù)量

越多。

少數(shù)載流子是熱激發(fā)而產(chǎn)生的，其數(shù)量的多少?zèng)Q

定于溫度。

28N型半導(dǎo)體

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然P型半導(dǎo)體光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然29將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體放在一起P區(qū)N區(qū)外電場(chǎng)空穴為多子電子為多子

當(dāng)Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體結(jié)合時(shí)，由于交界面處存在的正負(fù)電荷載流

子濃度差，于是電子（負(fù)電荷粒子）和空穴（正電荷離子）都會(huì)從高濃

度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散。

電子（負(fù)電荷粒子）與空穴（正電荷離子）都是帶電的，其擴(kuò)散的結(jié)果

就導(dǎo)致了Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)原來的電中性被破壞。這樣，Ｐ區(qū)一側(cè)失去空穴剩

下不能移動(dòng)的負(fù)離子，Ｎ區(qū)一側(cè)失去電子而留下不能移動(dòng)的正離子。這

些不能移動(dòng)的帶電粒子就是空間電荷。在空間電荷集中在Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)交

界面附近，形成了一很薄的空間電荷區(qū)，就是P-N結(jié)

。

30

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)P-N結(jié)如上圖，在P區(qū)一側(cè)為負(fù)電荷，N區(qū)為正電荷，便出現(xiàn)

了由N到P的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)是正負(fù)電荷載流子擴(kuò)散

運(yùn)動(dòng)形成的，而不是外加電壓形成的，這便是內(nèi)電

場(chǎng)。由于內(nèi)電場(chǎng)的存在，使得P-N結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡

狀態(tài)。

31P區(qū)N區(qū)P-N結(jié)

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然內(nèi)電場(chǎng)EIN阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然3232多子

擴(kuò)散少子

漂移阻止空間電荷區(qū)變窄

內(nèi)電場(chǎng)EIN削弱

空間電荷區(qū)加寬

促使

內(nèi)電場(chǎng)EIN增強(qiáng)擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié)

PN結(jié)中同時(shí)存在多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和少子的漂移運(yùn)動(dòng)

，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擴(kuò)散電流和漂

移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的漂移互相抵消，PN結(jié)中總的電流為零

。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然

P型硅

后向電極Question1：如何激勵(lì)出光生載電子？

33

前向電極防反射層

N型硅光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然34光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然35光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然36光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然37光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然38光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然39光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然40在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，完成了光生載流子過程??！回答了問題一但是，更為重要的是，不斷產(chǎn)生的光生載流子如何收集和存放，以保證不會(huì)減少？Question2：如何收集逸出的電子流？Question1：如何激勵(lì)出光生載電子？P區(qū)N區(qū)外電場(chǎng)空穴為多子電子為多子

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然回憶…

將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體放在一起

正向P-N結(jié)

41回憶…P區(qū)N區(qū)P-N結(jié)

42

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然

反向內(nèi)電場(chǎng)EIN阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然43如何施加電壓？光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然

后向電極Question2：如何收集逸出的電子流？

44

前向電極防反射層

N型硅

P型硅

-++

-45

PInP

IInGaAs

NInP

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然PIN光電二極管

遠(yuǎn)離耗盡層處產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)主要以擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)，其復(fù)合不對(duì)外部

電流造成影響。因此降低了光檢測(cè)器的效率。而且，擴(kuò)散過程速度比漂移慢得

多，由電子-空穴對(duì)產(chǎn)生的擴(kuò)散電流對(duì)入射光信號(hào)的強(qiáng)度變化響應(yīng)速度慢，降

低光電二極管的頻率響應(yīng)。

為了改善光探測(cè)器的效率，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間引入輕度摻雜的本

征半導(dǎo)體，這樣的光探測(cè)器稱為PIN光電二極管。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然46在P區(qū)和N區(qū)中間夾一層本征層I；常用摻雜濃度很小，高阻材料；常使I區(qū)寬度近似入射光透深度1/

，P區(qū)和N區(qū)很??；差不多整個(gè)I區(qū)都是耗盡層；光生載流子大部分在耗盡層中產(chǎn)生，縮短了響應(yīng)時(shí)間；工作區(qū)摻雜濃度低，在低偏壓下，漏電流小、量子效率高、電容也小、響應(yīng)速度快。用雙異質(zhì)結(jié)，使p型和n型區(qū)域?qū)ぷ鞑ㄩL是透明的，光電流的擴(kuò)散成分被完全消除，光探測(cè)器的效率提高。

