光通信原理与技术第5章.ppt

光通信原理与技术 光检测器与光接收机 数字光接收机的组成 光接收机也可以分为三部分： 光检测器和前置放大器合起来称为接收机前端，是光接收机的核心； 主放大器、均衡滤波器和自动增益控制组成光接收机的线性通道； 判决器、译码器和时钟恢复组成光接收机的判决、再生部分 光检测器 光纤通信中对光检测器最重要的几点要求： 在所用光源的波长范围内有较高的响应度； 较小的噪声； 响应速度快； 对温度变化不敏感； 与光纤尺寸匹配； 工作寿命长 光检测器的机理 受激吸收 半导体材料 PIN光电二极管 雪崩光电二极管APD 光电二极管PD 光电晶体管 光敏电阻 光电倍增益管 PN结的光电效应 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, h? Eg ，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 光电效应的改善 主要光电效应工作区-耗尽层 结构上加宽耗尽层 在PN结中夹进一个轻掺杂的N区-I区 形成PIN结 PIN光电二极管 PIN光电二极管的结构 在P型材料和N型材料之间加轻掺杂的N型材料，称为本征（Intrinsic）层 轻掺杂，电子浓度很低，经扩散作用后可形成一个很宽的耗尽层。 为降低PN结两端的接触电阻两端的材料做成重掺杂的P+层和N+层 这种结构的光电二极管称为PIN光电二极管 PIN光电二极管的的特点 本征材料：Si或GaAs掺杂后形成P型材料和N型材料 PIN的耗尽层遍及整个I区 产生光电流效率高 光电二极管的主要特性 1、波长响应范围 上限由截止波长决定 下限由材料吸收决定 截止波长 若光子能量为h? ，禁带宽度为Eg 产生光生载流子必须满足h? Eg 临界时? c= Eg /h 将? c换为波长λc，则 只有当入射光的波长λλc 的光，才能使这种材料产生光生载流子，发生光电效应，这个临界值λc就叫做截止波长， ? c为截止频率。 截止波长 c是真空中的光速，h是普朗克常量 Si材料：λc =1.06 ?m Ge 或InGaAs材料：λc =1.6~1.7 ?m 波长响应下限 设x = 0时，光功率为p(0)，材料吸收系数为 经过x距离后吸收的光功率可以表示为 半导体对光的吸收作用随光波长减小而迅速增加 当工作波长比材料带隙波长长时，吸收系数急剧减小 当工作波长比截止波长长时，材料是透明的，光透射过去不能进行光电转换。 Si材料：0.5~1.0 ?m Ge 或InGaAs材料：1.1~1.6 ?m 2、光电转换效率 响应度（?）：光生电流与入射光功率之比。 单位光功率产生的光生电流 越大说明产生光电流效率越高 量子效率（?）：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。 表示每个光子平均产生的电子空穴对 越大反映产生光电流效率越高 3、响应时间 响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的上升或下降时间。 影响响应时间的主要因素有： 光电二极管结电容及其负载电阻的RC时间常数 载流子在耗尽区里的渡越时间 耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟 PIN内部的响应时间主要由载流子在耗尽层中的度过时间决定：tr=W/V W耗尽层宽度 V载流子在电场中的漂移速度 4、暗电流 在理想条件下，当没有光时，光检测器应无光电流输出 实际上，由于热、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光照情况下，光检测器仍有光电流输出 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。因此，总希望器件的暗电流越小越好 5、线性饱和度 光检测电路有一定的光功率检测范围，入射光功率太强时，会产生非线性失真 6、反向击穿电压 Si-PIN典型反向击穿电压为100v 工作偏压为10-30v PIN光电二极管的一般性能 雪崩光电二极管APD 工作原理 光电效应+雪崩倍增效应 雪崩倍增效应 在二极管的PN结上加高反向电压（一般为几十伏或几百伏） 在结区形成一个强电场 高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能 与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到能量越过禁带到导带，产生了新的电子-空穴对 新产生的电子-空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子-空穴对----- 除此循环下去，像雪崩一样的发展，称为雪崩倍增效应。从而使光电流在APD管内获得倍增。 APD的结构和工作原理 保护环型：