光纤通信与光网络05-光接收机

光纤通信与光网络光接收机2光源调制器驱动电路放大器

光纤通信与光网络·

第五讲

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郝然光电二

极管光纤光纤中继器

判决器

光接收机光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号。光纤通信与光网络·

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郝然3❖

光接收机简介❖

光电检测器❖

接收机噪声分析❖

光接收机灵敏度的计算❖

光接收机的组成模块4

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郝然光接收机的分类❖

光接收机分为直接检测接收机和相干检测接收机❖

直接检测适合较低速率（<40Gbit/s)，原理简单，成本低，但只检测光强度，

频带利用率低❖

相干检测可以检测光信号的相位信息，具有频率利用率高、接收灵敏度高和

中继距离长等优点，但是实现起来比较复杂。❖

相干检测需要本振激光器，且本振激光器与信号光之间的相位，偏振和频率

具有相干性Sr

10lg10

-3

Pmax

在工程上常用dBm来表示，即3）接收机的最低输出光功率（用dBm来描述）和最大允许输入光功率（用dBmPmax和Pmin为保证系统误码率指标条件下，接收机允许的最大接收光功率和最小接收光功率

5

Pmin

10

(dB)来描述）之差（dB）就是光接收的动态范围

D

10lg

Pmin

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郝然

光接收机的性能指标光接收机主要的性能指标是误码率（BER）、灵敏度以及动态范围1）误码率是码元被错误判决的概率，可以用在一定的时间间隔内，发生差错的码元数和在这个时间间隔内传输的总码元数之比来表示2）接收机灵敏度：在满足给定误码率指标条件下，最低接收的平均光功率Pmin。

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郝然光接收机的组成直接检测光接收机分为模拟光接收机和数字光接收机两种数字光接收机分为光电检测器、前置放大器、主放大器、AGC电路、均衡器、判决再生和时钟提取七个部分光接收机也可以分为三部分：①光检测器和前置放大器合起来称为接收机前端，是光接收机的核心；②主放大器、均衡滤波器和自动增益控制组成光接收机的线性通道；③判决器、译码器和时钟恢复组成光接收机的判决、再生部分数字光接收机框图

67

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郝然光电检测器光纤通信中对光电检测器最重要的几点要求如下：

在所用光源的波长范围内有较高的响应度；

较小的噪声；

响应速度快；

对温度变化不敏感；

与光纤尺寸匹配；

工作寿命长转换效率、响应速度和响应波长是光电检测器的主要指标。光纤通信与光网络·

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郝然8光检测器光纤通信与光网络·

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郝然➢什么是光电探测器➢光电探测器的原理➢光电探测器的材料➢光电探测器的性能参数➢光电探测器的分类

9光纤通信与光网络·

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郝然10光电探测器：将微弱光能转化为电能的器件。光能

电能光纤通信与光网络·

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郝然11Photovoltaic

Effect光电（伏）效应爱因斯坦本人是因为研究光电效应现象并从理论上对其做出了正确的量子解释而获得诺贝尔物理学奖.光探测的工作原理是基于光辐射与材料相互作用所产生的光电效应来实现的光纤通信与光网络·

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郝然12光照射在金属表面观察到有电子逸出！！光电效应➢

光以量子化的光子的形式存在➢

每个光子具有能量E=hv➢

固体吸收能量为E=hv之后放出相等能量的电子P区N区P-N结

13

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郝然Question1：如何激励出光生载电子？

回忆半导体激光器：PN结注入电流-》光子14

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郝然光电探测器（简称PD）是一种将光能转换为电能的半导体器件。

此电能来自PN结！P型掺杂N型掺杂P区N区P-N结

15

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郝然Question2：如何收集逸出的电子流？

提供电子流通的最佳场所：PN结16

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郝然

光电探测器原理1.

光电效应产生电流

光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带

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，即光电子-空穴对，称作光生载流子。2.

