大三下光纤通信achapt41or

1、光的任务：以最小的附加噪声和失真，恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息。数据输入数据输出激光器驱动电路PDLD前置放大器均衡器Fiber主放大器.时钟提取 /2数据再生电信号光信号光电效应存在的问题：长途传输后到达光纤尾的信号受到影响： 损耗：使幅值下降 色散：使数字信号脉冲的脉宽展宽，模拟信号失真 其他噪声：。信号微弱-到达接受极限 信号进入光后会再次到噪声的影响 光检测器的噪声 放大电路的影响导致的结果：数字信号的解调错误，模拟信号的失真3内容提要：光检测器原理与特性光光的组成和特性分析的噪声分析44.1概述4.24.34.44.54.64.74.8光检测器光模拟数字 光数字数字设计的噪声

2、及信噪比的噪声分析前置放大器的误码率和接收灵敏度中的定时提取和再生54.1概述光接收机分为：模拟接收机和数字接收机。 图4.1.1 光纤通信接收机框图(a)模拟接收机; (b)数字接收机6光的主要指标1）接收灵敏度对数字通信，达到指定误码率时的最小接收信号光功率对模拟通信，达到指定信噪比时的最小接收信号光功率用dBm表示（以1mW为基准）7达到指定误码率或信噪比时的最小接收信号光功率光的主要指标2）动态范围最大光功率与最小可接收光功率之差最大光功率决定于非线性失真及前置放大器的饱和电平最小光功率决定于光接收灵敏度为什么提出动态范围的要求：在实际的系统中，由于中继距离、光纤损耗、连接器及熔接头损

3、耗的不同，功率随温度的变化及老化等，故接收光功率有一定的范围。故要求光能够接收一定变化范围的光信号8较低的偏压或偏4.2光检测器流，具有高可靠性便于与光纤及其他电路组装对光检测器的要求体积小带宽响应快长最小探测能力灵敏度噪声小转换效率高暗电流、漏电流和并联电导必须最小9光检测器件的机理:受激吸收PN结天生具有在光照射后发生受激吸收的功能并产生光生电流10检测出入射的光功率大小功能：半导体等光敏材料PIN光电二极管雪崩光电二极管（APD)11光电晶体管光电二极管PD光敏电阻光电倍增管4.2.1光检测器的工作原理1）PIN光电二极管半导体PN结的光电效应分析耗尽层PN结扩散12PN结耗尽层形成在P

4、N结处形成耗尽层13N区电子向P区扩散 P区空穴向N区扩散光生载流子-光电效应条件： hfEg 能量足够大（hfEg ）光子照射到P-N结上价带的电子吸收光子的能量 从价带越过禁带到达导带 在导带中出现光电子 在价带中出现光空穴 产生光电子一空穴对一总称光生载流子。14如果（hf<Eg ）时：无论入射光多么强，光电效应都产生光电效应截止hclc = E= 1.24 / Eg截止波长：g15耗尽层光电流的产生光照耗尽层内的离子时产生光生载流子在内建电场的作用下空穴向P区运动、电子向N区运动在外电路可以产生光生电流I16P区和N区光电流的产生 光同样照射到P区和N区产生光生载流子 没有电场作

5、用 只有离耗尽层近的光生载流子（P区光生电子和N区光生空穴)可以扩散到耗尽层的边缘才能在内建电场的作用下形成光生电流I17总光生电流耗尽区和扩散区均为光子的吸收区 耗尽层内光生电子与光生空穴形成的电流P区光生电子形成的电流N区光生空穴形成的电流I18总光生电流是以上三者之和耗尽层外光生电流的特点电场作用很小靠扩散形成电流速度慢扩散过程和中有复合效率低改进加宽耗尽层19外加负偏压加宽耗尽层 外加负偏压(P接负，N接正) 外加负偏压产生的电场方向与内建电场方向一致，使耗尽 层加宽。 和内建电场一同作用电加宽耗尽层 光生载流子在外电路中形成光电流 图5-1(b)是P-N结及其附近的能带分布图。图中能

