catv光接收机原理及应用

CATV光接收机原理及应用第一部分光探测器的结构及性能光探测器在光纤传输系统中的任务是光电转换。在信号的光传输链路中，光探测器是光接收机的心脏部件，对于强度调制系统，光探测器把输入的光束的强度变化转化为相应的电流变化；对于外差检测系统，光探测器把信号光束电场与本振光束电场之积转化为电流，其变化规律反映信号光的频率变化或相位变化。另外，在光传输链路的监测、探测系统中，光探测器还广泛用作光强传感器，例如，在激光器组件中包含光探测器，用以实现发送光功率的自动控制；在光纤放大器中，用光探测器感知输入输出光功率的大小，以实现放大器的状态控制。在CATV光传输系统中对光探测器有如下要求：A、在系统工作的波段范围内有很高的响应效率，即对工作波段内入射的光信号，光探测器能输出较大的光电流，实际上不同材料对各种波长的光的响应效率是不一样的，在使用光探测器时必须合理选择所用的器件，才能满足系统要求。B、有足够的响应度，输出电流与输入光功率是线性关系，以保证信号不失真。C、噪声低，频带宽。光探测器在光电变换中引入的噪声应尽量小，因为光探测器的入射光信号一般相当微弱，又是光接收机的最前级，对系统的载噪比影响较大。D、可靠性高、寿命长、性能稳定，能适应一定的温度等环境条件变化，另外还要求光探测器体积小、价格低、偏置简单等。为了满足上述系统要求，目前一般都采用半导体光探测器。一、光探测器的结构光纤通信系统中所使用的半导体光电探测器都是利用光电效应原理制成的，所谓光电效应就是指一定波长的光照射到半导体的PN结时，价带上的电子吸收光子能量而跃迁到导带，使导带中有了电子，价带中有了空穴，从而使PN结中产生光生载流子的一种现象。当P型半导体和N型半导体结合时（不是机械结合，而是分子间结合），能构成一个P-N结，在P、N型半导体的交界将发生载流子相互扩散的运动；P型材料中的空穴区比N型材料多，空穴将从P区扩散到N区；同样N型材料中的电子远比P型材料的多，也要扩散到P区，达到平衡时，这些向对方扩散的载流子将积聚在P区和N区交界面的附近，形成空间电荷区，称为结区，如下图所示：空间电荷区内，因多数载流子（指P区中的空穴，N区中的电子），几乎已消耗尽了，故又称它为耗尽区。耗尽区内形成了内建电场Ei以及接触电势或势垒Va，Ei或Va的存在阻止多数载流子继续向对方扩散，达到了平衡状态。如果P-N结接收相当能量的光波照射，进入耗尽区的光子就会产生电子——空穴对，并且受内电场Ei的加速，空穴顺Ei方向漂向P区，电子则逆Ei方向漂向N区，光照的结果打破了原有结区的平衡状态。光生载流子的运动，同样要在结区形成由场Ep和电压Vp，而Ep和Vp的方向和极性正如与Ei和Va相反，起到削弱Ei和Va的作用。电压Vp称为光生伏特，当光照是稳定的，将P-N结两端用导线连接，串入电流计就能读出光电流Ip。P-N结中的光电流是靠耗尽区中的内电场形成的。当以适当能量的光照射P-N结且光强很大，能使光生电场Ep=Ei，合成电场E=Ei-Ep=0，即Ei已被削减为零，耗尽区也不存在了。这时光生载流子虽仍可在P-N区中产生，但无电场导引和加速，在杂乱的扩散过程中，大部分光生空穴和光生电子相继复合而消失，不能形成外部电流。这是不加偏置的P-N结可能出现的问题；零偏置有两大弊病：（1）器件的响应速度很差，并且很容易饱和；（2）依靠扩散运动形成的光电流响应速度很慢。若在P-N结上加反向偏置电压V，则势垒高度增加到Va+V，负偏压在势垒区产生的电场与内建场方向一致，使势垒区电场增强，加强了漂移运动，而且N区的电子向正电极运动并被中和，P区的空穴向负电极运动也被中和，这样耗尽层就被加宽了，响应率和响应速度都可以得到提高。除了加负偏压的方法外，还可以通过减小P区和N区的厚度来减小载流子的扩散时间；减少在P区和N区被吸收的光能以及降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层的方法来提高器件的响应速度，这种结构就是常用的PIN光电二极管。