光检测器和光接收机

第4章光检测器和光接收器★光检测器的工作原理★光检测器的特性参数★光接收机★光收发合一模块•光电转换器件•要求:高效率、低噪声、宽带•原理：光吸收•在半导体材料上，当入射光子能量h超过带隙能量时，每当一个光子被半导体吸收就产生一个电子—空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电子和空穴就在半导体中渡越并形成电流流动，称为光电流，其电流大小Ip与入射光功率Pin成比例：inpRPIR—光电检测器的响应度（A/W）入射光半导体光检测器光检测器的工作原理偏置电压外界的光子(也就是光)射入半导体，分离出电子和空穴，这些自由的载流子的流动形成电流，外部的电压(反向偏压)会增强这种效果。PN光电二极管光检测器的工作原理光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现了光电流，从而在电阻R上有信号电压输出。这样就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用。负偏压：P接负，N接正。由图可见，外加负偏压产生的电场方向与内建电场方向一致，有利于耗尽区的加宽。（耗尽区的加宽可以改善光电检测器响应速度和转换效率）hνEg或λhc/Eg(∵λ=c/ν)当入射光子的能量小于Eg时，不论入射光多强，光电效应也不会发生。所以光电效应必须满足：PN光电二极管光检测器的工作原理PN光电二极管带宽受限的主要因素:产生的光电流中存在扩散分量，它与耗尽区外的光吸收有关。载流子作扩散运动的时延将使检测器输出电流脉冲后沿的拖尾加长，影响光电二极管的响应速度。考虑漂移和扩散运动时PN光电二极管对矩形脉冲的响应扩散分量的存在导致光电二极管瞬态响应失真光检测器的工作原理PN光电二极管响应时间：由光功率输入转化为光电流输出，有一定时间迟后，其值主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间。trdtwv耗尽区的宽度载流子的平均漂移速度光检测器的工作原理解决方法：减小P,N区厚度，增加耗尽区的宽度，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少P,N区吸收的光能--PINPIN光电二极管•在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大耗尽区宽度w，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的要求。由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导体(Intrinsic)，因此这种结构称为PIN光电二极管。I区高阻抗,电压基本都落在I区PIN光电二极管及反偏时各层的场分布光检测器的工作原理•大部分光子在I区被吸收，从而增加了量子效率；同时，扩散电流却很小。PIN光检测器反向偏压可以取较小的值，因为其耗尽区厚度基本上是由I区的宽度决定的。•I区的宽度也不是越宽越好，宽度w越大，载流子在耗尽区的漂移时间就越长，对带宽的限制也就越大，故需综合考虑。•由于不同半导体材料对不同波长的光吸收系数不同，所以本征区的宽度选取也各不相同，带宽和使用的光波段范围不同。光检测器的工作原理PIN光电二极管InGaAsPIN光电二极管的结构双异质结结构：N区和P区：InP，对920nm的光透明；I区:InGaAs；=1300~1600nm强烈吸收PIN光电二极管光检测器的工作原理雪崩光电二极管APD•PIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益•APD:利用电离碰撞,1个光子产生多对电子-空穴对,有增益•工作过程：入射光-------一对电子-空穴对(一次光生电流)--------------与晶格碰撞电离---------多对电子-空穴对(二次光生电流）吸收外电场加速增加了一个附加层，倍增区或增益区，以实现碰撞电离产生二次电子－空穴对。耗尽层仍为I层，起产生一次电子－空穴对的作用。光检测器的工作原理倍增系数M=IM/IPIM--平均输出电流，IP--一次光生电流IM＝MIP＝MRPin倍增系数M与电离系数及增益区厚度有关。光检测器的工作原理APD光电二极管在反向偏置电压过大时，会出现雪崩击穿。APD管使用时必须注意保持工作电压低于雪崩击穿电压，以免损坏器件。雪崩光电二极管APD光检测器的比较参数符号单位SiGeInGaAs波长范围nm400~1100800~16501100~1700响应度RA/W0.4~0.60.4~0.50.75~0.95暗电流IDnA1~1050~5000.5~2.0上升时间rns0.5~1.00.1~0.50.05~0.5带宽BGHz0.3~0.70.5~3.01.0~2.0偏置电压VBV55~105Si、Ge、InGaAspin光电二极管的通用工作特性参数光检测器的工作原理光检测器的比较参数符号单位SiGeInGaAs波长范围nm400~1100800~16501100~1700雪崩增益M——20~40050~20010~40暗电流IDnA0.1~150~50010~50@M=10上升时间rns0.1~20.5~0.80.1~0.5增益带宽积M•BGHz100~4002~1020~250偏置电压VBV150~40020~4020~30Si、Ge、InGaAs雪崩光电二极管的通用工作特性参数光检测器的工作原理光检测器的比较•在短距离的应用中，工作在850nm的Si器件对于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。•在长距离的链路常常需要工作在1310nm和1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。•APD检测器与PIN检测器相比，具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。光检测器的工作原理第4章光检测器和光接收器★光检测器的工作原理★光检测器的特性参数★光接收机★光收发合一模块光检测器的特性参数光检测器性能参数1．量子效率入射光（功率为Pin）中含有大量光子，能转换为光生电流的光子数和入射的总光子数之比称为量子效率。hPqI//inP在光电二极管的应用中，100个光子会产生30到95个电子－空穴对，因此检测器的量子效率范围为30%~95%。为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得可以吸收大部分的光子。但是，耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越(across)反向偏置结的时间就越长。