光纤通信-ch6 光电检测器与光接受机

第六章光电检测器与光接受机光电检测器：用于光信号的检测或探测。通常置于通信系统的接受端或传输光纤的末端。光电监测器＋控制电路→光接收机6.1光电检测器6.1.1PIN光电二极管PN结光电效应：光→电流光电监测器原理：直接测量光电效应产生的电流，再通过计算得到光的强度。PN结光电效应NPLight_+----++++----多数载流子：受到PN结势垒阻挡不形成电流少数载流子：形成漂移（暗）电流，但很小光——PN结区受激吸收——光生电子空穴对强PN结反向电场：电子N，空穴P，形成光电流反向偏置：反向暗电流很小光照时电流主要为光生电流++++光电二极管：将光信号变成电信号的半导体器件。核心：PN结比较于普通二极管：结构：PN结面积大--入射光照射面积大，电极面积小+PN结的结深很浅（一般小于1微米）注意：光电二极管--反向电压下工作。没有光照时，也有反向电流--暗电流（小于0.1微安）。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。光电二极管Aschematicdiagramofareversebiasedpnjunctionphotodiode.Netspacechargeacrossthediodeinthedepletionregion.NdandNaarethedonorandacceptorconcentrationsinthepandnsides.Thefieldinthedepletionregion.p+SiO2Electrodernet-eNaeNdxxE(x)REmaxe-h+Iphhu

>EgWEnDepletionregion(a)(b)(c)AntireflectioncoatingVrElectrodeVout光电效应方程禁带宽度入射光能量电子动能工作波长截止波长：最大波长短波长极限：半导体材料对光的吸收

光电二极管除了有上截止波长外，还有下截止波长。当入射光波长太短时，光电转换效率也会大大下降，这是因为材料对光的吸收系数是波长的函数（下页图）。当入射波长很短时，材料对光的吸收系数变得很大，结果使大量的入射光子在光电二极管的表面层里被吸收。因此，某种材料制作的光电二极管对光波长的响应有一定的范围。Si光电二极管的波长响应范围为0.5-1.0μm，适用于短波长波段;Ge和InGaAs光电二极管的波长响应范围为1.1-1.6μm，适应于长波长波段。1.61.8Wavelength(mm)In0.53Ga0.47AsGeSiIn0.7Ga0.3As0.64P0.36InPGaAsa-Si:H12341x1031x1041x1051x1061x1071x108Photonenergy(eV)Absorptioncoefficient(a)vs.wavelength(l)forvarioussemiconductorsa(m-1)1.0短波长极限半导体材料对光的吸收（a）代表符号；（b）等效电路；（c）特性曲线。检测电流电脉冲扩散t光功率光脉冲t时间响应前沿滞后载流子在耗尽区的渡越时间后沿拖尾耗尽区外载流子的扩散增加耗尽区宽度，缩短P、N区宽度，使大部分光功率在耗尽区吸收，可降低扩散的影响，提高后沿响应速度。考虑PIN结构。PIN结pin结：薄的重掺杂n区+接近于本征n区（i区）+重掺杂p区

P＋区和轻掺杂n区（i区）之间形成pn结，并在n区形成空间电荷区，其中的电场是变化的（如图）。

入射光在i区被吸收，产生被电场分开的电子－空穴对。优点：pn结电场范围扩大，收集更多的光生载流子。

反向偏压加速电子和空穴迁移，减少复合。半导体光电二极管的受光表面一般为器件的P型外延层表面或N型衬底表面。PIN-+Eg1Eg2入射光频率满足：P、N区对入射光完全透明受激吸收作用全部发生在I区大大提高光电转换效率和响应速度双异质PIN结通常反向偏压主要是加在PN结的结区附近的耗尽层里，光电二极管的体内往往存在着一个零电场区域。在零电场区域里产生的电子一空穴对不能有效地转换成光电流，从而使光电转换效率降低。

因此，应使光电二极管的体内少产生或不产生电子一空穴对。双异质PIN结结构的P区和N区选用禁带宽度大的半导体材料，并使入射光的能量（频率）满足关系，就可使光生电子一空穴对仅仅在I区产生，提高光电转换效率，并有效改善光电转换的时间响应。双异质PIN结几种高速PINPD的结构

