第章 光电检测器与光接收机.ppt

第六章 光电检测器与光接收机 6.1 光电检测器 6.2 光电检测器的特性指标 6.3 光 接 收 机 6.4 光接收机的噪声 6.5 光接收机的灵敏度 光发送机输出的光信号，在光纤中转输时，不仅幅度会受到衰减，而且脉冲的波形也会被展宽。 光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真恢复出由光纤传输、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。 本章重点讨论光检测器、接收机前端的噪声特性、模拟及数字接收机的性能，如信噪比或误码率、接收机灵敏度等。 6.1 光电检测器 光检测器的作用是通过光电效应，将接收的光信号转换为电信号。 目前的光接收机绝大多数都是用光电二极管直接进行光电转换， 其性能的好坏直接影着接收机的性能指标。 光电二极管的种类很多，在光纤通信系统中， 主要采用半导体PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD)。 6.1.1 PIN光电二极管 由于受激辐射仅仅发生在PN结附近，远离PN结的地方没有电场存在，因此就决定了PN光电二极管(PN Photodiode，PNPD)或PN光电检测器的光电变换效率非常低下及响应速度很慢。 1. PIN光电二极管的结构 PIN光电二极管(PINPD)的结构及场强分布如图6.1所示。 光电二极管是一种在P型半导体和N型半导体之间设置了一层本征半导体I层的器件。 由于在耗尽层内所形成的漂移电流，在空间电场的作用下具有较高的响应速度，相反在耗尽层以外所形成的扩散电流，响应速度很低。 因此，耗尽层的范围越宽，对提响应速度就越有利。耗尽层的宽度与P型和N型半导体中的掺杂浓度有关，在相同的负偏压下，掺杂浓度越低，耗尽层就越宽。 为此，在P型和N型半导体之问，插入I(本征)型半导体达到了展宽耗尽层宽度的目的，形成了PIN结构的光电二极管。 2. PIN光电二极管的工作原理 当光从P区一侧入射，则光能量在被吸收的同时仍继续向N区一侧延伸吸收，在经过耗尽层时，由于吸收光子能量，电子从价带被激励到导带而产生电子空穴对（即光生载流子），并且在耗尽层空间电场作用下，分别向N型区和P型区相互逆方向作漂移运动，并形成电流。 然而，在耗尽层以外的区域因为没有电场作用， 所以由光电效应产生的电子空穴对，在扩散运动中相遇发生复合，从而消失。 不过在扩散运动过程中，也有些扩散距离长的电子空穴将进入耗尽层，在耗尽层和空间电场的作用下进入对方区域。于是在P区和N区两端之间产生与被分隔开的电子和空穴数量成正比的电压。 若与外电路连通，这些电子就可经外部电路与空穴复合形成电流。如图6-2所示。 图6-2 PIN光电二极管光电转换原理 这里，在耗尽层之外形成的电流叫扩散电流，扩散电流的运动速度比漂移电流的运动速度慢得多，使频率特征变坏。 由于在PN结处存在着空间电场，使进入空间电场区的电子和空穴二者逆方向移动。 如从外部对PN结施加反向偏压(即P侧加(-)，N侧加(+)以后，结处的空间电场(即耗尽层内的自建电场)被加强，从而加快了载流子的漂移速度。 6.1.2 雪崩光电二极管 雪崩光电二极管应用光生载流子在其耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应而获得光生电流的雪崩倍增。 1. 雪崩光电二极管的结构 雪崩光电二极管(APD)的的结构与PIN—PD不同表现在增加了一个附加层，以实现碰撞电离产生二次电子—空穴对，在反向时夹在I 层和N层间的P层中存在高电场，该层称为倍增区或增益区（雪崩区）,耗尽层仍为I层，起产生一次电子—空穴对的作用。 目前光纤通信系统中，在短波段主要采用Si-APD管，在长波段主要采用Ge-APD管。 常用的APD结构包括拉通型APD和保护环型APD，如图6-3所示。由于要实现电流放大作用需要很高的电场，因此只能在图中所示的高场区发生雪崩倍增效应。 （1）Si-APD最典型的结构是拉通型RAPD如图6-4所示，有四层结构： 高掺杂的N+型半导体，为接触层； P型半导体，为倍增层（或称雪崩区）； 轻掺杂半导体 π层，为漂移区（光吸收区）； 高掺杂的P+型半导体，为接触层。 图6-4 RAPD的的结构 （2）Ge-APD更多的是采用吸收区与雪崩倍增区相互分离的APD管，这种APD管称为SAM-APD。 SAM-APD管的结构如图6-5所示，有四层结构： 高掺杂的N+型半导体，为接触层； P型半导体，为倍增层（或称雪崩区）； 轻掺杂半导体I层，为漂移区（光吸