光电检测器与光接收机

1、由于受激辐射仅仅发生在由于受激辐射仅仅发生在PN结附近，结附近，远离远离PN结的地方没有电场存在，因此就决结的地方没有电场存在，因此就决定了定了PN光电二极管光电二极管(PN Photodiode，PNPD)或或PN光电检测器的光电变换效率非光电检测器的光电变换效率非常低下及响应速度很慢。常低下及响应速度很慢。PIN光电二极管光电二极管(PINPD)的结构如图的结构如图6.1所示。所示。图图6.1 PIN光电二极管的结构光电二极管的结构当光照射到当光照射到PIN光电二极管的光敏面光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区（高场区）及耗尽上时，会在整个耗尽区（高场区）及耗尽区附近产生受激辐射现象，从

2、而产生电子区附近产生受激辐射现象，从而产生电子空穴对。空穴对。雪崩光电二极管应用光生载流子在其雪崩光电二极管应用光生载流子在其耗尽区耗尽区(高场区高场区)内的碰撞电离效应而获得内的碰撞电离效应而获得光生电流的雪崩倍增。光生电流的雪崩倍增。常用的常用的APD结构包括拉通型结构包括拉通型APD和保和保护环型护环型APD，如图如图6.2所示。由于要实现电所示。由于要实现电流放大作用需要很高的电场，因此只能在流放大作用需要很高的电场，因此只能在图中所示的高场区发生雪崩倍增效应。图中所示的高场区发生雪崩倍增效应。图图6.2 APD的结构的结构APD的雪崩倍增原理为：当入射光照的雪崩倍增原理为：当入射光照

3、射在射在APD的光敏面上时，由于受激吸收原的光敏面上时，由于受激吸收原理会产生电子空穴对理会产生电子空穴对(这里我们称之为一次这里我们称之为一次电子空穴对电子空穴对)。当光照射到当光照射到APD的光敏面上时，由于的光敏面上时，由于受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴对。对。在一定波长的光照射下，光电检测器在一定波长的光照射下，光电检测器的平均输出电流与入射的平均光功率之比的平均输出电流与入射的平均光功率之比称为响应度称为响应度(或响应率或响应率)。响应度可以表示。响应度可以表示如下：如下：式中：式中：Ip为光生电流的平均值为光生电流的平均值(单位：单位：A)

4、；P为平均入射光功率值为平均入射光功率值(单位：单位：W)。PIp响应度是器件在外部电路中呈现的宏响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是器件在内部呈观灵敏特性，而量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性。量子效率定义为通过现的微观灵敏特性。量子效率定义为通过结区的载流子数与入射的光子数之比，常结区的载流子数与入射的光子数之比，常用符号用符号表示：表示：hPeIp/入射到器件上的光子数数通过结区的光生载流子式 中 ：式 中 ： e 是 电 子 电 荷 ， 其 值 约 为是 电 子 电 荷 ， 其 值 约 为1.610-19G；为光频。为光频。与与关系可以表示关系可以表示为：为：e

5、hc式中：式中：h是普朗克常数，是普朗克常数，c是光在真空是光在真空中的速度中的速度,是光电检测器的工作波长。代是光电检测器的工作波长。代入相应数值后，可以得到：入相应数值后，可以得到：从式从式(6-4)中可以看出：在工作波长一中可以看出：在工作波长一定时，定时，与与具有定量的关系。具有定量的关系。24. 1光电二极管的响应速度是指它的光电光电二极管的响应速度是指它的光电转换速度。转换速度。暗电流主要由体内暗电流和表面暗电暗电流主要由体内暗电流和表面暗电流组成。流组成。APD的电流增益，即平均倍增因子的电流增益，即平均倍增因子M可表示为：可表示为：式中：式中：Ip为为APD倍增后的光生电流；倍

6、增后的光生电流；Ip0是是未倍增时的原始光生电流。若无倍增时和未倍增时的原始光生电流。若无倍增时和倍增时的总电流分别为倍增时的总电流分别为I1和和I2，则应扣除当，则应扣除当时的暗电流时的暗电流Id1和和Id2后才能求出后才能求出M。11220ddppIIIIIIM光电检测器的噪声包括量子噪声、暗光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声和由倍增过程产生的倍增噪声。电流噪声和由倍增过程产生的倍增噪声。PINPD的总均方噪声电流可以表述如的总均方噪声电流可以表述如下：下：i2=2e(Ip+Id)B式中：式中：e为电子电荷量；为电子电荷量；Ip为光生电流；为光生电流；Id为为PINPD的暗电流，的暗