InGaAsPIN带尾纤光电二极管

6.1.2雪崩光电二极管(AvalanchePhotodetector-APD)雪崩效应原理:

增加PN结上反向偏压，耗尽层内的电场强度增加。当反向偏压增加到一定值时，进入耗尽层的光生载流子被电场加速而获得足够大的动能，当其与晶格碰撞时使价带中的电子激发到导带而产生新的电子-空穴对。这些电子-空穴对又被电场加速而获得足够大的动能，又可产生新的电子-空穴对。依次类推，耗尽层内的载流子数目剧增，发生雪崩效应，反向结电流倍增。利用光生载流子雪崩效应工作的PN结光电二极管就是APD。Apictorialviewofimpactionizationprocessesreleasingelectron－holepairs(EHPs)andtheresultingavalanchemultiplication.Impactofanenergeticconductionelectronwithcrystalvibrationstransferstheelectron'skineticenergytoavalenceelectronandtherebyexcitesittotheconductionband.h+Ep+n+pe-Avalancheregion(a)e-h+EcEv(b)EAvalanchemultiplicationprocess碰撞电离所需最小电场高电场区雪崩区电场强度位置APD：Reach-through拉通型N+PIP++-光由P+区进入器件，光子被接近本征I区（p区）材料吸收，I区起光生载流子的收集作用。从而在I区产生电子-空穴对，I区的电场使这些电子-空穴对分开。光生电子经过I区漂移到高电场的PN+结区，使载流子碰撞而倍增。N+PIP++-Aschematicillustrationofthestructureofanavalanchephotodiode(APD)biasedforavalanchegain.Thenetspacechargedensityacrossthephotodiode.Thefieldacrossthediodeandtheidentificationofabsorptionandmultiplicationregions.p+SiO2ElectrodernetxxE(x)REhu>EgpIphe-h+AbsorptionregionAvalancheregion(a)(b)(c)Electroden+SiO2GuardringElectrodeAntireflectioncoatingnnn+p+pSubstrateElectroden+p+pSubstrateElectrodeAvalanchebreakdown(a)(b)ASiAPDstructurewithoutaguardring.AschematicillustrationofthestructureofamorepracticalSiAPD几种高速工作的APD结构6.2光电检测器的特性指标6.2.1光电监测器的工作特性1.

响应度-反映光电效应的效率ρ＝

平均输出电流流

入射的平均光功率

＝Ip为光生电流的平均值（A）；P为平均入射光功率（W）。

2.

量子效率–以量子形式反映光电效应的效率η＝

通过结区的光生载流子数

入射到器件上的光子数

＝3.

响应速度－即光电转换速度，也即当光照射在二极管上（了解）产生一定大小的电流所需的时间（对脉冲光信号上升沿的响应）。

从光入射到光敏面到发生受激吸收的时间；

零场区光生载流子的扩散时间；有场区光生载流子的漂移时间；雪崩倍增建立时间（对APD）；

RC时间常数。

光电二极管的暗电流是指没有光入射时流过检测器的偏置电路的电流，它是体暗电流和表面暗电流之和。

体暗电流：光电二极管pn结区热产生的电子和空穴形成的电流。即一般所说pn结的反向电流。对于APD，热产生的载流子同样会得到pn结区高电场的加速，并因雪崩效应而产生倍增。

表面暗电流：表面漏电流，是由表面缺陷、清洁程度、偏置电压大小和表面积大小等因素决定的。

注意：雪崩倍增是一种体效应，表面电流并不受雪崩增益的影响。4.

暗电流5.