6、带以电子(负电荷)的电位表示，电位越负能带越高。2021光电效应的进一步 主要光电效应工作区耗尽层 结构上加宽耗尽层 在PN结中夹进一个轻搀杂的N区I区 形成PIN结结构加宽耗尽层22为使入射光功率能有效地转换成光电流它必须在耗尽层内被半导体材料有效的吸收要求耗尽层有足够的空间（厚度）材料对入射光有足够的吸收系数 图4.2.1 PIN光电二极管及能带图23 半导体对光的吸收作用随光波长减小而迅速增加-遵从： P(W)=P01-e-as()W as()-当光的波长为时的材料对光的吸收系数 P0-入射初始光功率 P(W)在W厚度内吸收的光功率若W=0，则为表面光功率Po24截止波长和吸收系数只有入

7、射光子的能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg，才能产生光电效应。因此对一种特定材料的检测器存 在着一个下限频率fc和相应的上限光波长c。hfc = Eg或写成hclc= 1.24 / E Eg式中h为普朗克常g数，c为光速，波长为微米，禁c带宽度Eg为电子伏特。由式可见，只有波长小于c的光才能用由这种材料做成的器件检测。c称为器件的截止波长。25当工作波长大于材料带隙波长c时，出现截止现象。lc (mm) = 1.24 / Eg (eV )为了获得最佳的转换效率量子效率及低的暗电流，要求：Eg应略小于与最长工作波长相对应的光子图4.2.2材料吸收系数与波长的关系能量。26穿透效应半导体的吸收作

8、用随光波长的减小而迅速增强。即 随光波长减小而变大。因此光波长很短时，光在半导体表面就被吸收殆尽，使得光电转换效率很低。这限制了半导体检测器在较短波长上的应用。由上分析可见：要检测某波长的入射光，必须要选择由适当材料做成的检测器。一方面由其禁带宽度决定的截止波长要大于入射光波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。另一方面，吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。27对于短波长：0.85m选Si截止波长为1.09吸收系数（）600cm-1 穿透深度17m1.31m1.55m对于长波长：Ge，InGaAs。28图4.2.3正面入射(a)和侧面入射(b) Si-PIN光电二极管的结构29图4.2.

9、4顶部入射(a)和底部入射(b)InGaAs-PIN 光电二极管的结构30图4.2.5Si - RAPD结构示意图及电场分布31图4.2.6台面型SAM - APD(a)和SAGM - APD(b)32高压时对温度变化敏感。图4.2.7APD增益与偏置电压的关系33设计AGC电路可以抑制温度变化的影响。图4.2.8APD的AGC电路框图34图4.2.9光电二极管响应度、量子效率与波长的关系35PIN光电二极管36PIN光电二极管的结构 在P型材料和N型材料之间加轻掺杂的N型材料，称征(Intrinsic)层 轻掺杂，电子浓度很低，经扩散作用后可形成一个很宽的耗尽层。 为降低P-N结两端的接触电

10、阻，两端的材料做成重掺杂的P+层和N+层。 这种结构的光电二极管称为PIN光电二极管。37PIN光电二极管 制造这种晶体管的本征材料可以是Si或lnGaAs通过掺杂后形成P型材料和N型材料。 PIN光电二极管的结构示意图如5-2(左)所示。 PIN的耗尽层遍及整个I区 产生光电流效率高3839光电二极管的主要特性参数：1.波长响应范围上限由截止波长决定下限由材料吸收决定40chcEg截止波长 若光子能量为hf，禁带宽度为Eg 产生光生载流子显然必须满足hf Eg。 临界时fc =Eg/h(5-1) 将fc换为波长c，则 chcEg(5-2) 只有当入射光波的波长c的光，才能使这种材料产生光生载

11、流子，故c称为截止波长；fc称为截止频率。41截止波长 截止波长： chcEg=1.24/ Eg42 Ge-PIN: c1.6mSi-PIN： c1.09m材料吸收 半导体对光的吸收作用随光波长减小而迅速增加-遵从： P(W)=P01-e-as()W as()-当光的波长为时的材料对光的吸收系数 P0-入射初始光功率 P(W)在W厚度内吸收的光功率43当工作波长比材料带隙波长长时 材料对光的吸收系数急剧减小 材料对此时的光几乎透明。Si工作在短波长区： as（ ）=600cm-1 穿透深度=17m44响应波长范围Si-PIN:0.51.09m0.85mGe-PIN和InGaAs-PIN: 1.

