光纤通信课件chap4.ppt

第四章 光检测器和光接收系统数字光接收机的功能是:把经光纤传输后幅度被衰减、波形被 展宽的微弱光信号转换为电信号，并放大处理，恢复为原始的 数字码流主要性能指标：灵敏度和动态范围 4.1 光接收机基本组成直接强度调制，采用直接检测方式的数字光接收机方框图示于图4.14 主要包括：光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、 时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路 图 4.14 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. 光检测器光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度对光检测器的要求如下： (1) 波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 μm、 1.31 μm和1.55 μm)兼容；(2) 响应度要高， 在一定的接收光功率下， 能产生最大的光电流； (3) 噪声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号； (4) 性能稳定， 可靠性高， 寿命长， 功耗和体积小 目前， 适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管 和雪崩光电二极管(APD)。

2. 放大器前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前放可供选择(参看4.2.2节)主放大器主放大器一般是多级放大器，它的作用是：（1）提供足够的增益 （2）并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主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围 3. 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 再生电路包括：判决电路和时钟提取电路 再生电路功能：从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原 发送的码流 4. 光电集成接收机图4.14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 不论是硅(Si)还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使集成电路的工作带宽超过2 GHz，甚至达到10 GHz 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。

对于工作在1.3~1.6 μm波长的系统，人们需要基于InP的OEIC接收机在1991年试验成功的单路InGaAs OEIC接收机，其运行速率达5 Gb/s InGaAs OEIC接收机也可以用混合法实现如图4.15所示， 电元件集成在GaAs基片上，而光检测器集成在InP基片上，两个部分通过接触片连接在一起 图 4.15 光电集成接收机 4.2 光检测器在耗尽层 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4.2.1 光电二极管工作原理光电二极管光电二极管(PD)(PD)把光信号转换为电信号的功能， 是由半 导体PN结的光电效应光电效应实现的 电子和空穴 的扩散运动PN结界面 内部电场 漂移运动 能带倾斜 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 发生受激吸收在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下， 形成和漂移电流相同方向的扩散电流。

漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流当与P 层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应 当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P 区同样，P区的空穴流向N区， 便形成了光生电流当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产 生的电子 - 空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件， 就是简单的光电二极管(PD) 如图3.19(b)所示，光电二极管通常要施加适当的反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从 而减小光生电流中的扩散分量由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度但是提高反向偏压，加宽耗尽层 ，又会增加载流子漂移的渡越时间， 使响应速度减慢为了解决这一矛盾， 就需要改进PN结光电二极管的结构 4.2.2 PIN 光电二极管PIN光电二极管的产生由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收， 因而光电转换效率低，响应速度慢为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。

PIN光电二极管的工作原理和结构见图3.20和图3.21中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用Π(N)表示；两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示I层很厚， 吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子 - 空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层， 因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度另外，可通过控制耗尽层的宽度ω，来改变器件的响应速度 图3. 21 PIN光电二极管结构式中， hf 为光子能量光子能量， e为电子电荷电子电荷 (3.13)(3.14)PIN光电二极管具有如下主要特性： (一) 量子效率和光谱特性 光电转换效率用量子效率η或响应度ρ表示量子效率 η的定义为一次光生电子 -空穴对和入射光子数的比值响应度的定义为一次光生电流IP和入射光功率P0的比值 式中，α(λ)和ω分别为I层的吸收系数和厚度由式(3.15)可 以看到，当α(λ)ω>>1时，η→1，所以为提高量子效率η，I层的 厚度ω要足够大 （1）量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。

