第4讲_光器件(2)

1、光电检测器光电检测器Optoelectronic detector2022-3-122第五节第五节 光电检测器及光接收机光电检测器及光接收机l光源是光发射机的核心器件，作用光源是光发射机的核心器件，作用 E E O O 转换转换l光检测器是光接收机的核心器件光检测器是光接收机的核心器件，作用，作用 O O E E 转换转换 l光检测器就是光电二极管光检测器就是光电二极管 PNPN结型光电二极管结型光电二极管 PDPD管；管； PINPIN结型光电二极管结型光电二极管 PINPIN管；管； 雪崩型光电二极管雪崩型光电二极管 APDAPD管。管。l研究光接收的主要问题是研究光接收的主要问题是: :

2、 1. 1. 灵敏度灵敏度 2. 2. 噪声噪声 2022-3-1235.15.1光电二极管的光电二极管的检测原理检测原理光子光子A AK KR RV V真空光电管中的光电效应真空光电管中的光电效应外电场作用下形成光生电流外电场作用下形成光生电流 光电效应光电效应 optoelectronic effect 由于吸收光子能量引起的由于吸收光子能量引起的材料电特性的改变。在材料中材料电特性的改变。在材料中释放电子和其它电荷载流子的释放电子和其它电荷载流子的现象。现象。 在真空光电二极管中，其在真空光电二极管中，其阴极就是利用光电发射材料制阴极就是利用光电发射材料制成。成。 当能量为当能量为hf的

3、光子照射其阴极，若阴极表面材料吸收的的光子照射其阴极，若阴极表面材料吸收的光子能量大于其光子能量大于其逸出功逸出功，则从阴极表面就有电子发射出来，则从阴极表面就有电子发射出来，发射出来的电子在外电压场的作用下射向阳极，形成光生电发射出来的电子在外电压场的作用下射向阳极，形成光生电流。流。2022-3-124PN结型光电二极管的工作原理 在半导体光电检测器件中，为了使电子和空穴分离，在半导体光电检测器件中，为了使电子和空穴分离，通常采用通常采用PN结面附近区域产生空间电荷区，形成自建电场结面附近区域产生空间电荷区，形成自建电场，如图所示。，如图所示。当当PNPN结型半导体结型半导体紧密接触后紧密

4、接触后，P型型区的区的空穴空穴和和N型区型区的的电子电子分别向分别向N型区型区和和P型区型区扩散，因而在两个区的扩散，因而在两个区的接触面两侧形成了不存在载流子电子和空穴的区域，这个接触面两侧形成了不存在载流子电子和空穴的区域，这个区域就叫区域就叫耗尽层耗尽层。2022-3-125PN结型光电二极管的工作原理 光照射到半导体的光照射到半导体的PN结上，若光子能量足够则半导体结上，若光子能量足够则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带，在导带中导带中出现出现光电子光电子，在，在价带中价带中出现出现光空穴光空穴，即产，

5、即产生光电子一空穴对。总起来又称生光电子一空穴对。总起来又称光生载流子光生载流子。 光生载流子在外加光生载流子在外加负偏压负偏压和内建电场的作用下，在外和内建电场的作用下，在外电路中出现光电流，如图所示。从而在电阻电路中出现光电流，如图所示。从而在电阻R上有信号电上有信号电压输出。这样，就实现了压输出。这样，就实现了输出电压跟随输入光信号变化的输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用光电转换作用。2022-3-1265.2 PIN 光电二极管光电二极管 PIN光电二极管的产生光电二极管的产生 由于由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，被中性区吸收

6、， 因而因而光电转换效率低，响应速光电转换效率低，响应速度慢度慢。 为改善器件的特性，在为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺结中间设置一层掺杂浓度很低的杂浓度很低的本征半导体，本征半导体，称为称为I层层(Intrinsic， 本征的)，这种结构便是常用的，这种结构便是常用的PIN光电二极管光电二极管2022-3-127 PINPIN光电二极管是在掺杂浓度很高的光电二极管是在掺杂浓度很高的P P型、型、N N型半导体之间，型半导体之间，加一层轻掺杂的加一层轻掺杂的N N型材料。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经型材料。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，这样可以提高其响应速