APD的倍增因子(了解)平均倍增因子：为APD倍增后的光生电流；：未曾倍增时的原始光生电流；：无倍增时和倍增时的总电流；：无倍增时和倍增时的暗电流。最佳倍增因子：系统具有最大信噪比时的最佳取值。6.3光接收机6.3.1光解调原理光解调或光检测方式：非相干检测方式和相干检测方式。非相干检测方式：即直接检测方式，是通过光电二极管直接

将接受的光信号恢复成基本调制信号的过程。也即通过光电检测器和低通滤波器组成一个包络检测器，将光载波包络（即基本调制信号的强度部分）恢复出来。相干检测方式：目的：提高光电检测器的灵敏度。像无线电收音机一样，将接受的光信号与一个光本地振荡器产生的信号进行光混频之后，再被光电检测器变换成一定要求的电信号。一定范围内，只要增加本地振荡器输出的光功率，就可提高光电检测器接受的光信号功率。外差检测方式；零差检测方式；相位合成检测方式；偏振合成检测方式等。用于超长中继距离的系统（海底光缆）PIN不能使原信号光电流发生倍增具有好的光电转换线性度不需要高的工作电压响应速度快PIN与APD的选择：APD能够使原信号光电流发生倍增提高接收机灵敏度需要较高的偏置电压需要温度补偿电路从简化接收机电路考虑，一般情况下多采用PIN光电二极管。6.3.2光接受器的构成与指标

图：数字光接收机方框图

光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号1.光接收机构成前端线性通道时钟提取数据再生放大器：两级放大。前置放大器：低噪声放大器。因输入信号微弱，其噪声对光接收机的灵敏度和输出信噪比影响很大。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。

（1）多级放大器，提供足够的增益

（2）通过它实现自动增益控制(AGC)，使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。光接收机动态范围：由主放大器和AGC决定。

均衡和再生:均衡的目的：•对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿•

使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，以消除码间干扰，减小误码率。再生器的作用：将接受的信号恢复成标准数字信号。

再生电路包括：判决电路和时钟提取电路。

光接收机的前端前端：由光电二极管和前置放大器组成作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为光生电流， 然后进行预放大(电流信号到电压信号的转换)，以便 后级作进一步处理。前端是光接收机的核心要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽光检测器的选择：视具体应用场合而定。A. pin光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工作电压，响应速度快。B. APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，一般来说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。从简化接收机电路考虑，一般喜欢采用pin光电二极管。EDFA+pin同样可以带来高灵敏度。前置放大器： 保持探测的电信号不失真地放大并保证噪声最小，一般采用场效应晶体管(FET)。器件的选择光接收机的线性通道对主放输出的失真数字脉冲进行整形和补偿，使之成为有利于判决的码间干扰最小的升余弦波形根据输入信号(平均值)大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收机的动态范围。提供高的增益，放大到适合于判决电路的电平判决再生与时钟提取任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号为确定是‘1’或是‘0’，需要对某时隙的码元作出判决。若判决结果为‘1’，则由再生电路产生一个矩形‘1’脉冲；若判决结果为‘0’，则由再生电路重新输入一个‘0’。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通过光数据链路的信号路径光电集成接收机（参考）：

光接收机方框图中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片上。为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收机，即用“光电集成电路(OEIC)技术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。

WidebandWaveguidePhotodiode

for40Gb/sSystems（HEMT高电子迁移率晶体管）

MonolithicReceiverOEICModule

for40Gb/sSystems(OEIC－光电集成器件)BERofReceiverOEICEyeDiagram@50Gb/s2.光接收机指标灵敏度：在一定的误码率和信噪比条件下，光接收机可接受的

最小平均光功率。动态范围：在一定的误码率和信噪比条件下，光接收机允许的光信号平均光功率的变化范围。信噪比条件：6.4光接收机的噪声（p.115以及p.119)6.4.1光接收机噪声源光接收机总噪声Ntot＝光检测器噪声＋放大器噪声图：光接收机的噪声等效模型光检测器噪声：量子噪声、pn结体材料引起的暗电流噪声

(darkcurrentnoise)和表面暗(漏)电流噪声

〈iq2〉光检测器的量子噪声

功率谱密度为Sq

〈id2〉暗电流噪声产生的均方噪声电流----

体+表面暗电流功率谱密度Sdip光检测器的输出光生电流

R

光检测器的偏置电阻和前置放大器输入等效电阻的并联电阻

C光检测器的电容(结电容和其他电容)

放大器分解为:

理想放大器:相应的功率谱密度

SI

等效噪声电流源〈i02〉:

相应的功率谱密度

SE

电压源〈u02〉

Rin放大器的输入电阻

带宽B内，量子噪声均方根电流和光电流Ip平均值成正比：e：电子电荷，B：噪声带宽，