光纤通信 第四章 光检测器及光接收机ppt课件.ppt

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1、光纤通信Fiber-OpticCommunicationTechnology2005/2006学年第二学期第四章光检测器及光接收机主要内容一、光检测器原理二、PIN三、APD四、数字光接收机光接收机组成框图把接收到的光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复原传输的信号。适用于数字系统也适用于模拟系统。光检测器前置放大器主放大器均衡器滤波器光信号电信号对光检测器的基本要求1）在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；2）具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；3）具有尽可能低

2、的噪声，以降低器件本身对信号的影响；4）具有良好的线性关系，保证信号转换过程中的不失真；5）具有较小的体积、较长的工作寿命等。半导体光检测器光纤通信用光检测器有PIN和APD。核心是半导体PN结以PN结的光电效应为基础PN结的光电效应当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近载流子基本上耗尽形成耗尽区。当光束入射到PN结上，且光子能量hv大于半导体材料的带隙Eg时，价带电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子空穴对。在耗尽区，电子在内建电场的作用下向N区漂移，空穴向P区漂移，如果PN结外电路构成回路，就

3、会形成光电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电流信号。截止波长当入射光子能量小于Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即光电效应必须满足hv>Eg截止波长：产生光电效应的入射光的最大波长。lc=hc/EgSi为材料的光电二极管lc=1.06mmGe为材料的光电二极管lc=1.60mm利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极管。但简单结构，无法减低暗电流和提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合做光纤通信的检测器。PIN光电二极管结构：PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低

4、的本征材料，称为I层。电极电极电场光增透膜INP在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。I层吸收系数很小，入射光可以很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子空穴对，因而大幅提高了光电转换效率。I层两侧的P层、N层很薄，光生载流子的漂移时间很短，大大提高了器件的响应速度。PIN光电二极管的特性响应波长响应度量子效率响应速度噪声特性响应波长波长响应范围：光检测器只可以对一定波长范围的光信号进行有效的光电转换上限波长：即截止波长下限波长：当波长很短时，材料的吸收系数很大。光在半导体材料表层即被吸收殆尽。在表层产生的光生载流子要扩散到耗尽层才能

5、产生光生电流，而在表层为零电场扩散区，扩散速度很慢，在光生载流子还没有到达耗尽层时就大量被复合掉了，使得光电转换效率在波长很短时大大下降。材料的吸收系数随波长的变化半导体的吸收作用随波长减小而迅速增强总结检测某波长的光时要选择适当材料的光检测器。材料的带隙决定的截止波长要大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。Si—PIN光电二极管的波长响应范围为0.5～1mm，Ge—PIN和InGaAs—PIN光电二极管的波长响应范围约为1—1.7mrn。响应度描述光检测器能量转换效率的一个参量Pin

6、为入射到光电二极管上的光功率，Ip为所产生的光电流。它的单位为A/W。量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比。响应速度用响应时间（上升时间和下降时间）来表示tt光脉冲检波输出RLhnhnRLRsRACACd输出输出影响响应速度的主要因素完整的响应过程：从输入光信号开始到转换成的电信号被检测1）载流子漂移通过耗尽区的渡越时间：与电场强度有关，电场强度较低时，漂移速度正比与电场强度，当电场强度达到某一值后，漂移速度不再变化。2）耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟3）检测器和它的负载的RC时间常数：对检测器来

7、说，就要尽可能降低结电容噪声特性包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声以及负载电阻的热噪声。除负载电阻的热噪声以外，其它都为散弹噪声。散弹噪声是由于带电粒子产生和运动的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白噪声。量子噪声是由于光电子产生和收集的统计特性造成的，与平均光电流Ip成正比。来自噪声电流的均方值可表示为暗电流噪声是当没有入射光时流过器件偏置电路的电流，它是由于PN结内热效应产生的电子空穴对形成的，是PIN的主要噪声源。暗电流的均方值可表示为表面漏电流是由于器件表面物理特性的不完善，如表面缺陷、不清洁、表面积大小和加有偏置电压而引起的。漏电流的均方值

8、可表示为任何电阻都具有热噪声，只要温度高于绝对零度，电阻中大量的电子就会在热激励下作无规则运动，由此在电阻上