光探测和光接收机

光探测和光接收机第一页，共五十一页，2022年，8月28日本章内容对光检测器的基本要求PN结光电检测原理PIN光电二极管APD雪崩光电二极管MSM光电探测器单行载流子光电探测器波导光电探测器数字光接收机第二页，共五十一页，2022年，8月28日对光检测器的基本要求1.在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光检测器能输出尽可能大的光电流。2.波长响应要和光纤的三个低损耗窗口兼容。3.有足够高的响应速度和足够的工作带宽。4.产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。5.光电转换线性好，保真度高。6.工作性能稳定，可靠性高，寿命长。7.功耗和体积小，使用简便。第三页，共五十一页，2022年，8月28日光纤通信常用的光电检测器半导体材料PIN光电二极管APD雪崩光电二极管第四页，共五十一页，2022年，8月28日PN结光电检测原理第五页，共五十一页，2022年，8月28日耗尽区：由于扩散电流和漂移电流方向相反，在平衡状态下两种电流相等，使得总电场为零，等效于空间电荷区的电阻阻值很大，载流子数目很少，称其为耗尽区。电子和空穴的扩散运动PN结界面内部电场漂移运动耗尽区、扩散区如果光子的能量大于或等于带隙(hf≥Eg)当入射光作用在PN结时发生受激吸收、光生载流子

在耗尽层形成漂移电流。内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动半导体材料的光电效应？第六页，共五十一页，2022年，8月28日PN结光电二极管结构第七页，共五十一页，2022年，8月28日PN结光电二极管工作原理当PN结加上反向电压后，在入射光的作用下，由于受激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，在闭合外电路中形成光生电流的器件。当入射光功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。加反向电压？入射光？光生载流子？光生电流？第八页，共五十一页，2022年，8月28日镀抗反射膜以减少反射光强度反射光的相位差？反射光的幅度？厚度？折射率？第九页，共五十一页，2022年，8月28日光电二极管的特性1.响应度R2.量子效率η第十页，共五十一页，2022年，8月28日3.截止波长λc4.响应速度

光生载流子的漂移时间、扩散时间、RC时间常数第十一页，共五十一页，2022年，8月28日常用半导体材料的禁带宽度与截止波长第十二页，共五十一页，2022年，8月28日PN结光电二极管的缺点耗尽区窄结电容或耗尽区电容较大响应速度慢光电转换效率低

第十三页，共五十一页，2022年，8月28日PIN光电二极管在P和N层之间加入了一个I层，作为耗尽层。I层的宽度较宽，约有（5~50）m，吸收系数很小，易进入材料内部吸收绝大多数光子，使光生电流增加。第十四页，共五十一页，2022年，8月28日PIN光电二极管工作原理当PN结加上反向电压后，入射光主要在耗尽区被吸收，在耗尽区产生光生载流子(电子--空穴对)。在耗尽区电场作用下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，产生光生电动势。在远离PN结的地方，因没有电场的作用，电子空穴作扩散运动，产生扩散电流。因I层宽，又加了反偏压，空间电荷区（耗尽层）加宽，绝大多数光生载流子在耗尽层内进行高效、高速漂移，产生漂移电流。这个漂移电流远远大于扩散电流，所以PIN光电二极管的灵敏度高。在回路的负载上出现电流，就将光信号转变为了电信号。第十五页，共五十一页，2022年，8月28日PIN光电二极管的波长响应曲线第十六页，共五十一页，2022年，8月28日几种半导体材料的吸收系数随波长的变化

