光纤通信第4.1节

第四章

光检测器与光放大器【知识要点】通信用光有源器件主要包括光源、光检测器、光放大器和光波长转换器等。光源是光发射机的主要器件，主要功能是实现信号的电—光转换；光检测器位于光接收机内，主要功能是实现信号的光—电转换；光放大器主要是对光信号直接进行放大，无需通过光—电—光转换过程，解决长距离传输时光功率不足的问题。本章重点介绍光检测器和光放大器的类型、应用时如何选择等。4.1光电检测器的工作机理与类型

4.1.1光敏二极管

4.1.2PIN光敏二极管

4.1.3雪崩光敏二极管

4.1.4光电二极管一般性能和应用

4.1.1光敏二极管

如图4.1所示，光敏二极管（PD）由半导体PN结组成，结上加反向偏压。当有光照射时，若光子能量（hf）大于或等于半导体禁带宽度（Eg），则占据低能级（价带）的电子吸收光子能量而跃迁到较高能级（导带），在耗尽区里产生许多电子空穴对，称为光生载流子。PN图4.1PD工作原理耗尽区吸收区这些光生载流子受到结区内电场（自建场）的作用，电子漂移到N区，空穴漂移到P区，于是P区就有过剩的空穴积累，N区则有过剩的电子积累，也就是在PN结两边产生了一个发光电动势，即光生伏特效应。如果把外电路接通，就会有光生电流Is流过负载。入射到PN结的光越强，光生电动势越大。如果将被调光信号照射到该连接了外电路的光敏二极管的PN结上，它就会将被调制的光信号还原成带有原信息的电信号。这种光敏二极管由于响应速度低，不适用于光纤通信系统4.1.2PIN光敏二极管

PIN光敏二极管是在光敏二极管的基础上制成的。用半导体本征材料（如：Si或InGaAs）作本体，分别在两侧掺杂而形成P区和N区，本征材料夹在中间，称为I区。工作原理在反向偏置电压下，形成较宽的耗尽区，当被光照射时，在P区和N区产生空穴和电子，载流子在耗尽层区内进行高效率，高速度的漂移和扩散所形成光生电流。特性PIINN光电转换效率用量子效率或响应度R①量子效率（微观）定义：一次光生电子—空穴对和入射光子数的比值

==

②响应度R定义：一次光生电流和入射光功率的比值R==式中hf为光子能量，e为电子电荷。4.1.3雪崩光敏二极管在很强方向电场(反向电压数十伏或数百伏)作用下，电子以极快的速度通过PN结。在行进途中碰撞半导体晶格上的原子离化而产生的电子、空穴，即所谓二次电子和空穴，而且这种现象不断连锁反应，使结区内电流急剧倍增放大，产生“雪崩”现象。

负载入射光PNNI

E电场耗尽区图4.3APD工作原理负载

入射光PNNNI

E电场耗尽区图4.3APD工作原理③光敏二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时间或截止频率表示。PIN光敏二极管脉冲响应时间或截止频率特性主要由光生载流子在耗尽层的渡越时间和包括光敏二极管在内的检测电路RC常数所确定。

=式中为光敏二极管的串联电阻和负载电阻的总和；为结电容和管壳分布电容的总和。

=式中为材料介电常数；A为结面积；w为耗尽层宽度。④噪声噪声直接影响光接收机的接收灵敏度。噪声包括由信号电流暗电流产生的散粒噪声和有负载电阻与后继放大器输入电阻产生的热噪声。暗电流是没有光入射时流过光检测器的电流，它是由PN结的热激发产生的电子-空穴对形成的。暗电流的均方值为<>=2eIdB加上信号电流的散粒噪声，总的均方散粒噪声为<>=2e(Ip+Id)B均方热噪声为<>=总均方噪声电流为<>=2e(Ip+Id)B+雪崩光敏二极管（APD）使用时，需要数十以至数百伏的高反向电压。雪崩电压对环境温度变化比较敏感，使用有点不方便。但由于有内部电流放大作用，可以提高接收机灵敏度，因此广泛用于中、长距离的光纤通信系统。在光纤通信的短波场区（0.8~0.9um）雪崩光敏二极管用Si作本体，称Si—APD。在长波场区（1.0~1.65um）用Ge或用InGaAs作本体，分别称为Ge—APD和InGaAs／InP—APDAPD特性参数响应度、光谱响应、响应时间和频率特性、噪声（定义与PIN同）倍增因子g定义为APD输出光电流Io和一次光生电流Ip的比值g随反向偏压、波长和温度变化U为反向偏压，UB为击穿电压，n为与材料特性和入射光波长有关的常数，R为体电阻。过剩噪声因子在APD中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外的倍增噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子F来表征这种倍增噪声。

x:附加噪声指数均方噪声电流:4.1.4光电二极管一般性能和应用性能（表4.3、表4.4）应用在短距离的应用中，工作在850nm的Si器件对于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。在长距离的链路常常需要工作在1330nm和1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。APD检测器与PIN检测器相比，具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。InGaAs-APD（响应速度快）适于超高速光纤通信系统-5~-15-5~-15工作电压/V1~20.5~1结电容Cj/pF0.2~12~10响应时间2~50.1~1暗电流Id/nA0.6(1.3)0.4(0.85)响应度1.0~1.60.4~1.0波长响应InGaAs-PINSi-PIN表4.3PIN光电二极管一般特性0.5~0.70.3~0.4附加噪声指数x20~3030~100倍增因子g40~6050~100工作电压/V<0