7、度和扩散后形成一个很宽的耗尽层，这样可以提高其响应速度和转换效率。结构示意图下图所示。转换效率。结构示意图下图所示。PIN光电二极管光电二极管2022-3-1285.2 PIN 光电二极管光电二极管l 中间的中间的I I层是层是N N型掺杂浓度很低的本征半导体，型掺杂浓度很低的本征半导体，用用(N)(N)表示；两侧是表示；两侧是掺杂浓度很高掺杂浓度很高的的P P型和型和N N型半型半导体，用导体，用P+P+和和N+N+表示。表示。l I I层很厚，层很厚， 吸收系数吸收系数很小，入射光很容易进入材很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量料内部被充分吸收而产生大量电子电子 - - 空穴

8、对空穴对，因，因而大幅度提高了而大幅度提高了光电转换效率光电转换效率。 l 两侧两侧P+P+层和层和N+N+层很薄，吸收入射光的比例很层很薄，吸收入射光的比例很小，小，I I层几乎占据整个层几乎占据整个耗尽层耗尽层， 因而光生电流中因而光生电流中漂漂移分量移分量占支配地位，从而大大提高了占支配地位，从而大大提高了响应速度响应速度。2022-3-1295.3 雪崩型光电二极管雪崩型光电二极管 ( APD管）管） 根据光电效应，当光入射到根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产结时，光子被吸收而产生电子一空穴对。如果电压增加到使电场达到生电子一空穴对。如果电压增加到使电场达到 200 kV

9、cm以上，电子在高电场区获得足够能量而加速运动。以上，电子在高电场区获得足够能量而加速运动。高高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离电离，产生，产生新的电子新的电子空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生。如此多次碰撞，产生连锁反应连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，致使载流子雪崩式倍增，见图见图。所以这种器件就称为。所以这种器件就称为雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）。2022-3-12105.4 光电二极管工作特性和参数光电二极管工作特性和参数l光电二极管的主要特性参数包括响应度、量子

10、效率、光电二极管的主要特性参数包括响应度、量子效率、响应带宽、响应带宽、APD的倍增系数及噪声等。这里的倍增系数及噪声等。这里讨论响应讨论响应度度和和量子效率量子效率。 响应度响应度：响应度表征了光电二极管的能量转换效率，：响应度表征了光电二极管的能量转换效率，其定义为其定义为: R =I0 / P0 式中，式中， P0 为入射到光电二极管上的光功率为入射到光电二极管上的光功率(瓦特瓦特)， I0 为光电二极管在该入射光功率下产生的光电流，为光电二极管在该入射光功率下产生的光电流，R的单位为的单位为 AW,即每单位入射光功率产生的电流值，即每单位入射光功率产生的电流值，因而是很有用的参数。此式

11、还表明检测器输出电流因而是很有用的参数。此式还表明检测器输出电流正正比比于输入光功率。于输入光功率。2022-3-12115.4光电二极管工作特性和参数光电二极管工作特性和参数 量子效率量子效率： 光电二极管的光电二极管的量子效率量子效率定义为定义为: =产生的电子数产生的电子数/入射光子数入射光子数=re/rp 式中式中rp是光子注入率（每秒光子数）是光子注入率（每秒光子数） re是电子响应率（是电子响应率（每秒电子数）。每秒电子数）。 决定量子效率的决定量子效率的主要因素主要因素是制造光检测器的半导体是制造光检测器的半导体材料的吸收系数。并非所有注入的光子能被吸收去产生材料的吸收系数。并非