12、11.6m1.31m1.55m45小于吸收波长被吸收 大于截止波长被透射46中间为光电转换区:Ip光检测器的平均输出电流（A/W）=Po光检测器的平均输入光功率光功率产生的光生电流 越大反映产生光电流效率越高472.光电转换效率 响应度光电转换效率 量子效率：Ip/ehfe光生电子一空穴对数=入射光子数P /(hf)o 表示每个光子平均产生的电子空穴对 越大反映产生光电流效率越高48光电转换效率 假定半导体材料吸收的光子全部能转换为电子空穴对 可通过计算半导体-空气界面的反射损耗和耗尽层透射损耗得出量子效率: (1-r)1-exp(-a（ ）W r-半导体-空气界面的反射系数 W耗尽层宽度 a

13、 （ ）耗尽层对光的吸收系数49图4.2.3 为两种Si 一PIN 光电二极管的结构图（a ）为正面入射结构当工作波长为0 . 8 一0 . 9 m时耗尽区厚度20一50 m获得高的量子效率（典型值85%）快速响应（< 1ns ）低的暗电流（1nA ）图（b ）为侧面人射结构入射光平行于结平面特点是吸收区宽度大，达500m 提高接近1.09 m的带隙极限处灵敏度。50长波长波段Ge-PIN 光电二极管暗电流大（20 时l00nA,40 时增大到1A）用111 一V 族半导体合金制造的长波长光电二极管有较满意的性能图4 . 2 . 4 为两种InGaAs - PIN 光电二极管的结构图（a

14、 ）为最简单的顶部入射结构但由于p +区的光吸收，会降低量子效率由于顶部不但有入射光窗口，而且有金属接触，限制了不能做得很小图（b ）底部入射方式可减小降低电容效应暗电流小于1nA513.响应时间响应时间是指光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化的性能。一般用响应时间(上升时间和下降时间)来表示。52响应时间 在半导体光电二极管中，光生载流子通过耗尽层需要的时间占主要部分。此外，器件的结电容和外电路的负载电阻也要影响响应时间。虽然加大耗尽层宽度对提高光捡测器效率是有利的，但对它的响应时间却是不利的。二者应综合考虑。 若从频域角度看，小的响应时间即意味着器件的带宽大53响应时间 光检测器的响应

15、时间与下列因素有关:等效RC电路的上升时间载流子在耗尽层中的渡越时间耗尽层外载流子的扩散时间 取最大值 PIN内部的响应时间主要由载流子在耗尽层中的渡越时间决定：tr=W/VW耗尽层宽度V载流子在电场中的漂移速度544.暗电流 在理想条件下，当没有光时，光捡测器应无光电流输出。 实际上由于热、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光照情况下，光检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流ID。 暗电流还包括器件表面的漏电流。 暗电流将使光噪声增大。因此，总是希望器件的暗电流越小越好。55暗电流处于反向偏压下的半导体光电二极管，在无光照时仍有电流流过，这部分电流称为暗电流。光电二极管的暗电流分为两部分：一部

16、分为反向偏压下二极管的反向饱和电流，称为体暗电流，是由载流子的热扩散形成的，体暗电流由半导体材料及掺杂浓度决定。另一部分是由半导体表面缺陷引起的表面漏电流，称为表面暗电流。暗电流与器件的结面积成正比。故常用面积上的暗电流（称为暗电流密度）来衡量。暗电流随器件温度的升高而增大。暗电流的存在限制了光电二极管所能检测的最小光功率，也就是降低了灵敏度。的56暗电流 Ge-PIN的暗电流较大，限制了它的应用 20 时100nA， 40 时1mA575.线性饱和度58线性饱和度 光检测电路有一定的光功率检测范围 入射光功率太强，会产生非线性失真随着输入光功率和输出电流的增大，检测电路中负载电阻上的压降增大

