1-光纤通信光电检测器

13.1光电检测器1.光接收机的构成2.光电二极管（PD）3.雪崩光电二极管21.数字光接收机的组成激光器驱动电路Fiber时钟提取/数据再生前置放大器主放大器.均衡器PDLD数据输入数据输出接收机的组成部分作用光电检测器(PD，APD)将入射光子转换为电子-空穴对，形成光电流。前置放大器低噪声放大，将V信号放大到mV。主放大器(AGC)提供足够的增益，将mV信号放大到V，并能在较大的入射光功率变化范围内，保持输出信号的幅度恒定。均衡滤波器消除码间干扰时钟提取/数字信号再生提取时钟，并对数字信号判决、再生32、光电二极管（PD）1）PD的工作原理原理:光电效应--受激吸收过程入射光子的能量大于禁带宽度,光子被吸收,产生电子空穴对.电子空穴对在电场的作用下定向运动,形成光电流.hEg或hc/EgPIN能带图耗尽区ghE4定义：为光电二极管的上截止波长。Si材料的PD：1.06mGe或InGaAs材料：1.6~1.7m当入射波长太短时，光电转换效率会下降。Si材料的PD：0.5~1.0mGe或InGaAs材料：1.1~1.6m2）PD的工作特性a)波长响应范围吸收的光功率：P(x)=P(0)[1–e-()x])(241eVEEhcggc5(b)光电转换效率量子效率:定义为单位时间内产生的光生电子－空穴对数与单位时间入射的总光子数之比。响应度:定义为光生电流与入射光功率之比。Ip=(e0/h)p0(1–R)exp(-w1)[1-exp(-w)]=(A/W)0PIphe0==(1–R)exp(-w1)[1-exp(-w)]hPeIp//006光子吸收示意图Ip=(e0/hv)p0(1-R)exp(-w1)[1-exp(-w)]w1w(表面层)(耗尽层)7提高量子效率需要采取以下措施：减小入射表面的反射率增加耗尽区宽度,减小零电场区的厚度（采用PIN结构）在PN结光电二极管基础上加以改进，在PN结中间加上接近本征半导体的I层(轻掺杂的N区)，形成PIN结构（见图3.1.3）。P和N层都很薄，因此光电二极管吸收光的区域基本上在耗尽区。8不同材料光电二极管的响应度曲线0eh9(c)响应速度响应速度通常用响应时间表示。响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的上升或下降时间。影响响应速度的主要因素有：(a)光电二极管结电容及其负载电阻的RC时间常数(b)载流子在耗尽区里的渡越时间(c)耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟反向偏压的作用:对光电二极管上施加反向偏压是十分有利的。原因是耗尽区宽度增加，结电容减小，载流子的漂移速度也快，所以不仅提高了量子效率，而且加快了响应速度。10wACd1112不同的脉冲响应情况13(d)暗电流无光照时光电二极管的反向漏电流，称为暗电流。暗电流的无规则随机涨落产生噪声。143）光电二极管的结构PIN的结构异质结构15长波长PIN管异质结构示意图原理描述：•PIN结构•异质结构InP是宽带隙材料，c=0.96m,对长波长的光不吸收;InGaAs是窄带隙材料，c=1.7m163、雪崩光电二极管(APD，AvalanchePhotodiode)1)工作原理光电效应雪崩倍增效应。17电离系数：e,h电离系数比：k=h/e18192）APD的工作特性（a)APD的平均雪崩增益和雪崩击穿电压平均雪崩增益定义为:G=Im/Ip式中Ip为一次光电流，Im为倍增后输出电流的平均值。由于倍增过程是随机产生的，因此雪崩倍增效具有统计的特征，故倍增效应应取统计平均值。G与反向电压有关：V越大，G值越高。存在击穿电压.考虑纯电子电流注入高场区的情况20xhexxheheeheheehehheeexddxxdIixiIxidxxdiIxixixixidxxdi000})(exp{})(exp{)0()()()()()()()()()(21WxheeeeeedxxdiIiWiG00})(exp{11)0()0()(雪崩击穿eG1})(exp{00Wxheedxxd22mBsVIRVG]/)(1[1nBVVG)(11工程上用暗电流增加到一定值来定义击穿电压23(b)APD的过剩噪声雪崩倍增过程引入更大的随机性。用过剩噪声系数和过剩噪声指数表示。APD的过剩噪声系数F(G)APD的过剩噪声指数x2222)(GgggGF()xFGG2422222(1)()[1(1)](1)1()[1]eeeehhhhGFGGkGGkFGGkGAPD的结构设计:•对k远小于1的APD,应尽量使电子电流注入高场区;•对k远大于1的APD,应尽量使空穴电流注入高场区;•避免使用k=1的材料制作APD。理论分析得到电子电流和空穴电流注入高场区时25263）APD的结构(1)Si-APD结构•保护环型•拉通型。保护环型（GAPD）27拉通型（Reach-throughAPD，RAPD）28(2)长波长APD结构SAM-APD(SeparatedAbsorptionandMultiplexingAPD)入射光透明地经过高场区，在吸收区被充分吸收，形成吸收区和倍增区分离的结构。形成纯空穴电流注入高场区，减小过剩噪声，加大增益。29SAGM-APD：在InP材料和InGaAs材料间加入一层或几层禁带宽度小于InP大于InGaAs的InGaAsP材料,形成带隙渐变的过渡区。SAGM具有过剩噪声小、倍增大、响应速度快的优点。