第四章光检测器与光接收机教材

第4章光检测器与光接收机第四章光检测器与光接收机在光纤通信系统中，光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。本章首先介绍光检测器的原理与特性，然后以数字接收机为例对光接收机进行详细说明。第4章光检测器与光接收机第一节：概述第二节：光检测器第三节：数字接收机第4章光检测器与光接收机第一节概述光接收机可分两类：模拟接收机和数字接收机，如下图。它们均由光检测器、低噪声前置放大器及其他信号处理电路组成。数字接收机比较复杂，在主放大器后还有均衡滤波、定时提取与判决再生、峰值检波与AGC放大等电路。光检测器的作用是把接收到的光信号转换成光电流。前置放大器的作用是对光检测器生成的光电流进行低噪声放大。第4章光检测器与光接收机光纤通信接收机框图(a)模拟接收机;(b)数字接收机第4章光检测器与光接收机光检测器和低噪声放大器构成接收机前端，其性能的优劣是决定接收灵敏度的主要因素。主放大器的作用是把前端输出的毫伏级信号放大到后面信号处理电路所需的电平(1－3V(峰－峰))。其余电路则对信号进行进一步的处理、整形，以提高系统的性能，最后解调出发送信息。衡量接收机性能的主要指标是接收灵敏度及动态范围。1）接受灵敏度接受灵敏度是指达到指定误码率或信噪比时的最小接收信号光功率，通常用dBm表示。影响接受灵敏度的主要因素是光信号检测过程及前置放大器中的各种噪声。第4章光检测器与光接收机2）动态范围在实际的系统中，由于中继距离、光纤损耗、连接器及熔接头损耗不同，发送功率随温度的变化及老化原因，接收光功率有一定的范围。定义：最大允许的接收光功率与最小可接收光功率之差为光接收机的动态范围。最大光功率决定于非线性失真及前置放大器的饱和电平。最小光功率则决定于接受灵敏度。第4章光检测器与光接收机第二节光检测器光纤通信系统对光检测器的要求：在工作波长上光电转换效率高，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；响应速度快，线性好及频带宽，使信号失真尽量小。；噪声低，器件本身对信号的影响小；体积小、寿命长、高可靠、工作电压低等。在光纤通信中，满足上述要求的光检测器有两种：PIN光电二极管和雪崩二极管(APD)第4章光检测器与光接收机一、光检测器的工作原理1）PN结的光电效应光电二极管（PD）是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，如下图。由光电二极管作成的光检测器的核心是PN结的光电效应。当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近载流子基本上耗尽形成耗尽区。当光束入射到PN结上，且光子能量hv大于半导体材料的带隙Eg时，价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子—空穴对。第4章光检测器与光接收机半导体中的光发射(e)反向偏置的pn结第4章光检测器与光接收机在耗尽区，在内建电场的作用下电子向N区漂移，空穴向P区漂移，如果PN结外电路构成回路，就会形成光电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电信号。当入射光子能量小于Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足：gcghEhcE即存在第4章光检测器与光接收机λc为产生光电效应的入射光的最大波长，称为截止波长。以Si为材料的光电二极管,λc=1.06μm;以Ge为材料的光电二极管，λc=1.60μm。利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极管。但这种光电二极管结构简单，无法降低暗电流和提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合做光纤通信的检测器。第4章光检测器与光接收机2）PIN光电二极管a、PIN光电二极管的结构PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。结构如下图：由于I层吸收系数很小，入射光可以很容易地进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子—空穴对，因此大幅度提高了光电转换效率。另外，I层两侧的P层、N层很薄，光生载流子的漂移时间很短，大大提高了器件的响应速度。第4章光检测器与光接收机P+增透膜光电极电极(a)NPI电极(b)PIN光电二极管结构第4章光检测器与光接收机PIN光电二极管及能带图动画演示第4章光检测器与光接收机b、PIN光电二极管的特性PIN光电二极管的主要特性包括波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度及噪声特性等。波长响应范围不同半导体材料存在着上限波长即截止波长。当入射波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大降低。因此，半导体光电检测器只可以对一定波长范围的光信号进行有效的光电转换，这一波长范围就是波长响应范围。第4章光检测器与光接收机由于半导体材料对光的吸收，光在材料中按指数率衰减，因此在厚度W的材料内被吸收的光功率为：WePWP)(01)(式中：P0为入射光功率；α(λ)为材料吸收系数，其大小与材料性质有关，且是波长的函数。半导体材料的吸收作用随波长减小而迅速增强，即α随波长减小而变大。下图为光纤通信中用作光检测器的几种材料的吸收系数随波长的变化情况。第4章光检测器与光接收机0.4波长/m105GeGaAsSi吸收系数(cm－1)In0.70Ga0.30As0.64P0.36In0.53Ga0.47As1041031021010.60.81.01.21.41.61.8材料吸收系数随波长的变化情况第4章光检测器与光接收机从图中可以看出，当波长很短时，材料的吸收系数很大，这样，光在半导体材料表层即被吸收殆尽。在表层产生的光生载流子要扩散到耗尽层才能产生光生电流，而在表层为零电场扩散区，扩散速度很慢，在光生载流子还没有到达耗尽层时就大量被复合掉了，使得光电转换效率在波长很短时大大下降。综上所述，检测某波长的光时要选择合适材料作成的光检测器。首先，材料的带隙决定了截止波长要大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。