第5章-光检测器与光接收机-(1)课件

光检测器在光纤传输线路的输出端，必须有一个能够转换光信号的接收装置即光接收机。接收机的首要部件就是光探测器（光检测器）。光探测器能检测出入射在其面上的光功率，并把这个光功率的变化转换为相应的电流。由于光信号在光纤中传输时会有损耗和失真，所以对光检测器的性能要求很高。光检测器光探测器主要有以下几种不同的类型：光电倍增管、热电探测器、半导体光探测器等。在半导体光探测器中，光电二极管体积小，灵活度高，响应速度快，在光纤通信系统中得到了广泛的应用。常用的光电二极管有两种类型，即PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。雪崩光电二极管(APD)光电二极管的工作原理1．工作原理光电二极管是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，其工作原理可用光电效应来解释，如图5.1所示。图5.1光电二极管工作原理光电二极管的工作原理反向偏压使PN结加宽，空间电荷区的载流子基本耗尽了。光入射到PN结上，如果光子能量大于半导体材料的禁带宽度，价带上电子可以吸收光子而跃迁到导带产生电子-空穴对。若电子-空穴对在耗尽层内产生，在电场作用下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，形成光生电流。当入射光功率变化时，光生电流随之线性变化，从而把光信号转化成电流信号。gEh光电二极管的工作原理然而，当入射光子能量小于时，无论入射光多么强，光电效应都不会发生，也就是说，发生光电效应必须满足＞。因此，任何半导体材料制作的光电二极管都有上限截止波长，其表示式为(5.1)对于材料Si，；对于材料Ge，。光电二极管除了具有上限截止波长外，当入射波长太短时，材料的吸收系数变得很大，光电转换效率也会大幅度下降。gEgEhCgg/1.24/(m)hcEECC1.06mC1.6m光电二极管的工作原理2．光电转换效率常用量子效率和响应度来衡量光电转换效率。入射光在光电二极管的表面有反射，设入射表面的反射率为R，当入射光功率为P时，光生电流可以表示为式中，是零电场表面层厚度；是耗尽区的厚度；是吸收系数。p1(1)exp()(1exp())ePIRwwh1ww光电二极管的工作原理量子效率定义为(5.2)R也可以用响应度来表示：R(5.3)p1/(1)exp()(1exp())/IeRwwPhp0/e/(A/W)IPh光电二极管的工作原理要得到高的量子效率，必须采取如下措施：(1)减小入射表面的反射率；(2)尽量减小光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽层的宽度。因此，为了得到高的量子效率，常采用PIN结构，如图5.2所示。图5.2PIN光电二极管光电二极管的工作原理I区是一层接近本征的掺杂很低的N区，在这种结构中，零电场区（区和区）非常薄，而低掺杂的I区很厚，耗尽层几乎占据了整个PN结，从而使光子在耗尽区被充分吸收。对于InGaAs材料的光电二极管，往往还采用异质结结构，耗尽区(InGaAs)夹在宽带隙的InP材料之间，而InP对于入射光几乎是透明的。PN光电二极管的工作原理图5.3给出了几种不同材料PIN光电二极管的响应度和量子效率。图5.3几种不同材料PIN光电二极管的响应度和量子效率光电二极管的工作原理3．响应速度响应速度通常用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。影响响应速度的主要因素有(1)光电二极管等效电路的RC时间常数图5.4光电二极管的等效电路光电二极管的工作原理(2)载流子在耗尽区的渡越时间(3)耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟图5.5结电容、耗尽区宽度以及零电场区对输出脉冲的影响4．暗电流暗电流是指无光照时，光电二极管的反向电流。Si的光电二极管可小于1nA，Ge的光电二极管的暗电流通常几百纳安。雪崩光电二极管(APD)1．工作原理与光电二极管不同，雪崩光电二极管能承受高的反向偏压。在PN结内部形成一个高电场区，光生的电子或空穴经过高场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发新的电子-空穴对，这个过程称为碰撞电离。通过碰撞电离产生的电子-空穴对称为二次电子-空穴对。新生的电子-空穴对在高场区内再被加速，又可能碰撞新的原子，这样多次碰撞电离的结果是载流子浓度增加，反向电流增大，称为雪崩增益。雪崩光电二极管(APD)2．APD的平均雪崩增益雪崩过程是一个复杂的随机过程，只能以APD的平均雪崩增益来表示APD增益的大小：式中，V是反向偏压；是反向击穿电压；m是APD结构和材料决定的参量。sB1[1()/]mGVIRVBV雪崩光电二极管(APD)雪崩增益随反向偏压变化的非线性十分突出，如图5.6所示。要得到足够的增益，必须在接近击穿电压下工作，而击穿电压对温度很敏感。图5.6APD的平均雪崩增益雪崩光电二极管(APD)3．APD的结构在850nm，常用的APD有保护环形(GAPD)和拉通型(RAPD)两种。图5.7是拉通型APD的结构和内部场强分布示意图。