PInP

IInGaAs

NInPPIN光電二極管≈光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然471）響應(yīng)波長的上限光電效應(yīng)必須滿足條件c是真空中的光速，

是入射光的波長，h是普朗克常量入射光的波長必須小于某個(gè)臨界值，才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，這個(gè)臨界值就叫做上截止波長，定義為2）響應(yīng)波長的下限入射光波長太短，光子的吸收系數(shù)很強(qiáng)，大量入射光子在PN結(jié)表面被吸收，中性區(qū)的電子—空穴對(duì)很容易被復(fù)合，光電轉(zhuǎn)換效率低。光電二極管的波長響應(yīng)（光譜特性）h

EghcEg

hc

1.24Eg

Eg

c

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然

e0h

I

p

1

r

p0

exp

w1

1

exp

w

η=I

p/

e0p0/

hν

1-r

exp

-αw1

1-exp

-αw

光電轉(zhuǎn)換效率

常用量子效率和響應(yīng)度衡量光電轉(zhuǎn)換效率

當(dāng)入射功率為P0時(shí)，光生電流可以表示為w1是零電場(chǎng)的表面層的厚度，w是耗盡區(qū)的厚度，

是材料的吸收系數(shù)量子效率表示入射光子能夠轉(zhuǎn)換成光電流的概率e0

是電子電荷，IP是光電流強(qiáng)度，P0是入射光功率?量子效率的光譜特性取決于半導(dǎo)體材料的吸收光譜

48光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然外量子效率0

Ip

/eP

/h

通過結(jié)區(qū)的光生載流子數(shù)（光生電子-空穴對(duì)數(shù)）

入射到器件上的光子數(shù)Ip0

e

Ph

=內(nèi)量子效率

產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)目入射到器件且被吸收的光字?jǐn)?shù)內(nèi)量子效率=外量子效率/（1?光反射率?光吸收率）

提高量子效率的辦法

①

盡量減小光子在表面層的反射率r，增加入射到光電二極管中的光

子數(shù)；

②

盡量減小中性區(qū)的厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)被充

分地吸收，而耗盡層厚，光生載流子漂移到加有反偏壓的P-N結(jié)兩端

的所需時(shí)間越長，漂移時(shí)間決定P-N結(jié)響應(yīng)速率。因此必須折中。

49R

50I

p

p0(

A

/

W

)

e0

h

P0相應(yīng)于平均每秒入射P0/h

個(gè)光子數(shù)，而入射光子中有

部分被吸收并在外電路中產(chǎn)生一個(gè)電子，所以典型值1.3

m

band,

1

A/W1.5

m

band,

1.2

A/W0I

pPR0

入射的平均光功率（A/W）

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然響應(yīng)度?光電轉(zhuǎn)換效率也可以直接用光生電流Ip和入射光功率p0的比值來表示,稱其為響應(yīng)度

光電檢測(cè)器的平均輸出電流

R0

或51

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然響應(yīng)度和量子效率都是描述器件光電轉(zhuǎn)換能力的物理量

，但是他們分析的角度不同。響應(yīng)度是在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性，而量子效率是器件在內(nèi)部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性。外量子效率與響應(yīng)度的關(guān)系：