前面讲述了光探测器的原理及结构。总的说来，PIN无增益、灵敏度稍低、要求偏压小、暗电流小、动态范围大，适用于模拟电视传输；在CATV应用中以PIN光探测器居多，因而此处重点讲述PIN光探测器的性能指标及在光接收机中的应用。二、PIN光探测器的技术指标及应用PIN光电二极管在P和N层之间夹有一个本征层（I层），P层做得很薄。P和I层之间的结区静电容做得极小，为0.5-2PF，因此能获得高速脉冲或射频电视信号的优良特性。PIN光电二极管的主要技术指标主要由下列参数来表征：1．光电转换效率。衡量光电转换效率的特性参数有量子效率和响应度。量子效率n定义为光电子产生率RE与光子入射率RP之比，即每1秒钟内，光电二极管的电极所收集到的电子数与入射到光电二极管的光子数之比，n=RE/RP=（IP/e）/(PO/hV)式中：e是电子电荷，v为光频，波长越大，Ip越大，n就越大，故量子效率有波长依赖性；在应用上自然要求量子效率越高越好。现在商用的PIN光电二极管的量子效率为70%—90%，甚至有接近100%的产品。响应度表示单位入射光功率所产生的光电流，常用R表示：R=IP/P0。R的单位为A/W，利用上式就得到响应度与量子效率的正比关系：R=en/hv=eλn/hc式中C为光速。运用直流电流表和光功率计，很容易的测量出一个PIN光电二极管的响应度，目前商用的PIN光电二极管的响应度为0.8—0.9A/W。响应度同样是波长的函数，随着波长的增加，响应度会变大；因此，同一只光电二极管在接收不同波长的信号时响应度不一样，接收1550nm信号时的响应度就比接收1310nm信号的响应度高。制作一个高量子效率或高响应度的光电二极管需要有以下工艺和技术来保证。（1）光敏面要做得很薄。因为光敏面是高掺杂的材料，这里产生的光生载流子需在零场区经过缓慢扩散，才能达到耗尽区成为外部光电流，一些载流子在扩散过程中常常被复合而消失，极薄的光敏面可使光生载流子复合的机率减小，大部分能顺利的到达耗尽区，从而提高了量子效率。（2）耗尽区要足够宽，使入射光的全光程都能产生载流子。厚度小了，量子效率将降低。（3）为了减小光敏面的光反射损失，可在其表面镀一层抗反射膜（增透膜），以提高量子效率。2．结电容。光电二极管可视作一个电流源，其等效电路如下图所示：其中Cd为光电二极管的结电容，它可以看作为一个平板电容，其与耗尽层宽度W和结区面积A有关，有：Cd=εA/W式中ε为耗尽层中半导体材料的介电常数。RS为光电二极管的串联电阻，一般很小可以忽略；Rp为光电二极管的跨接电阻，其阻值很大，它的影响也可以忽略；RL为负载电阻。因此结电容对光电二极管响应速度的影响主要由Cd和负载电阻RL决定。从等效电路可以看出，结电容Cd起着旁路作用，因而在高频时使输出电流减小，结电容限制的截止频率（即为带宽）为Fc=1/（2πRLCd）。显然，快速的响应（高截止频率）要求降低时间常数RL、Cd。因此要求尽可能的降低结电容Cd。降低Cd有两种方法：一是增加耗尽层宽度W，二是减小结面积A。实际上增加耗尽层宽度W会降低响应速度，这是一对矛盾，因此对耗尽层宽度应进行优化设计。结面积的减小也不是无限的，它受到与之耦合的光纤截面尺寸的限制，目前实用化的PIN光电二极管的结电容一般都能做到小于1PF，结电容越小，其截止频率就越宽，高频特性就越好。实际上PIN光电二极管的带宽除了受Cd的影响以外，还受器件封装电容CP的影响，同样的PIN光电二极管管芯由于各生产厂家封装工艺水平的差异，带宽也有较大不同，这主要是封装电容太大，导致带宽变窄。因而在选用PIN光电二极管时，应选用有实力的厂家的产品。3．击穿电压与暗电流下图为反向偏置的光电二极管的伏安特性曲线无光照时，PIN作为一种PN结器件，在反向偏压下也有反向电流流过，这一电流称为PIN光电二极管的暗电流。它主要由PN结内热效应产生的电子空穴对形成。当偏压增大时，暗电流增大。