第4章光检测器和光接收机

1、第4章 光检测器和光接收机内容提要v光检测器的工作原理v光检测器的特性参数v光接收机第4章 光检测器和光接收机第4章 光检测器和光接收机4.1光检测器的工作原理作用：将接收到的光信号转换成电信号。工作原理： 把能量大于Eg的光照射到半导体材料上，则处于低能带的电子吸收该能量后而被激励跃迁到高能带，从而产生电子_空穴对。通过在半导体材料上外加电场，使得电子_空穴对在半导体材料中渡越，形成光电流（光生电流）。当入射光变化时，光生电流随之做线性变化，从而把光信号转换成电信号。第4章 光检测器和光接收机 光检测器的工作原理光检测器的工作原理第4章 光检测器和光接收机1 PIN光检测器 光电二极管存在问

2、题： PN结耗尽区宽度较窄时，大多数光子尚未被耗尽区吸收，便已到达N区，而在这部分区域，电场很小，无法将电子和空穴分开，导致量子效率较低；PN结耗尽区可等效成电容，如果耗尽区宽度较窄，则电容越大，电路的RC时间常数越大，不利于高速数据传输。 增加耗尽区宽度增加耗尽区宽度第4章 光检测器和光接收机PIN光电检测器结构：在P型和N型半导体材料之间插入一层掺杂浓度很低的半导体材料，记为I，称为本征区。PIN光电二极管第4章 光检测器和光接收机 注意：I区的宽度不是越宽越好，宽度越大，载流 子在耗尽区的漂移时间也就越长，对带宽 的限制也就越大，所以需要综合考虑。由于 不同半导体材料对不同波长的光吸收系

3、数 不同，所以本征区宽度选取也各不相同。第4章 光检测器和光接收机PIN光电检测器优点(1)I区的宽度远大于P区和N区宽度，所以I区有更多的光子被吸收，从而增加了量子效率；(2)扩散电流很小(3)反向偏压可以取较小值第4章 光检测器和光接收机2 APD光检测器工作机理： 入射光在光电二极管中产生最初的电子_空穴对，由于光电二极管上加了较高反向偏置电压，电子_空穴对在该电场作用下加速运动，获得很大动能，当它们与中性原子碰撞时，会使中性原子价带上的电子获得能量后跃迁到导带上去，于是产生新的电子_空穴对，新产生的电子_空穴对称为二次电子_空穴对。这些二次载流子同样能再强电场作用下，碰撞别的中性原子进

4、而产生新的电子_空穴对，这样就引起了产生新载流子的雪崩过程。 这样，一个光子最终产生了许多的载流子，使得光信号在光电二极管内部就获得了放大。第4章 光检测器和光接收机APD光电二极管的结构 第4章 光检测器和光接收机APD与PIN的比较(1)APD在I层和N层间增加一个附加层P层(2)APD的光电流在器件内部就得到了放大，避免了由外部电子线路放大光电流所带来的噪声。(3)APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用APD有利于延长系统的传输距离。在灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN光电检测器。第4章 光检测器和光接收机4.2光检测器的特性参数1光检测器性能参数(1)量子效

5、率 入射光（光功率为Pin）中含有大量光子，能转换为光生电流的光子数和入射的总光子数之比称为量子效率。 其中，q为电子电荷；Ip为产生的光电流；h为普朗克常数；v为光子的频率。hPqI/inP第4章 光检测器和光接收机 (2)响应度 光检测器的光电流与入射光功率之比： 表明光检测器将光信号转换为电信号的效率。(3)响应光谱 对确定的半导体检测材料，只有波长小于截止波长的光才能被检测到，并且探测器的量子效率随着波长的变化而变化，这种特性称为响应光谱。 inPPIR 第4章 光检测器和光接收机 (4) 响应时间 响应时间是用来反映光检测器对瞬变或高速调制光信号响应能力的参数。 影响因素：耗尽区光载

6、流子的渡越时间；耗尽区外产生的光载流子的扩散时间；光电二极管及与其相关电路的RC时间常数。 光检测器的带宽与上升时间成反比：(5)暗电流 暗电流是指光检测器上无光入射时的电流。 暗电流最终决定了能被检测到的最小光功率，也就是光电二极管的灵敏度。r35. 0tB 第4章 光检测器和光接收机2光检测器的噪声(1)散粒噪声 由于半导体材料中电子发射不均匀性引起光生电流起伏的噪声。散粒噪声属于白噪声，为了降低它的影响，通常在判决电路之前使用低通滤波器，使得信道带宽变窄。(2)热噪声 温度变化导致的瞬间电子数目围绕其平均值的起伏称为热噪声。(3)1/f噪声 噪声与频率成反比，一般而言，它的影响只在低频范

7、围内，当信号调制频率大于100MHz时，就可以忽略其作用。第4章 光检测器和光接收机4.3 光接收机 光接收机的作用是把光发射机发送并经光纤传输的携带有信息的光信号转化成相应的电信号，然后放大并再生恢复为原始电信号。 第4章 光检测器和光接收机 光接收机原理框图第4章 光检测器和光接收机1光接收机的组成 (1)前置放大器 前置放大器负责对光电检测器产生的微弱电流信号进行放大。由于前端的噪声对整个放大器的输出噪声影响甚大，因此前置放大器必须是低噪声和高带宽的，且有一定的增益。第4章 光检测器和光接收机 互阻放大器作为前置放大器 第4章 光检测器和光接收机(2)增益可控制的主放大器功能：将前置放大

8、器输出的信号放大到判决电路所 需要的电平，同时起着调节增益的作用，使 得输出信号幅度在一定范围内不受输入信号 幅度的影响。(3)滤波器 对已发生失真和有严重码间干扰的信号进行均衡，使其尽可能的恢复原来状况，以利于定时判决，使得误码率最小。第4章 光检测器和光接收机 滤波器均衡波形示意图第4章 光检测器和光接收机(4)时钟恢复和判决电路 判决电路和时钟恢复电路负责对信号进行再生。为了精确地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致。如果在发射端进行了线路编码，那么在接收端需要有相应的译码电路。第4章 光检测器和光接收机 信号再生示意图第4章 光检测器和光接收机2光接收机的技术指标误码率量子极限灵敏度动态范围第4章 光检测器和光接收机(1)误码率 BER 出错的比特数总的比特数第4章 光检测器和光接收机 误码率的判定第4章 光检测器和光接收机(2)量子极限 假设光检测器具有理想特性，量子效率为1，且无热噪声，无暗电流，这样没有光功率输入时，就没有电子-空穴对产生。在该条件下，就可以得到数字系统中对于给定误码率所要求的最小接收光功率。这个最小接收到的功率就是量子极限。 量子极限是对系统特性的基本物理限制。大多数接收机的灵敏度要比量子极限高出20dB左右rp2hcBPN第4章 光检测器和光接收机(3)灵敏度 光接收机灵敏度是表征光接收机调