假设器件表面反射率为零，P层和N层对量子效率的贡献 可以忽略， 在工作电压下，I层全部耗尽，那么PIN光电二极管的量子效率可以近似表示为(3.15)（2） 量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱α(λ)，对长波长的限制由式(3.6)确定，即λc= h c/Eg图3.22示出量子效率量子效率η η和响应度响应度ρ ρ的光谱特性，由图可见，Si 适用于0.8~0.9μm波段，Ge 和InGaAs 适用于1.3~1.6 μm波段响应度一般为0.5~0.6 (A/W) 图3-22 PIN光电二极管响应度 、量子效应率 与波长 的关系(二) 响应时间和频率特性光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时间τ或截止频率fc(带宽B)表示对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的时间，分别定义为脉冲上升时间τr和脉冲下降时间τf当光电二极管具有单一时间常数τ0时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函数exp(t/τ0)和exp(-t/τ0)，由此得到脉冲响应时间τ=τr=τf=2.2τ0 (3.16)对于幅度一定，频率为ω=2πf 的正弦调制信号，用光生电流I(ω)下降3dB的频率定义为截止频率截止频率f fc c。

当光电二极管具有单一时间常数τ0时， （3.17）PIN光电二极管响应时间或频率特性主要由光生载流子在耗尽层的渡越时间τd和包括光电二极管在内的检测电路RC常数所确定当调制频率ω与渡越时间τd的倒数可以相比时， 耗尽层(I层)对量子效率η(ω)的贡献可以表示为(3.18)由η(ω)/η(0)= 得到由渡越时间τd限制的截止频率（3.19）式中，渡越时间τd= ω/vs， ω为耗尽层宽度，vs为载流子渡越速度， 比例于电场强度由式(3.19)和式(3.18)可以看出， 减小耗尽层宽度ω，可以减小渡越时间τd，从而提高截止频率fc，但是同时要降低量子效率η图3.23 内量子效率和带宽的关系由电路RC时间常数限制的截止频率式中，Rt为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和，Cd为结电容Cj和管壳分布电容的总和 式中，ε为材料介电常数材料介电常数，A为结面积结面积，w为耗尽层耗尽层宽度 (3.20)(3.21)(三) 噪声噪声影响光接收机的灵敏度噪声包括散粒噪声(Shot Noise)(由信号电流和暗电流产生) 热噪声(由负载电阻和后继放大器输入电阻产生)（ 1 ）均方散粒噪声电流均方散粒噪声电流￿￿ 〈 i2sh〉=2e(IP+Id)B (3.22)e为电子电荷，B为放大器带宽，IP和Id分别为信号电流和暗电流。

2eI2eIP PB B 称为量子噪声(由于入射光子和所形成的电子-空穴对都具有离散性和随机性而产生) 2eI 2eId dB B是暗电流产生的噪声 暗电流是器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流 （1）均方热噪声电流￿￿式中，k=1.38×10-23J/K为波尔兹曼常数波尔兹曼常数，T为等效噪声温度 ，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果 ￿因此， 光电二极管的总均方噪声电流为 〈i2〉=2e(IP+Id)B+ (3.24 )(3.23 )〈i2T〉=4.2.3 雪崩光电二极管(APD) 光电二极管输出电流 I和反偏压U的关系示于图3.24 随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UBAPDAPD就是根据这种特性设计的器件 根据光电效应，当光入射到PN结时， 光子被吸收而产生电子 - 空穴对 如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，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格原子相碰撞， 使晶格原子电离，产生新的电子电子 - - 空穴对空穴对 新产生的二次电子再次和原子碰撞如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，见图3.25所以这种器件就称为雪崩光电二极管(APD) 图 3.24 光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系 图 3.25 APD载流子雪崩式倍增示意图￿ (只画出电子）图3.26 APD结构图图3.26示出的N+PΠP+结构被称为拉通型APDAPD的响应度比PIN增加了g倍U为反向偏压反向偏压，UB为击穿电压击穿电压，n为与材料特性和入射光波长有关的常数，R为体电阻体电阻当U≈UB时，RIo/UB1)是雪崩效应雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪声电流均方量子噪声电流应为￿￿ 〈i2q〉=2eIPBg2+x (3.26b)式中， x为附加噪声指数 同理，APDAPD暗电流暗电流产生的均方噪声电流应为〈 i2d〉=2eId Bg2+x (3.27)附加噪声指数附加噪声指数x x与器件所用材料和制造工艺有关Si-APD的x=0.3~0.5，Ge-APD的x=0.8~。