图5.7RAPD的结构和内部场强分布示意图雪崩光电二极管(APD)当偏压加大到某一值后，耗尽层拉通到区（本征区）（少量P掺杂），一直抵达接触层，此后若电压再增加，电场增量就在P区和区分布，高场区电场随电压变化相对缓慢，G-V曲线的非线性有所改善。最后给出一些光探测器的性能参数，参见表5.1和表5.2。P雪崩光电二极管(APD)表5.1Si,Ge,InGaAsPIN光电二极管的通用工作特性参数参数符号单位SiGeInGaAs波长范围λnm400~1000800~16501100~1700响应度RA/W0.4~0.60.4~0.50.75~0.95暗电流InnA1~1050~5000.5~2.0上升时间τns0.5~1.00.1~0.50.05~0.5带宽BGHz0.3~0.70.5~3.01.0~2.0偏压VBV55~105雪崩光电二极管(APD)表5.2Si,Ge,InGaAs雪崩光电二极管的通用工作特性参数参数符号单位SiGeInGaAs波长范围λnm400~1000800~16501100~1700雪崩增益G-20~40050~20010~40暗电流IDnA0.1~150~50010~50上升时间τns0.1~20.5~0.80.1~0.5增益带宽积G·BGHz100~4002~1020~250偏压VBV150~40020~4020~30光接收机概述光纤通信系统分为模拟和数字两种传输系统。在这两种不同系统中采用的光接收机分别称为模拟光接收机和数字光接收机。相比于数字光接收机，模拟光接收机比较简单，其原理框图如图5.8(a)所示。数字光接收机原理框图如图5.8(b)所示，可以看出，数字接收机更为复杂一些，在主放大器后还有均衡滤波器、自动增益控制电路、时钟恢复与判决电路。光接收机概述各部分主要功能简要介绍如下：1．光检测器对光检测器的基本要求如下：(1)高的光电转换效率，即对某一波长入射光信号，能够得到尽可能大的光电流；(2)附加噪声尽可能小；(3)响应速度要快，线性好及频带宽；(4)可靠性好，寿命长。在光纤通信中，满足上述要求的光检测器有两种半导体光电二极管：PIN光电二极管和雪崩光电二极管(ADP)。光接收机概述2．前置放大器从光检测器输出的光电流信号十分微弱，必须经过前置放大器放大，前置放大器在光接收机中起关键作用，要求它有足够小的噪声、适当的带宽和一定的增益。光检测器和前置放大器合起来叫做接收机前端，其性能的优劣直接决定接收的灵敏度。前置放大器有多种类型，如低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器、互阻抗前置放大器等。光接收机概述3．主放大器前置放大器输出信号的幅度对于后续的信号处理是不够的，因此还需主放大器做进一步的放大。主放大器除了将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平外，还起着调节增益的作用。输入信号越大，增益越小，反之，对于小的信号呈现较大的增益，这样主放大器的输出信号幅度在一定范围内不受输入信号的影响。光接收机概述4．均衡滤波电路由于光纤色散的影响，波形将出现拖尾。系统中的其他器件，如光放大器、光检测器等，因其带宽的限制和非理想的传输特性，都会使光脉冲发生畸变，同时加剧码元间的串扰，造成判决电路误判，产生误码。所以，在判决电路前必须加均衡滤波器对已发生畸变和有严重码间干扰的信号进行均衡，使其尽可能地恢复原来的状况，以利于判决。光接收机概述5．时钟恢复和判决电路为了能从均衡滤波器的输出信号判决出是“0”码还是“1”码，首先要设法知道应在什么时刻进行判决，即应将混合在信号中的时钟信号（又称为定时信号）提取出来，这是时钟恢复电路应该完成的功能；接着再根据给定的判决门限电平，按照时钟信号所“指定”的瞬间来判决由滤波器送过来的信号。若信号电平超过判决门限电平，则判为“1”码；若信号电平低于判决门限电平，则判为“0”码。光接收机概述衡量接收机的主要指标有：接收灵敏度、动态范围、响应时间以及工作在不同码速、不同数据格式下的能力。(1)接收灵敏度接收灵敏度是指达到指定误码率（对数字系统）或信噪比（对模拟系统）时的最小接收信号光功率。灵敏度通常用dBm来表示，即以1mW为基准，用分贝(dB)表示的相对光功率。设满足给定的误码率指标条件下的最小接收光功率为，单位为mW，则接收灵敏度可用dBm表示为光接收机概述(5.4)当时，对应的接收灵敏度为0dBm。(2)动态范围在实际的系统中，由于中继距离、光纤损耗、连接器及熔接头的损耗、发送功率随温度的变化及老化等原因，接收光功率会有一定的波动。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收灵敏度。Pr(mW)10lg(dBm)1mWPS1mWP光接收机概述（3)响应时间在采用时分多址(TDMA)和猝发异步模式进行通信时，信息以短促的突发性脉冲串传输，通常情况下接收机处于没有输入光功率的空闲状态。当数据脉冲串突然到达时，光接收机应尽快建立起稳定的静态工作点，且时钟应与输入的数据脉冲串在频率和相位上同步。接收机从光信号到来时具有上述功能的时间周期称为它的响应时间。光接收机的噪声图5.9为光接收机中的各种噪声源及其分布图。其中包括：量子噪声、倍增噪声、暗