当反偏压增大到一定值时，暗电流激增，发生了反向击穿（即为非破坏性的雪崩击穿，如果此时不能尽快散热，就会变为破坏性的齐纳击穿）。发生反向击穿的电压值称为反向击穿电压，以VB表示，Si-PIN的典型击穿电压值为100多伏。PIN工作时的反向偏置电压一般都远离击穿电压，一般为10—30V，实际光接收机中的实用化应用典型值一般为15V。暗电流的大小与光电二极管的结面积成正比，故常用单位面积上的暗电流(暗电流密度)来衡量。一般取偏压为0.9VB时，对应的电流值为器件的电流值；现在商用的短波长Si材料PIN光电二极管的暗电流一般小于5nA，而长波长的Ge材料PIN光电二极管的暗电流小到0.2—0.5μA。应用上总是希望暗电流越小越好。为了寻找暗电流更小的长波长PIN光电二极管，人们利用了InGaAs和InGaAsP材料，使长波长的PIN的暗电流减小到了1—5nA的水平，由于这两种PIN管暗电流较小，因此得到了广泛的应用，在CATV系统中光接收机中的PIN管基本上都是InGaAs材料。暗电流除了与偏置电压有关外，暗电流还随器件温度的增加而增加，从室温到70℃，暗电流将增大一个数量级。要减小器件的暗电流，首先应选择好的单晶材料，并要严格工艺规程；其次要选定良好的表面钝化层，隔绝周围气体对器件的污染，在异质结光电二极管的设计中，有意将高场区移到宽禁带材料区，也是减小暗电流的有效措施。在PIN光二极管中，除了暗电流以外，还有表面漏电流。表面漏电流是由于器件表面物理特性不完善，如表面缺陷、不清洁以及表面积大小和加有偏置电压而引起的。与暗电流一样，漏电流也是在有偏压的条件下产生的，它需要通过合理的设计、良好的结构和严格的工艺来降低。4．响应速度。作为光检测器，在光纤通信中要能够检测高频调制的光信号，因此响应速度是光电二极管的一个重要参数，响应速度通常用响应时间来表示，响应时间的长短，反映光电转换的速度，它对系统的传输速率有极大的影响，是反映调制速率的主要指标。响应速度主要受光生载流子的扩散时间、光生载流子通过耗尽层的渡越时间及其结电容的影响。（1）结电容对响应时间的影响。由于PIN是一个PN结二极管，因此有一定的结电容。由前面所讲的光电二极管的等效电路可知，结电容C是和电流源及负载电阻RL并联，它对负载电阻起到了分流的作用，对调制信号来说，结电容C越大，分流作用就越强，负载上的电流就越小，也就是说，光电检测器输出光生电流越小，这相当于电二极管接了一个低通滤波器，其通带上限为WC=1/（RLC）其中RL为负载电阻，C为结点容。显然C越小，WC越高，光电二极管的频带响应特性就越好。（2）载流子渡越时间（T）对响应时间的影响。由于渡越时间的存在，对信号的高频成份产生两方面的不良影响：一是有较大的相位滞后；二是信号幅度受到较大削弱，也就是说渡越时间引起了高频失真，限制了器件的带宽。通常减少渡越时间的方法是减小耗尽层的宽度和加大反偏压，加大反偏压是为了提高载流子的平均漂移速度。但是这两种方法并不能无限制的增大漂移速度，因为在半导体晶格中，载流子有一定的饱和速度。由载流子渡越时间限制的光电二极管的截止频率为Fd=0.44V/W=0.44/τ，可以通过对耗尽层宽度W和载流子的平均漂移速度V的优化得到较高Fd的光电二极管，目前，InGaAs—PIN的带宽可达到20GHZ以上。（3）载流子扩散时间对响应时间的影响。在耗尽层外产生的光生载流子，只有耗尽层为平均扩散长度以内的那部分才能扩散进耗尽层，并最后形成光电流，这部分载流子扩散时间比较长，与扩散长度的平方成正比，因此对PIN管来说，扩散时间可通过减薄受光面到耗尽层间的厚度及适当选取耗尽层厚度而减至最小，所以对于实际器件，扩散时间对响应速度的影响很小。5．线性饱和。光电二极管的线性饱和，是指它有一定的功率检测范围，当入射光功率太强时，光电流和光功率将不成比例，从而产生非线性失真，如下图所示：随着入射光功率PIN增加，光电流IP增大，负载RL上的压降增大，使得光电二极管的实际压降减小，内建电场变弱。这样，就使得光生载流子的漂移速度减慢，使单位光功率产生的光