12、所有注入的光子能被吸收去产生电子空穴对，所以电子空穴对，所以吸收系数总是小于吸收系数总是小于1的，量子效率常以的，量子效率常以百分数表示。如量子效率为百分数表示。如量子效率为75就等于每百个光子产生就等于每百个光子产生75个电子，由于材料吸收系数随光波长而改变，所以个电子，由于材料吸收系数随光波长而改变，所以量量子效率也是波长的函数子效率也是波长的函数，提及它时，应表明它对应的，提及它时，应表明它对应的波波长。长。2022-3-1212下面导出响应度下面导出响应度R和量子效率和量子效率之间的关系：之间的关系：已知已知： =产生的电子数产生的电子数/入射光子数入射光子数=re/rp可以写成可以写

13、成 =(I0 /q)/(P0/hf)= (I0 hf)/(qP0 )即即 R= *(q/ hf) = *(q/ hc) /1.24式中，波长式中，波长 的单位取的单位取um。 例如：当例如：当 =0.85 um ， 0.8 时，则时，则 R0.55A/w，表明，表明 1mw的的光光功率入射到该光电二功率入射到该光电二极管上，可以产生极管上，可以产生0.55mA的光电流。的光电流。2022-3-1213 R= *(q/ hf) = *(q/ hc) /1.24 上上式式还还表明，光电二极管的响应度随入射表明，光电二极管的响应度随入射光波长的增加而增大，但这种关系只有在光子光波长的增加而增大，但这

14、种关系只有在光子能量大于半导体的带隙能前提下能量大于半导体的带隙能前提下才才成立，一旦成立，一旦光子能量小于带隙能量，则光子能量小于带隙能量，则 =0。 光电检测器能工作的最大波长，即截止波光电检测器能工作的最大波长，即截止波长长c为：为： c=hc/Eg2022-3-1214对对APD特性新引入的参数是特性新引入的参数是倍增因子倍增因子 倍增因子倍增因子g：一次光生电流产生的平均增益的倍一次光生电流产生的平均增益的倍数。数。 定义为：定义为：APD输出输出光电流光电流Io和一次和一次光生电流光生电流IP的比值。的比值。 g = Io / IP2022-3-1215 解解: R= /1.24

15、=0.581A/W Ip = RPo =0.291uA G= Io/Ip =37.8 倍增因子为倍增因子为37.8例例: :某硅雪崩管在某硅雪崩管在0.9um波长上量子效率为波长上量子效率为80%，当入射功率为，当入射功率为0.5uw时，它输出电流有时，它输出电流有11uA，求此时该器件的倍增因子，求此时该器件的倍增因子G。 2022-3-1216 后表列出半导体后表列出半导体(PIN和和APD)的一般的一般性能。性能。 是有增益的光电二极管，在光接收机是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏灵敏度度要求较高的场合，采用要求较高的场合，采用有利于延长系统的传有利于延长系统的传输距离。输距离。 要求

16、不高的场合，一般采用要求不高的场合，一般采用PIN。 5.5 光电二极管一般性能和应用光电二极管一般性能和应用2022-3-1217-5-15-5-15工作电压工作电压 /V120.51结电容结电容 Cj/pF0.21210响应时间响应时间250.11暗电流暗电流 Id/nA0.6(1.3 )0.4(0.85 )响应度响应度1.01.60.41.0波长响应波长响应InGaAs-PINSi-PINm/)W/(A1ns/mmPIN光电二极管一般特性光电二极管一般特性2022-3-1218ns/0.50.70.30.4附加噪声指数附加噪声指数 x203030100倍增因子倍增因子 g40605010

17、0工作电压工作电压 /V0.512结电容结电容 Cj/pF0.10.30.20.5响应时间响应时间10200.11暗电流暗电流 Id/nA0.50.70.5响应度响应度11.650.41.0波长响应波长响应InGaAs-APDSi-APD)W/(A1m/雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）一般性能）一般性能2022-3-1219光接收机基本组成光接收机基本组成 直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于下图。方框图示于下图。 主要包括：主要包括： 光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、 时钟提取电路、

