光纤通信第6章节光电检测器与光接收机.pptVIP

6.3.1 光接收机的前端(1) 6.3.1 光接收机的前端(2) 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。 6.3.1 光接收机的前端(3) 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 6.3.1 光接收机的前端(4) 6.3.2 光接收机的线性通道 6.3.3 判决再生与时钟提取 判决、再生过程 灵敏度 接收灵敏度：在保证通信质量(限定误码率或信噪比)的条件下,光接收机所需的最小平均光功率Pmin.灵敏度是光接收机的重要指标，描述了其准确检测光信号的能力。 APD接收灵敏度 Q：超扰比，与误码率相对应 Ｎ０＝ＮＡ Ｎ１＝ＮＡ＋ＮＤ ＮＡ：前置放大器平均噪声功率ＮＤ：是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率， PIN-PD接收灵敏度 NDNA , g=1 nA=NA/A2时折合到输入端的放大器噪声功率 灵敏度与传输速度的关系 ) 结论:光电检测器的灵敏度主要取决于三个主要因素： 光检测器的噪声特性 前置放大器的噪声特性 传输速度 第6章 光电检测器与光接收机 6.1 光电探测器 P-N光电二极管 PIN光电二极管 雪崩光电二极管 光通信用光电探测器： P-N光电二极管 一个能量为Ep =hf =h?c/λ ≧Eg的光子射入光电二极管时，被吸收的光子能量被电子获得。于是，导带中的电子被激活，能够运动。光能→单位时间内的光子数目乘上单个光子的能量→转化为电流。 图 p-n光电二极管的工作原理 a)能带图 b) p-n结 c)电路 输入输出特性： 输入光功率P，输出光电流I，射入光电二极管激活区的光子越多，产生的载流子越多，光电流越大。 I=RP R是常量（响应度）。其关系如下图所示： 图 光电二极管的响应度 a)输入输出特性 b) 响应度和波长的关系 c)暗电流 例题： 光电二极管的响应度是0.85A/W，饱和输入光功率是1.5mW，当入射光功率是1mW和2mW时，光电流分别是多少？ I=RP=[ 0.85A/W] ×[1.5mW]= 0.85mA 当输入光功率是2mW时，公式I=RP不适用，因此我们无法得到光电流的值。 解：当输入光功率是1mW时，由I=RP，可得， PIN光电二极管（Photodiodes） 高线性,低暗电流 n + PIN光电二极管的结构如图所示。其在P区和N区之间夹有一层厚的本征层。“本征” → “天然的”、“不掺杂的”。 P-I-N的完整意思：正极-本征-负极。实际上，本征区是轻掺杂的（N型），所以电子浓度很高，大大提高了光电转换效率。 PIN光电二极管是在反向偏压作用下使用的，一般为-5V左右。 当光入射到PIN结时，由于光激发产生的光生载流子—电子和空穴经过扩散和漂移，形成了通过PIN结的光电流。 图 PIN光电二极管 光生载流子通过PIN结时间很短，这是因为虽然I层较厚，但它处于一个强的反向电场作用下，所以载流子以快的漂移速度通过I层。光生载流子通过两边P与N区时，是以比较慢的扩散速度前进的，但因P层和N层均较薄，这样总的来说就提高了PIN管的响应速度。 目前PIN光电二极管带宽以达110GHz。 雪崩光电二极管Avalanche photo diode (APD) 内置放大，不引入外部电路相关噪声。 增益提高x100，接收大于接收机电噪 声的光信号 是高速、高灵敏度的接收器 极大的温度倚赖性 主要性能 增益带宽积 暗电流 响应 Bias Voltage APD Gain 1、工作原理： 在光电二极管上加相对较高的反向电压（20V左右），该电压使光生电子和空穴加速并获得高能量。这些高能电子和空穴射入中性原子中，分离出其它电子和空穴。而二级载流子也获得足够能量去离化其它载流子，形成雪崩过程。这就意味着光电二极管在内部放大了光电流。（其量子效率10到100）产生二次载流子的过程称为冲击离化。 图 雪崩光电二极管（APD） 距离 简单归纳其工作原理为：高的反向偏置电压，碰撞电离，产生一次光生载流子、二次光生载流子 APD的平均雪崩增益G：是个复杂的随机过程 G是一个统计平均值 其结构如图所示。光子穿过重掺杂的p+区，进入本征区，在这里产生电子空