PN结导通电流光生载流子在外加负偏压（P接负，N接正）和内建电场的作用下，在外电路中出现光电流，从而在电阻R上有信号电压输出。这样就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用。171、电子的能量量子化

a2、电子运动有隧道效应

原子的外层电子(高能

级),

势垒穿透概率较大,

电子可以在整个固体中

运动,

价电子不再为单个

原子所有,

而为整个晶体

所共有称为共有化电子原子的内层电子与原子核结合较紧,一般不是共有化电子

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郝然共有化电子

解定态薛定谔方程，可以得出两点重要结论：18

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郝然

能带的形成

量子力学计算表明，固体中若有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级，变成了N条靠得很近的能级，称为能带19

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郝然有关能带被占据情况的几个名词1、满带各能级均被电子填满2、价带

能带中能级没有被电子全部填满

无导电作用3、空带(导带)各能级均无电子填充4、禁带相邻能带之间不存在电子稳定能态的能量区间

无导电作用E重半禁带ΔEg=0.1~2eV绝

禁带ΔEg=3~6eV缘体光纤通信与光网络·

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郝然20固体按导电性能的高低可以分为：半导体绝缘体导带(空带)

满带导体

E

导带导体

满带

叠导

体

其共有化电子很易从

低能级跃迁到高能级

上去，造成多个能级

未被电子占满，这些

能级上的电子均可参与导电E

导带(空带)

满带

是因为满带与空带之

间有一个较宽的禁带

，共有化电子很难从

低能级(满带)跃迁到高能级(空带)上去21

半导体能带结构：满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄绝缘体半导体导体绝缘体与半导体的击穿：

当外电场非常强时，共有化电子越过禁带跃迁到

空带中形成载流子

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郝然导带(空带)

禁带ΔEg=0.1~2eV

满带光纤通信与光网络·

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郝然一、本征半导体

—

纯净的半导体

两个概念：

1、电子导电……载流子是电子

2、空穴导电……载流子是空穴

满带上的一个电子跃迁到空带后，满带中出现一个空位称空穴

22§14-3半导体光纤通信与光网络·

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郝然23

➢

每个原子周围有四个相邻的原

子

➢

原子之间通过共价键紧密结合

在一起。

➢

原子最外层的价电子不仅围绕

…

➢

两个相邻原子共用一对电子24

24

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郝然

本征半导体（纯净的半导体晶体）硅的晶体结构电子硅光纤通信与光网络·

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郝然

自由电子和空穴✓

室温下由于热运动少数价

电子挣脱共价键的束缚成

为自由电子，同时在共价

键中留下一个空位这个空

位称为“空穴”。✓

失去价电子的原子成为正

离子，就好象空穴带正电

荷一样。

在电子技术中,将空穴看

成带正电荷的载流子。

25电子硅空穴光纤通信与光网络·

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郝然磷原子的五个价电子有四个形成共价键，多出的一个电子不受束缚,室温下很容易成为自由电子。每个磷原子都提供一个自由电子，自由电子数目大大增加，远远超过空穴数。这种半导体主要依靠电子导电，称为电子型或N型半导体。

26

N型和P型半导体N型半导体，在硅晶体中掺入磷

电子硅磷光纤通信与光网络·

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郝然27P型半导体，在硅晶体中掺入硼硼原子与相邻的四个硅原子由于缺少一个价电子而产生一个空位，这个空位很容易被邻近共价键中的价电子填补。每个硼原子都产生一个空穴，空穴数目大大增加，远远超过自由电子数。这种半导体主要依靠空穴导电，称为空穴型或P型半导体27电子硅硼多数载流子：电子空穴

掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量

越多。

少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决

定于温度。

28N型半导体

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郝然P型半导体光纤通信与光网络·

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郝然29将P型半导体和N型半导体放在一起P区N区外电场空穴为多子电子为多子

当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合时，由于交界面处存在的正负电荷载流

子浓度差，于是电子（负电荷粒子）和空穴（正电荷离子）都会从高浓

度区域向低浓度区域扩散。

电子（负电荷粒子）与空穴（正电荷离子）都是带电的，其扩散的结果

就导致了Ｐ区和Ｎ区原来的电中性被破坏。这样，Ｐ区一侧失去空穴剩

下不能移动的负离子，Ｎ区一侧失去电子而留下不能移动的正离子。这

些不能移动的带电粒子就是空间电荷。在空间电荷集中在Ｐ区和Ｎ区交

界面附近，形成了一很薄的空间电荷区，就是P-N结

。

30

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郝然多子扩散运动形成空间电荷区P区N区P-N结如上图，在P区一侧为负电荷，N区为正电荷，便出现