第4章光检测器与光接收机其次，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。Si―PIN光电二极管的波长响应范围为0.5～1μm。Ge―PIN和InGaAs―PIN光电二极管的波长响应范围约为1~1.7μm。响应度响应度是描述光检测器能量转换效率的一个参量。它定义为：第4章光检测器与光接收机其中，P0为入射到光电二极管上的光功率；Ip为所产生的光电流。它的单位为A/W。量子效率量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即：η=光电转换产生的有效电子—空穴对数入射光子数第4章光检测器与光接收机其中,e为电子电荷，其值为1.6×10-19C。所以有：1.24eRhf式中,λ单位取μm。可见，光电检测器的响应度随波长的增大而增大。下图为PIN光电二极管的响应度、量子效率与波长的关系。可以看出，响应度、量子效率随着波长的变化而变化。为提高量子效率，必须减少入射表面的反射率，使入射光子尽可能多地进入PN结；同时减少光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区内被充分吸收。第4章光检测器与光接收机光电二极管响应度、量子效率与波长的关系第4章光检测器与光接收机响应速度响应速度是光电检测器的另一个重要参数，通常用响应时间（上升时间和下降时间），如下图来表示。光检测器的脉冲响应第4章光检测器与光接收机光电二极管在接收机中使用时通常由偏置电路与放大器相连，这样检测器的响应特性必然与外电路相关。如下图，为检测器电路及其等效电路，其中CPN为检测器的结电容；Rb为偏置电阻；Ra、Ca分别为放大器的输入电阻和输入电容；Rs为检测器的串联电阻，通常只有几欧，可以忽略。影响响应速度的主要因素有：（1）检测器及其有关电路的RC时间常数，设它造成的脉冲前沿上升时间为：ιRC要提高响应速度，就要降低整个电路的时间常数。从检测器本身来看，就要尽可能降低结电容第4章光检测器与光接收机光检测器电路及等效电路第4章光检测器与光接收机WACPN式中，ε为材料的介电常数，A为结面积，W为耗尽区厚度。（2）载流子漂移通过耗尽区的渡越时间，设上升时间为：ιdr光电二极管的响应速度主要受到耗尽区内的载流子在电场作用下的漂移通过所需时间(即渡越时间)的限制。ddrvWt渡越时间：第4章光检测器与光接收机式中，vd为光身载流子的漂移速度。漂移运动的速度与电场强度有关，电场强度较低时，漂移速度正比于电场强度，当电场强度达到某一值后，漂移速度不再变化。（3）耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟，设上升时间为：ιdi耗尽区外产生的载流子一部分复合，一部分扩散到耗尽区，被电路吸收。由于扩散速度比漂移速度慢得多，因此，这部分载流子会带来附加时延，会使输出电信号脉冲拖尾加长。第4章光检测器与光接收机总的上升时间为：21222didrRCr第4章光检测器与光接收机噪声特性光电二极管的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声以及负载电阻的热噪声。除负载电阻的热噪声以外，其它都为散弹噪声。散弹噪声是由于带电粒子产生和运动的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白噪声。量子噪声是由于光电子产生和收集的统计特性造成的，与平均光电流Ip成正比。来自噪声电流的均方值可表示为：22sPieIfΔf为噪声带宽第4章光检测器与光接收机暗电流噪声是当没有入射光时流过器件偏置电路的电流，它是由于PN结内热效应产生的电子—空穴对形成的，是PIN的主要噪声源。暗电流的均方值可表示为：22ddieIf式中，Id为暗电流平均值。当偏置电压增大时，暗电流增大。暗电流还随着器件温度的升高而增加。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即暗电流密度来衡量。第4章光检测器与光接收机下图给出了几种光电检测器常用材料的暗电流密度与偏置电压的关系。010－5GeGaAsSiIn0.17Ga0.83AsIn0.15Ga0.85As归一化偏置电压暗电流密度/(A/mm2)10－610－710－810－910－1010－1110－120.20.40.60.81.0In0.31Ga0.69As第4章光检测器与光接收机除此之外，光电二极管中还有表面漏电流。表面漏电流是由于器件表面物理特性的不完善，如表面缺陷、不清洁和加有偏置电压而引起的。漏电流的均方值可表示为：22LLieIfIL为漏电流平均值漏电流和暗电流一样，都只能通过合理设计、良好的结构以及严格的工艺来降低。任何电阻都具有热噪声，只要温度高于绝对零度，电阻中大量的电子就会在热激励下作无规则运动，由此在电阻上形成无规则弱电流，造成电阻的热噪声。均方热噪声电流为：第4章光检测器与光接收机24TkTfiR式中，R为等效电阻，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数。因此，光电二极管的总均方噪声电流为：242()PdLkTfieIIIfR量子噪声不同于热噪声，它伴随着信号的产生而产生，随着信号的增大而增大。当没有光入射时，信号消失，量子噪声也同时消失。第4章光检测器与光接收机3）雪崩光电二极管（APD）a、雪崩光电二极管的结构当耗尽区中的场强达到足够高时，入射光产生的电子或空穴将不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子和空穴在运动过程中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，激发出新的电子—空穴对。这些碰撞电离产生的电子和空穴在场中也被加速，也可以电离其它的原子。经过多次电离后，载流子迅速增加，形成雪崩倍增效应。第4章光检测器与光接收机APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。下图为一种被称为拉通型APD（RAPD）的结构。π层为低掺杂区（接近本征态），而且很宽。当偏压加达到一定程度后，耗尽区将被拉通到π层，一直抵达P+层。这是一种全耗尽型结构，具有光电转换效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。第4章光检测器与光接收机一种称为拉通型APD(RAPD)的结构图(a)RAPD的结构示意图;(b)场分布示意图动画演示第4章光检测