18、取样判决器以及自动增益控制时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路电路。5.6光接收机光接收机光检测器光检测器偏压控制偏压控制前置放大器前置放大器AGC电路电路均衡器均衡器判决器判决器时钟时钟提取提取主放大器主放大器光信号光信号2022-3-1220 100Mb/s100Mb/s、125Mb/s125Mb/s、156Mb/s156Mb/s、270Mb/s270Mb/s多模多模5 5公里传输收发一体光公里传输收发一体光纤模块纤模块、分别应用于、分别应用于Fast EthernetFast Ethernet、FDDIFDDI、ATMATM和和Fiber Channel Fiber C

19、hannel 等。等。 156Mb/s156Mb/s、622Mb/s622Mb/s单模中、单模中、长距离传输收发一体光纤模块长距离传输收发一体光纤模块， 分别应用于分别应用于SONET OC-3SONET OC-3和和OC-12OC-12、SDH STM-4SDH STM-4和和STM-12STM-12、ATMATM 主干网、主干网、ATMATM交换机、点对点链路等。交换机、点对点链路等。 1.25Gb/s1.25Gb/s多模短距离传输收发一体光纤模块多模短距离传输收发一体光纤模块采用垂直面发采用垂直面发 光激光器和先进的封装技术，广泛应用于兆吉以太网、光激光器和先进的封装技术，广泛应用于兆吉

20、以太网、LANLAN 交换机或中继器互连，高性能服务器的主适配器等交换机或中继器互连，高性能服务器的主适配器等2022-3-1221光电元件组件光电元件组件 激光二极管组件激光二极管组件/ /插拔式或尾插拔式或尾纤式波长纤式波长1310nm1310nm或或1550nm1550nm，发光，发光二极管组件二极管组件/ /插拔式或尾纤式波长插拔式或尾纤式波长1300nm1300nm，光电二极管组件，光电二极管组件/ /插拔式插拔式或尾纤式光接收放大器组件或尾纤式光接收放大器组件/ /插拔插拔式或尾纤式式或尾纤式光发射光发射/ /接收模块接收模块 光发射模块光发射模块/ /插拔式或尾纤插拔式或尾纤式式

21、155Mbps,STM-1155Mbps,STM-1光发射模块光发射模块 光接收模块光接收模块/ /插拔式或尾纤式插拔式或尾纤式155Mbps155Mbps，STM-1STM-1光接收模块光接收模块 光收光收/ /发一体模块发一体模块/ /单模或多模单模或多模155Mbps,ATM,OC-3/STM-1,Fast 155Mbps,ATM,OC-3/STM-1,Fast EthernetEthernet2022-3-1222NOYES 可见光源l产品名称产品名称: 可见光源可见光源 l型型 号号: VFI1l生产厂家生产厂家: NOYES(罗意斯罗意斯)l产产 地地: 美国美国l适用范围适用范围

22、: 邮电工程邮电工程与维护与维护 CATV 工程工程与维护与维护 综合布线系综合布线系统统 其它光纤工程其它光纤工程 2022-3-1223技术指标技术指标lVFI1是一种使用简单方便的便携式仪表是一种使用简单方便的便携式仪表,它使用安全的激光器它使用安全的激光器, 可用来对光纤可用来对光纤,光缆光缆,接头和连接器进行肉眼可见的测试接头和连接器进行肉眼可见的测试.在在OTDR无无 法测试的盲区以及快速检查调整法测试的盲区以及快速检查调整连接器和跳线端头时。当被测光纤连接器和跳线端头时。当被测光纤 有一断有一断点时点时,肉眼即可直接定位故障。肉眼即可直接定位故障。2022-3-1224技术指标技术指标l性能指标性能指标: l光输出光输出: 670nm激光器激光器l功率功率1.0mWl占空比占空比50 %的的2kHz方波方波 l电电 源源: 9V叠层电池或交流电源叠层电池或交流电源 l连接器连接器: FC型型,其它型号可选其它型号可选. l范范 围围: 5 Km左右左右 2022-3-1225规格及操作环境规格及操作环境l重量重量: 454g l体积体积: 1156825mm l