7、电流，B为噪声带宽。为噪声带宽。APD的量子噪声和暗电流噪声的量子噪声和暗电流噪声(要考要考虑倍增作用虑倍增作用)与与PINPD机理类似，计算方法机理类似，计算方法也基本相同。也基本相同。虽然虽然APD的倍增作用对信号有放大作的倍增作用对信号有放大作用，但是由于倍增噪声的存在也使得总噪用，但是由于倍增噪声的存在也使得总噪声增加。声增加。表表6.1中列出了富士通公司生产的两种中列出了富士通公司生产的两种光电检测器的典型指标。光电检测器的典型指标。表 6 . 1 列 出 了 光 电 检 测 器 的 典 型 指 标F ID 1 3 Z 8 1 P ZIn G a A s-P IN P DF P D

8、5 W 1 K SIn G a A s-A P D工 作 波 长 （m ）1 . 3 11 . 5 5量 子 效 率 （ % ）7 57 5响 应 度 （ A /W ）0 . 7 80 . 9 4暗 电 流 （ n A ）0 . 12 0检 测 带 宽 （ G H z）2 . 03 . 0附 加 电 容 （ p F ）1 . 10 . 5典 型 应 用6 2 2 M b /s2 . 5 G b /s与光源器件一样，在没有测试条件的与光源器件一样，在没有测试条件的情况下，使用人员也可以借助于指针式万情况下，使用人员也可以借助于指针式万用表对光电检测器件进行简易的测试。这用表对光电检测器件进行简易

9、的测试。这种测试方法主要是检查光电检测器件种测试方法主要是检查光电检测器件PN结结的好坏：的好坏：PN结好不能保证器件具有好的特结好不能保证器件具有好的特性，而性，而PN不好的器件其质量绝对不会好。不好的器件其质量绝对不会好。常用光电检测器件的参考数据如表常用光电检测器件的参考数据如表6.2所示。所示。表6.2 常 用 光 电 检 测 器 件 的 参 考 数 据Si-PINPDInGaAs-PIN PDInGaAs-APD正 向 压 降0.6 0.7V0.2 0.3V约2V正 向 电 阻3 5k （ R100档 ）3 5k （ R100档 ）通反 向 电 阻100k （ R1K档 ）100k

10、（ R1K档 ）无 穷 大 （ R1K档 ）常用的非相干检测方式就是直接功率常用的非相干检测方式就是直接功率检测方式。直接功率检测方式是通过光电检测方式。直接功率检测方式是通过光电二极管直接将接收的光信号恢复成基本调二极管直接将接收的光信号恢复成基本调制信号的过程。制信号的过程。就像普通的无线电收音机一样，首先就像普通的无线电收音机一样，首先接收光信号要与一个光本地振荡器在光混接收光信号要与一个光本地振荡器在光混频器混频之后，再被光电检测器变换成一频器混频之后，再被光电检测器变换成一定要求的电信号，如图定要求的电信号，如图6.5所示。所示。图图6.5 相干检测原理相干检测原理在实用的直接功率检

11、测光接收机中，在实用的直接功率检测光接收机中，光电检测器直接从接收光信号中将基本调光电检测器直接从接收光信号中将基本调制信号恢复出来。制信号恢复出来。对于不同的光纤通信系统，有着不同对于不同的光纤通信系统，有着不同的光接收机质量指标。的光接收机质量指标。所谓光接收机灵敏度，就是指在一定所谓光接收机灵敏度，就是指在一定误码率或信噪比误码率或信噪比(有时还要加上信号波形失有时还要加上信号波形失真量真量)条件下光接收机需要接收的最小平均条件下光接收机需要接收的最小平均光功率光功率(有时也称为平均最小输入光功率有时也称为平均最小输入光功率)。所谓光接收机动态范围，就是指在一所谓光接收机动态范围，就是指

12、在一定误码率或信噪比定误码率或信噪比(有时还要加上信号波形有时还要加上信号波形失真量失真量)条件下光接收机允许的光信号平均条件下光接收机允许的光信号平均光功率的变化范围。光功率的变化范围。光电检测器上的噪声包括光检测噪声光电检测器上的噪声包括光检测噪声(有可能与信号强度相关的噪声有可能与信号强度相关的噪声)、暗电流、暗电流噪声及背景辐射噪声。噪声及背景辐射噪声。由于光的量子性，由于光的量子性，PINPD的光检测噪的光检测噪声属于光量子噪声。声属于光量子噪声。PINPD的光检测噪声的光检测噪声可以由下式决定：可以由下式决定：式中：式中：为光电检测器的量子效率；为光电检测器的量子效率；e为电为电子