h

e

eh

R0

1.24R0

將頻率轉(zhuǎn)換成波長，并帶入普朗克常數(shù)及光在真空中的速度52（1應(yīng)時(shí)間的因素主要有

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然響應(yīng)時(shí)間

——半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信

號(hào)變化

快慢的狀態(tài)。

影響響）從光入射光敏面到發(fā)生受激吸收的時(shí)間；

（2）零場(chǎng)區(qū)光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間；

（3）有場(chǎng)區(qū)光生載流子的漂移時(shí)間；

（4）雪崩倍增建立時(shí)間（僅對(duì)于APD）；

（5）RC時(shí)間常數(shù)。53

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然暗電流

在理想情況下，當(dāng)沒有光照射時(shí)，光電檢測(cè)器應(yīng)無光電流輸出。

但是實(shí)際上由于熱激勵(lì)、宇宙射線后放射性物質(zhì)的激勵(lì)，在無光

的情況下，光電檢測(cè)器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。

嚴(yán)格的說，暗電流還包括器件表面的漏電流。暗電流由體內(nèi)暗

電流和表面暗電流組成。器件的暗電流越小越好。

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然雪崩光電二極管

從光電二級(jí)管的作用來說，在一定的信號(hào)光功率下，光生電流越大越好。前面

介紹的PIN光電二極管即便是在最大響應(yīng)度下，一個(gè)光子也最多也只能產(chǎn)生一對(duì)

電子-空穴對(duì)，是一種無信號(hào)增益的器件。

為了獲得更高的響應(yīng)度，人們研制出了一種帶有內(nèi)部增益的探測(cè)器件雪崩光電二

極管。APD常用于接收弱光功率的場(chǎng)合。靈敏度高、響應(yīng)速度快(可達(dá)1000GHz)

54

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然雪崩光電二極管

APD比PIN多了一層P型層。入射光進(jìn)入有源區(qū)產(chǎn)生光生載流子電子-空穴對(duì)。如果在

APD上有一反向外加電壓，使得在PN+結(jié)附近有一高電場(chǎng)存在，且高場(chǎng)區(qū)內(nèi)承受了

所加偏壓的大部分壓降。產(chǎn)生的光生載流子在這一高場(chǎng)區(qū)中被加速，獲得很高的能量

。如果耗盡區(qū)內(nèi)場(chǎng)足夠大，大到等于碰撞電離所需的最小場(chǎng)強(qiáng)，則在高反偏壓作用下

高速運(yùn)動(dòng)中與晶格碰撞，發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，使晶體中的電子電離，激發(fā)新的電子-

空穴對(duì)，新產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在高場(chǎng)區(qū)中繼續(xù)加速，碰撞別的原子，從而使勢(shì)壘區(qū)中

載流子濃度倍增，形成極大的反向電流。INNP+金屬層抗反射膜N+

金屬層N+PI耗盡區(qū)WN電場(chǎng)雪崩區(qū)碰撞電離所需要最小場(chǎng)強(qiáng)保護(hù)環(huán)

P雪崩光電二極管的工作原理

55光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然56IM是雪崩增益后輸出電流的平均值；Ip是未倍增時(shí)的初始光生電流?光電二極管輸出電流和反向偏壓的關(guān)系?當(dāng)反向偏壓增加到一定數(shù)值，光電流急劇增加，器件被擊穿，擊穿電壓VBIM

IpG

APD的平均雪崩增益?平均雪崩增益的定義為57

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然APD的結(jié)構(gòu)?光纖通信在0.85

m波段常用的APD有拉通型（RAPD）和保護(hù)環(huán)型（GAPD）兩種58

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然另一種在長波長波段使用的APD的結(jié)構(gòu)稱為SAM

（Seperated

Absorption

andMultiplexing）結(jié)構(gòu)光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然59數(shù)字光接收機(jī)框圖光檢測(cè)器與前置放大器均衡器光檢測(cè)器與前置放大器判決器譯碼器自動(dòng)增益控制時(shí)鐘恢復(fù)主放大器光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然60接收機(jī)的前端

光檢測(cè)器（或光電變換）的作用是把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電流。對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是高的光電轉(zhuǎn)換效率、低的附加噪聲和快速的響應(yīng)。由于光檢測(cè)器產(chǎn)生的光電流非常微弱，只有nA~μA的數(shù)量級(jí)，必須先經(jīng)過前置放大器進(jìn)行低噪聲放大，當(dāng)然這也無可避免的引起附加噪聲。光檢測(cè)器的前置放大器合起來叫做接收機(jī)的前端，其性能的優(yōu)劣是決定接收機(jī)靈敏度的主要因素。對(duì)于前端要求：低噪聲、高靈敏度和足夠的帶寬。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)·

第五講

·

郝然61線性通道

主放大器的任務(wù)是把前端輸出的毫伏級(jí)的信號(hào)放大到后面信號(hào)處理所需要的電平。接收機(jī)的其余的電路是對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處