第十七页，共五十一页，2022年，8月28日PIN输出电流和反向偏压的关系击穿电压第十八页，共五十一页，2022年，8月28日APD雪崩光电二极管第十九页，共五十一页，2022年，8月28日APD光电二极管的工作原理APD的光敏面被光子照射之后，光子被吸收而产生电子-空穴对。这些电子-空穴对经过高电场区之后，初始电子(一次电子)在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶体原子相碰撞，使晶体原子电离，产生新的电子-空穴对，这个过程称为碰撞电离。碰撞电离所产生的电子称为二次电子-空穴对，这些电子-空穴对在高速电场运动时又被加速，又可能碰撞电离其他原子，如此多次碰撞，产生连锁反应，使载流子数量迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪崩倍增效果。第二十页，共五十一页，2022年，8月28日平均雪崩增益MM与电子和空穴的电离率有关，随半导体材料的不同而不同，同时随高电场区强度的增大而增大。第二十一页，共五十一页，2022年，8月28日APD增益与偏压及温度的关系第二十二页，共五十一页，2022年，8月28日本征响应带宽（频域角度）载流子在电场区的渡越时间上升时间τtr定义：输入阶跃光功率时，探测器输出光电流最大值的10%到90%所需的时间。第二十三页，共五十一页，2022年，8月28日APD的本征响应带宽τe为等效渡越时间，它与空穴和电子的电离系数比值有关。第二十四页，共五十一页，2022年，8月28日光电二极管的实际响应带宽第二十五页，共五十一页，2022年，8月28日APD波长响应曲线Si半导体材料的空穴和电子的碰撞电离系数比值为0.22第二十六页，共五十一页，2022年，8月28日三种探测器产品的典型参数P183表第二十七页，共五十一页，2022年，8月28日MSM光电探测器

（MSM,Metal-Semiconductor-Metal）优点：结电容小，带宽大，制造容易缺点：响应度低光电转换原理相同第二十八页，共五十一页，2022年，8月28日单行载流子探测器(UTC-PD)在PIN光电二极管中，对光电流作出贡献的包括电子和空穴两种载流子。只有电子充当载流子，空穴不参与导电，电子的迁移率远高于空穴，因而其载流子渡越时间比PIN的小。第二十九页，共五十一页，2022年，8月28日第三十页，共五十一页，2022年，8月28日第三十一页，共五十一页，2022年，8月28日波导光电探测器（WG-PD）边入射光电探测器面入射光电探测器PIN的响应速度受到PN结RC数值、I吸收层厚度和载流子渡越时间等的限制。可解除量子效率与响应速度之间的制约关系第三十二页，共五十一页，2022年，8月28日分支波导探测器(TaperedWG-PD)第三十三页，共五十一页，2022年，8月28日边入射平面折射波导RFUTC-PD第三十四页，共五十一页，2022年，8月28日数字光接收机第三十五页，共五十一页，2022年，8月28日光电转换和前置放大器（光接收机的核心）前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用第三十六页，共五十一页，2022年，8月28日光接收机前置放大器等效电路第三十七页，共五十一页，2022年，8月28日线性放大第三十八页，共五十一页，2022年，8月28日柰奎斯特脉冲响应和升余弦均衡滤波器输出响应第三十九页，共五十一页，2022年，8月28日数据恢复第四十页，共五十一页，2022年，8月28日选取最佳的判决时间第四十一页，共五十一页，2022年，8月28日眼图分析法第四十二页，共五十一页，2022年，8月28日光接收机的主要性能指标1.噪声机理2.信噪比3.误码率4.接收灵敏度5.动态范围第四十三页，共五十一页，2022年，8月28日光接收机噪声一部分是外部电磁干扰产生的，这部分噪声的危害可通过屏蔽或滤波加以消除。另一部分是内部产生的，这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。其主要来源是光检测器的噪声和前置放大器的噪声。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。第四十四页，共五十一页，2022年，8月28日内部噪声暗电流噪声---无光照时产生散粒噪声热噪声第四十五页，共五十一页，2022年，8月28日总的均方噪声电流第四十六页，共五十一页，2022年，8月28日光接收机信噪比SNR第四十七页，共五十一页，2022年，8月28日误码率BER通常数字光接收机要求BER≤1