了由N到P的电场。这个电场是正负电荷载流子扩散

运动形成的，而不是外加电压形成的，这便是内电

场。由于内电场的存在，使得P-N结处于动态平衡

状态。

31P区N区P-N结

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郝然内电场EIN阻止多子扩散，促使少子漂移

内电场光纤通信与光网络·

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郝然3232多子

扩散少子

漂移阻止空间电荷区变窄

内电场EIN削弱

空间电荷区加宽

促使

内电场EIN增强扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结

PN结中同时存在多子的扩散运动和少子的漂移运动

，达到动态平衡时，扩散运动产生的扩散电流和漂

移运动产生的漂移互相抵消，PN结中总的电流为零

。光纤通信与光网络·

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郝然

P型硅

后向电极Question1：如何激励出光生载电子？

33

前向电极防反射层

N型硅光纤通信与光网络·

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郝然34光纤通信与光网络·

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郝然35光纤通信与光网络·

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郝然36光纤通信与光网络·

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郝然37光纤通信与光网络·

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郝然38光纤通信与光网络·

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郝然39光纤通信与光网络·

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郝然40在内建电场作用下，完成了光生载流子过程！！回答了问题一但是，更为重要的是，不断产生的光生载流子如何收集和存放，以保证不会减少？Question2：如何收集逸出的电子流？Question1：如何激励出光生载电子？P区N区外电场空穴为多子电子为多子

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郝然回忆…

将P型半导体和N型半导体放在一起

正向P-N结

41回忆…P区N区P-N结

42

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郝然

反向内电场EIN阻止多子扩散，促使少子漂移

内电场光纤通信与光网络·

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郝然43如何施加电压？光纤通信与光网络·

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郝然

后向电极Question2：如何收集逸出的电子流？

44

前向电极防反射层

N型硅

P型硅

-++

-45

PInP

IInGaAs

NInP

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郝然PIN光电二极管

远离耗尽层处产生的电子-空穴对主要以扩散的方式运动，其复合不对外部

电流造成影响。因此降低了光检测器的效率。而且，扩散过程速度比漂移慢得

多，由电子-空穴对产生的扩散电流对入射光信号的强度变化响应速度慢，降

低光电二极管的频率响应。

为了改善光探测器的效率，在p型半导体和n型半导体之间引入轻度掺杂的本

征半导体，这样的光探测器称为PIN光电二极管。光纤通信与光网络·

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郝然46在P区和N区中间夹一层本征层I；常用掺杂浓度很小，高阻材料；常使I区宽度近似入射光透深度1/

，P区和N区很薄；差不多整个I区都是耗尽层；光生载流子大部分在耗尽层中产生，缩短了响应时间；工作区掺杂浓度低，在低偏压下，漏电流小、量子效率高、电容也小、响应速度快。用双异质结，使p型和n型区域对工作波长是透明的，光电流的扩散成分被完全消除，光探测器的效率提高。

PInP

IInGaAs

NInPPIN光电二极管≈光纤通信与光网络·

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郝然471）响应波长的上限光电效应必须满足条件c是真空中的光速，

是入射光的波长，h是普朗克常量入射光的波长必须小于某个临界值，才会发生光电效应，这个临界值就叫做上截止波长，定义为2）响应波长的下限入射光波长太短，光子的吸收系数很强，大量入射光子在PN结表面被吸收，中性区的电子—空穴对很容易被复合，光电转换效率低。光电二极管的波长响应（光谱特性）h

EghcEg

hc

1.24Eg

Eg

c

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郝然

e0h

I

p

1

r

p0

exp

w1

1

exp

w

η=I

p/

e0p0/

hν

1-r

exp

-αw1

1-exp

-αw

光电转换效率

常用量子效率和响应度衡量光电转换效率

当入射功率为P0时，光生电流可以表示为w1是零电场的表面层的厚度，w是耗尽区的厚度，

是材料的吸收系数量子效率表示入射光子能够转换成光电流的概率e0

是电子电荷，IP是光电流强度，P0是入射光功率❖量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱

48光纤通信与光网络·

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郝然外量子效率0

Ip

/eP

/h

通过结区的光生载流子数（光生电子-空穴对数）

入射到器件上的光子数Ip0

e

Ph

=内量子效率

产生的电子-空穴对数目入射到器件且被吸收的光字数内量子效率=外量子效率/（1−光反射率−光吸收率）

提高量子效率的办法

①

尽量减小光子在表面层的反射率r，增加入射到光电二极管中的光

子数；

②

尽量减小中性区的厚度，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区被充

分地吸收，而耗尽层厚，光生载流子漂移到加有反偏压的P-N结两端

的所需时间越长，漂移时间决定P-N结响应速率。因此必须折中。

49R

50I

p

p0(

A

/

W

)

e0

h

P0相应于平均每秒入射P0/h

个光子数，而入射光子中有

部分被吸收并在外电路中产生一个电子，所以典型值1.3

m

band,

1

A/W1.5

m

band,

1.2

A/W0I

pPR0

入射的平均光功率（A/W）

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郝然响应度❖光电转换效率也可以直接用光生电流Ip和入射光功率p0的比值来表示,称其为响应度