13、电荷量；子电荷量；P为平均接收光功率；为平均接收光功率；B为系为系统带宽；统带宽；h为普朗克常数；为普朗克常数；为光子的频率。为光子的频率。PINPDPDnnhPBe22由于由于APD雪崩倍增过程的随机性，使雪崩倍增过程的随机性，使得得APD的光检测噪声更多的表现为倍增噪的光检测噪声更多的表现为倍增噪声。声。APD的光检测噪声可以表述如下：的光检测噪声可以表述如下：式中：式中：为光电检测器的量子效率；为光电检测器的量子效率；e为电为电子电荷量；子电荷量；P为输入光电检测器的平均光为输入光电检测器的平均光功率；功率；M为为APD的平均倍增因子；的平均倍增因子；F为为APD的倍增噪声系数；的倍增噪

14、声系数；B为系统带宽。为系统带宽。APDPDnnhFPBeM22不管前置放大器的具体结构如何，从不管前置放大器的具体结构如何，从低噪声角度出发第一级采用共射极低噪声角度出发第一级采用共射极(或共源或共源极极)则是公认的。关于第一级器件的应用，则是公认的。关于第一级器件的应用，无非是晶体三极管无非是晶体三极管(Bi-junction Transistor，BJT)或场效应管或场效应管(Field Effect Transistor，FET)两类。两类。FET前置放大器的输入等效噪声可以前置放大器的输入等效噪声可以用下式表示：用下式表示：32232222222BCgKTCBfgKTBeIRKTnm

15、cmgABJT前置放大器的输入等效噪声可以前置放大器的输入等效噪声可以表示为：表示为：3222232222BeIKTCBReIReIKTeIRKTnccccA光接收机的输入等效总噪声可以表示光接收机的输入等效总噪声可以表示为：为：ntot=nPD+nA在在PINPD光接收机中，光接收机中，nPD要远远小要远远小于于nA。根据信噪比定义，根据信噪比定义，PINPD光接收机判光接收机判决点上的信噪比为：决点上的信噪比为：totoNSSNR 22AnAstotitotinsAPINPDnnP同理，可以得到同理，可以得到APD光接收机在判决光接收机在判决点上的信噪比表达式为：点上的信噪比表达式为：to

16、toNSSNRAAPDnnP根据通信系统理论，二进制数字传输根据通信系统理论，二进制数字传输系统的误码率可以表示为：系统的误码率可以表示为： diippdiippBERDD0001010式中：式中：p(0)和和p(1)分别表示二进制数字分别表示二进制数字码流中码流中“0”、“1”出现的概率；出现的概率；p0(i)和和p1(i)分别表示分别表示“0”、“1”码的概率密度码的概率密度函数；函数；i表示信号电流的瞬时值；表示信号电流的瞬时值；D0是是p0(i)和和p1(i)相等时对应的信号电流。相等时对应的信号电流。利用数值计算技术求得误码率的方法利用数值计算技术求得误码率的方法非常费时，而且不能对

17、光接收机的设计提非常费时，而且不能对光接收机的设计提供多少帮助。所以，为了简化计算，一般供多少帮助。所以，为了简化计算，一般均将概率密度函数近似成高斯函数来进行均将概率密度函数近似成高斯函数来进行相应的分析。于是，误码率又可表示成：相应的分析。于是，误码率又可表示成：dxxBERQ2exp212式中式中Q可以表示为：可以表示为：000totopNIDQ101totopNDI光接收机的灵敏度极限也称为理想光光接收机的灵敏度极限也称为理想光接收机的灵敏度。由于这种光接收机完全接收机的灵敏度。由于这种光接收机完全是理想的：光电检测器暗电流为零，放大是理想的：光电检测器暗电流为零，放大器无噪声，系统的

18、带宽无限大。器无噪声，系统的带宽无限大。当码流中当码流中“0”、“1”等概时，系统等概时，系统的误码率就等于的误码率就等于“1”码发生差错概率的一码发生差错概率的一半，即半，即式中：式中：n表示一个码元的平均光子数。表示一个码元的平均光子数。nBERexp21根据式根据式(6-23)，可以得到如下公式：，可以得到如下公式：在这里不考虑暗电流和光源直流光影响在这里不考虑暗电流和光源直流光影响(Iop0=0)，并且有，并且有Iop1可以表示为：可以表示为：QNNIItottotopop1001式中：式中：M为为APD的倍增因子的倍增因子(对对PINPD，M=1)；P1为为“1”码时的光功率；码时的光功率；A为放大为放大器的放大倍数。器的放大倍数。AMPIop11在光纤通信系统中，光接收机接收到在光纤通信系统中，光接收机接收到的光信号波形是被光纤线路展宽了的信号的光信号波形是被光纤线路展宽了的信号波形，这种波形将会存在码间干扰。波形，这种波形将会存在码间干扰。为了减少码间干扰的影响，必须对接为了减少码间干扰的影响，必须对接收的信号波形进行滤波均衡，变成没