光纤与通信：第4章-光检测器与光接收机.pptVIP

4.3.1 MSM光电探测器 MSM金属-半导体-金属 （Metal-Semiconductor-Metal） MSM光电探测器与PN结二极管结构不同 它的光/电转换的基本原理却仍然相同，即入射光子产生电子-空穴对，电子-空穴对的流动就产生了光电流。 MSM光电探测器结构 MSM光电探测器原理 光子撞击电极间的半导体材料，产生电子-空穴对，然后电子被正极吸引过去，而空穴被负极吸引过去，于是就产生了电流。 与PIN和APD探测器相比，这种结构的结电容小，所以它的带宽大，这种器件很有可能工作在300GHz。另外它的制造也容易。 但缺点是灵敏度低（0.4 ~ 0.7A/W），因为半导体材料的一部分面积被金属电极占据了，所以有源区的面积减小了。 4.3.2 单向载流子探测器(UTC-PD) 在PIN光电二极管中，对光电流作出贡献的包括电子和空穴两种载流子。在耗尽层（吸收层）中的电子和空穴各自独立运动都会影响光响应，由于各自速度不同，电子很快掠过吸收层，而空穴则要停留很长时间，因而总的载流子迁移时间主要取决于空穴。另外，当输出电流或功率增大时，其响应速度和带宽会进一步下降，这是因为低迁移率的空穴在输运过程中形成堆积，产生空间电荷效益，进一步使电位分布发生变形，从而阻碍载流子从吸收层向外运动。 这种新结构的单行载流子光电探测器，只有电子充当载流子，空穴不参与导电，电子的迁移率远高于空穴，因而其载流子渡越时间比PIN的小。 UTC-PD光电混装模块照片 UTC-PD器件响应频率与输出功率的关系 100 GHz 波导光电探测器 波导探测器 (WD-PD) 波导探测器正好解除了PIN探测器的内量子效率和响应速度之间的制约关系; 极大地改善了其性能，在一定程度上满足了光通信对高性能探测器的要求 分支波导探测器(Tapered WG-PD) 光进入折射率为n1的单模波导，当传输到n2光匹配层的下面时，由于n2n1，所以光向多模波导匹配层偏转; 又因 n3n2，所以光就进入PD的吸收层，转入光生电子的过程。 分支波导探测器各层折射率的这种安排正好和渐变多模光纤的折射率结构相反 渐变多模光纤是把入射光局限在纤芯内传输，很容易理解，分支波导探测器就应该把光从入射波导中扩散出去。在这种波导结构中，永远不会发生全反射现象。 (1) PIN 信噪比与噪声的关系 热噪声限制下， 在高阻抗或互阻抗前端光接收机中，σTσs，热噪声决定了接收的性能，散粒噪声和暗电流噪声可忽略 SNR随入射功率平方倍变化，增加负载电阻可以提高信噪比。 说明为什么大多数光接收机采用高阻抗或互阻抗前端的原因 散粒噪声限制下 增大入射功率可达到散粒噪声限制，同时减小暗电流Id的影响的效果，当忽略Id的影响时 可见，在散粒噪声限制下，SNR 随 Pin 线性增加，并随量子效率η、有效噪声带宽Δf 和光子能量 hν而变 可用包含在每比特“1”中的光子数Np表示 带宽Δf的典型值为Δf＝B/2，则有SNR＝ηNp。 在散粒噪声限制下，欲得 SNR＝20dB，则需Np≈100 例题：接收机的信噪比 lnGaAs PIN光接收机具备如下参数： 负载电阻RL＝300k?； 光电管暗电流Id＝5nA； 绝对温度T＝300k； 放大器带宽是500MHz； 假设放大器没有噪声，在入射光功率Pin＝20nW下产生平均光电流Ip＝ 15nA。 计算接收机的信噪比SNR。 解：PIN信噪比表达式如下 第一步：求?S 及 第二步：求均方根热噪声?T 第三步：求SNR 通常SNR用dB表示， SNR＝ 10Log7.3＝8.63dB (2) APD光接收机的信噪比 在给定输入功率Pin时，为达到最大SNR所要求的APD增益，即倍增增益的最佳值Mopt APD 信噪比与噪声的关系 热噪声限制下 比PIN接收机提高了 倍 散粒噪声限制下 比PIN接收机降低了 倍 4.5 数字接收机的灵敏度 数字接收机的灵敏度 当数字接收机的输出信号质量-----误码率达到质量要求时，数字接收机接收的最小光功率 灵敏度和误码率有关 误码率和信号的失真和信号中的噪声有关 误码率（BER：bit error）: 误码率=传输中的误码/所传输的总码数 是衡量通信系统传输数据精确性的指标 误码率与通话质量（PCM） 几乎听不懂 0.5 强烈干扰，听懂程度明显下降 10－2 在低话音电平范围内都感觉有干扰 10－3 在低话音电平范围内有个别“咯咯”声 10－4 在低话音电平范围内感觉轻微干扰 10－5 感觉不到干扰 10－6 通话质量 误码率 “1”码出现的概率为P(1)