由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷。2．响应度光检测器的光电流与入射光功率之比称为响应度inPPIR对于给定的波长，响应度是一个常数，但是当考虑的波长范围较大时，它就不是常数了。考虑到APD光检测器的雪崩效应，它的响应度可表示为PINAPDMRhMqR对于PIN，R的典型值范围是0.5~1.0A/W。APD光检测器的响应度在0.75～130之间光检测器的特性参数光检测器性能参数3．响应光谱gEhcgEhc光检测器的特性参数光检测器性能参数对确定的半导体检测材料，只有波长小于截止波长的光才能被检测到，并且探测器的量子效率随着波长的变化而变化，这种特性被称做响应光谱。Si：C=1.06m，使用范围：0.5~1.0mGe：C=1.6m，使用范围：1.1~1.6mInGaAs：C=1.6m，使用范围：1.1~1.6m光检测器的特性参数光检测器性能参数在短波长段，材料的吸收吸收系数变得很大，因此光子在接近光检测器的表面就被吸收了，电子－空穴对的寿命极短，结果载流子在由光检测器电路收集以前就已经复合了。半导体材料Si禁带宽度Eg/eV1.17波长/nm1067Ge0.7751610GaAs1.424876InP1.35924AlGaAs1.42~1.92879~650InGaAs0.75~1.241664~1006InGaAs0.75~1.351664~924光检测器的特性参数光检测器性能参数常用半导体材料的禁带宽度和对应的波长4．响应时间是用来反映光检测器对瞬变或高速调制光信号响应能力的参数。可以用光检测器输出脉冲的上升时间和下降时间来表示。一般光检测器的产品技术指标中给出的是上升时间，对于PIN管而言，通常上升时间tr1ns；对于APD管而言，该值小于0.5ns。5．暗电流是指光检测器上无光入射时的电流。温度越高，受温度激发的电子数量越多，暗电流越大。暗电流最终决定了能被检测到的最小光功率，也就是光电二极管的灵敏度。光检测器的特性参数光检测器性能参数第4章光检测器和光接收器★光检测器的工作原理★光检测器的特性参数★光接收机★光收发合一模块光接收机光信号光电变换前置放大主放大器均衡滤波判决器时钟恢复输出AGC电路性能指标:接收灵敏度、误码率或信噪比前端线性通道时钟提取与数据再生（CDR）对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。光接收机的前端前端：由光电二极管和前置放大器组成。作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然后进行预放大（电流－电压转换），以便后级作进一步处理。是光接收机的核心。要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽电信号光信号光电变换前置放大光接收机•光检测器的选择：要视具体应用场合而定。–PIN光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工作电压，响应速度快。–APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。–从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用PIN光电二极管作光探测器。•前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管(FET)。PIN/FET和APD/FET。光接收机的前端光接收机•根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：–低阻抗前端–高阻抗前端–跨（互）阻抗前端光接收机前端的等效电路低阻抗前端从频带要求出发选择偏置电阻RL优点：电路简单，不需要或只需要很少的均衡，动态范围较大缺点：灵敏度低，噪声较高光接收机的前端光接收机高阻抗前端尽量加大偏置电阻，把噪声减至尽可能小的值优点：噪声较低缺点：动态范围小、高频分量损失太大,对均衡电路提出很高要求.多用于低速系统.跨阻抗前端电压并联负反馈放大器（电流-电压转换器）优点：宽频带（等效输入电阻很小）、低噪声（反馈电阻可以取得很大）、灵敏度高、动态范围大等综合优点，被广泛采用。光接收机的前端光接收机光接收机的线性通道对主放输出的失真数字脉冲进行整形，使之成为有利于判决的码间干扰最小的升余弦波形。可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收机的动态范围。提供高的增益，放大到适合于判决电路的电平。主放大器均衡滤波AGC电路光接收机判决再生与时钟提取任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号为确定是“1”或是“0”，需要对某时隙的码元作出判决。若判决结果为“1”，则由再生电路产生一个矩形“1”脉冲；若判决结果为“0”，则由再生电路产生一个“0”。为了精确地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致。判决器时钟恢复输出光接收机•判决、再生过程最佳取样时间相应于“1”和“0”信号电平相差最大的位置，可由眼图决定。光接收机判决再生与时钟提取光接收机的噪声特性•光接收机的噪声将影响信噪比SNR和通信质量。主要来自光电探测器和前置放大器的噪声。分为两类：散粒噪声和热噪声。光检测器放大器偏置电阻光子流hRL•量子噪声•暗电流噪声•漏电流噪声•APD倍增噪声•热噪声•放大器噪声接收机噪声及其分布图：散粒噪声光接收机光检测器放大器偏置电阻光子流hRL•量子噪声•暗电流噪声•漏电流噪声•APD倍增噪声•热噪声•放大器噪声接收机噪声及其分布图：量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时，光电子的产生和收集过程具有统计特性(泊松分布)。光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光检测过程的基本特性，从而使当其他条件都达到最佳化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。光接收机光接收机的噪声特性光检测器放大器偏置电阻光子流hRL•量子噪声•暗电流噪声•漏电流噪声•APD倍增噪声•热噪声•放大器噪声接收机噪声及其分布图：暗电流噪声：当没有光信号照射光检测器时，外界的一些杂散光或热运动也会产生一些电子——空穴对，光检测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。光接收机光接收机的噪声特性光检测器放大器偏