17、，光电管上实际压降减小，耗尽区内电场减弱，继而会引起光功率产生的光电流变小。此时光电转换不再满足线性关系，称为线性饱和。596.反向击穿电压 特性同二极管类似 Si-PIN典型反向击穿电压为100伏 工作偏压为1030伏60PIN光电二极管的一般性能61Si-PINInGaAs-PIN波长响应 /m0.41.01.01.6响应度 /(A·W10.4(0.85m)0.6(1.3m)暗电流Id/nA0.1125响应时间 /ns2100.21结电容Cj/pF0.5112工作电压/V-5 -15-5 -15APD光电二极管光纤通信经过长距离的传输衰减光(Avalanche Photo Dio

18、de)光信号十分微弱内部有放大作用的光检测器雪崩光电二极管APD(Avalanche62nw级PIN光电二极管+前置放大器外部放大光的灵敏度主要由的信噪比决定。可以采用减小噪声或增大信号电流的方法来提高的灵敏度。因此PIN光电二极管的量子噪声很小，所以采用PIN光电二极管为检测器的光的噪声主要由负载电阻和后级放大器决定。如果采用自身对光生电流具有放大作用的光检测器，即使检测器在电流放大过程中会产生附加噪声，但只要附加噪声小于负载电阻和后级放大器的噪声，则这样的检测器必定会的信噪比，从而提高了的灵敏度。雪崩光电二极管（APD）就是这样的一种具有内部电流增益的光电转换器件。631、雪崩倍增效应 在

19、二极管的P-N结上加高反向电压(一般为几十伏或几百伏) 在结区形成一个强电场 高场区内光生载流子被强电场，获得高的动能 与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到能量越过禁带到导带，产生了新的电子一空穴对 新产生的电子一空穴对在强电场中又被，再次碰撞，又激发出新的电子一空穴对 如此循环下去，像雪崩一样的发展，称雪崩倍增效应。从 而使光电流在APD管内获得倍增64652、APD的结构及其工作原理目前光纤通信系统中使用的APD结构型式有保护环型和拉通(又称通达)型。前者是在制作时淀积一层环形的N型材料，以防止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。下面主要来介绍拉通型APD(RAPD)，它的结构示意图和

20、电场分布如图5-4所示。66P型三部分67APD的结构及其工作原理 图(a)是纵向剖面的结构示意图。 图(b)是将纵向剖面顺时钟转90°的示意图。 图(c)是它的电场强度随位置的分布图。68APD的结构及其工作原理 由图(b)可见，它仍具有P-N结的基本结构，只不过其中的P型材料由三部分，光子从P+层射入，进入I层后，在这里材料吸收了光能产生了初级电子空穴对。 光电子在I层被耗尽层的较弱的电场，移向P-N结，当光电子运动到高场区时，受到强电场的作用出现雪崩碰撞效应，最后，获得雪崩倍增后的光电子到达N+层，空穴被P+层吸收。 P+之所以作成高掺杂，是为了减小接触电阻以利与电极相联。69

21、渐的较低的电场，另一部分是产生雪崩倍增效应的高电场区，这种电场分布有利于降低工作电压。 APD具有雪崩倍增效应这个有利方面。但是雪崩倍增效应的随机性将引入噪声。 APD随使用的材料不同有Si-APD(短波长用)和Ge-APD，InGaAs-APD等(长波长用)。70APD的结 由图(c构及其工作原理)还可以看出，它的耗尽层从结区一直拉通到I层与P+层相接的RAPD器件范围内。在整个范围内电场增加较小。这样，这种 就将电场分为两部分，一部分是使光生载流子逐3、雪崩倍增因子 APD还有一个与雪崩倍增效应对应的参量一雪崩倍增因子G。在忽略暗电流影响条件下，它定义为：IM有雪崩倍增时光电流的平均值GI无雪崩倍增时光电流的平均值P 一般APD的倍增因子G在40-100之间。 PIN光电管无雪崩倍增作用故G1。71 倍增噪音的：雪崩过程中，电子