光电检测器的平均输出电流

R0

或51

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郝然响应度和量子效率都是描述器件光电转换能力的物理量

，但是他们分析的角度不同。响应度是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现的微观灵敏特性。外量子效率与响应度的关系：

h

e

eh

R0

1.24R0

将频率转换成波长，并带入普朗克常数及光在真空中的速度52（1应时间的因素主要有

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郝然响应时间

——半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信

号变化

快慢的状态。

影响响）从光入射光敏面到发生受激吸收的时间；

（2）零场区光生载流子的扩散时间；

（3）有场区光生载流子的漂移时间；

（4）雪崩倍增建立时间（仅对于APD）；

（5）RC时间常数。53

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郝然暗电流

在理想情况下，当没有光照射时，光电检测器应无光电流输出。

但是实际上由于热激励、宇宙射线后放射性物质的激励，在无光

的情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。

严格的说，暗电流还包括器件表面的漏电流。暗电流由体内暗

电流和表面暗电流组成。器件的暗电流越小越好。

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郝然雪崩光电二极管

从光电二级管的作用来说，在一定的信号光功率下，光生电流越大越好。前面

介绍的PIN光电二极管即便是在最大响应度下，一个光子也最多也只能产生一对

电子-空穴对，是一种无信号增益的器件。

为了获得更高的响应度，人们研制出了一种带有内部增益的探测器件雪崩光电二

极管。APD常用于接收弱光功率的场合。灵敏度高、响应速度快(可达1000GHz)

54

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郝然雪崩光电二极管

APD比PIN多了一层P型层。入射光进入有源区产生光生载流子电子-空穴对。如果在

APD上有一反向外加电压，使得在PN+结附近有一高电场存在，且高场区内承受了

所加偏压的大部分压降。产生的光生载流子在这一高场区中被加速，获得很高的能量

。如果耗尽区内场足够大，大到等于碰撞电离所需的最小场强，则在高反偏压作用下

高速运动中与晶格碰撞，发生雪崩倍增效应，使晶体中的电子电离，激发新的电子-

空穴对，新产生的电子空穴对在高场区中继续加速，碰撞别的原子，从而使势垒区中

载流子浓度倍增，形成极大的反向电流。INNP+金属层抗反射膜N+

金属层N+PI耗尽区WN电场雪崩区碰撞电离所需要最小场强保护环

P雪崩光电二极管的工作原理

55光纤通信与光网络·

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郝然56IM是雪崩增益后输出电流的平均值；Ip是未倍增时的初始光生电流❖光电二极管输出电流和反向偏压的关系❖当反向偏压增加到一定数值，光电流急剧增加，器件被击穿，击穿电压VBIM

IpG

APD的平均雪崩增益❖平均雪崩增益的定义为57

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郝然APD的结构❖光纤通信在0.85

m波段常用的APD有拉通型（RAPD）和保护环型（GAPD）两种58

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郝然另一种在长波长波段使用的APD的结构称为SAM

（Seperated

Absorption

andMultiplexing）结构光纤通信与光网络·

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郝然59数字光接收机框图光检测器与前置放大器均衡器光检测器与前置放大器判决器译码器自动增益控制时钟恢复主放大器光纤通信与光网络·

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郝然60接收机的前端

光检测器（或光电变换）的作用是把接收到的光信号转换成光电流。对光检测器的基本要求是高的光电转换效率、低的附加噪声和快速的响应。由于光检测器产生的光电流非常微弱，只有nA~μA的数量级，必须先经过前置放大器进行低噪声放大，当然这也无可避免的引起附加噪声。光检测器的前置放大器合起来叫做接收机的前端，其性能的优劣是决定接收机灵敏度的主要因素。对于前端要求：低噪声、高灵敏度和足够的带宽。光纤通信与光网络·

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郝然61线性通道

主放大器的任务是把前端输出的毫伏级的信号放大到后面信号处理所需要的电平。接收机的其余的电路是对信号进行进一步的处