光检测器及光接收机

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1、光检测器及光接收机光纤通信技术第五章王建萍jpwang@tsinghua.edu.cn信息光电子研究所清华大学电子工程系光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号。光接收机光信号光电变换前置放大主放大器均衡滤波判决器时钟恢复输出AGC电路性能指标:接收灵敏度、误码率或信噪比前端时钟提取与数据再生（CDR）线性通道对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。5.1光检测器5.2光接收机5.3光接收机的噪声特性5.4光接收机的灵敏度

2、5.5光接收机的性能评估第五章光检测器及光接收机光电转换器件要求:高效率、低噪声、宽带原理：光吸收在半导体材料上，当入射光子能量h超过带隙能量时，每当一个光子被半导体吸收就产生一个电子—空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电子和空穴就在半导体中渡越并形成电流流动，称为光电流，其电流大小Ip与入射光功率Pin成比例：R—光电检测器的响应度（A/W）入射光半导体5.1光检测器5.1.1PN光电二极管(1)工作原理：入射光从P侧进入，在耗尽区光吸收产生的电子－空穴对在内建电场作用下分别向左右两侧运动，产生光电流。响应时间：由光功率输入转化为光

3、电流输出，有一定时间迟后，其值主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间。5.1.1PN光电二极管(2)带宽受限的主要因素:产生的光电流中存在扩散分量，它与耗尽区外的光吸收有关。载流子作扩散运动的时延将使检测器输出电流脉冲后沿的托尾加长，影响光电二极管的响应速度。解决方法：减小P,N区厚度，增加耗尽区的宽度，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少P,N区吸收的光能--PIN考虑漂移和扩散运动时PN光电二极管对矩形脉冲的响应扩散分量的存在导致光电二极管瞬态响应失真5.1.2PIN光电二极管(1)在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大耗尽

4、区宽度w，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的要求。由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导体(Intrinsic)，因此这种结构称为PIN光电二极管。I区高阻抗,电压基本都落在I区PIN光电二极管及反偏时各层的场分布5.1.2PIN光电二极管(2)InGaAsPIN光电二极管的结构双异质结结构：N区和P区：InP，对>920nm的光透明；I区:InGaAs；=1300~1600nm强烈吸收量子效率入射光功率Pin中含有大量光子，能转换为光电流的光子数和入射总光子数之比称为量子效率.产生的电子－空穴对的个数入射的光子数在光电二极管

5、的应用中，100个光子会产生30到95个电子－空穴对，因此检测器的量子效率范围为30%~95%。为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得可以吸收大部分的光子。但是，耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越(across)反向偏置结的时间就越长。由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷。光谱响应对一给定的探测区材料就有一个能够探测的最低频率或最大波长，而对波长大于这个极限波长的光波就不能被探测到。光子能量h大于半导体材料的禁带宽度Eg时，价带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，否则不论入射光

6、多强，光电效应都不会发生。所以，任何一种材料制作的光电二极管都有上截止波长C：在短波长段，材料的吸收吸收系数变得很大，因此光子在接近光检测器的表面就被吸收了，电子－空穴对的寿命极短，结果载流子在由光检测器电路收集以前就已经复合了。Si：C=1.06m，使用范围：0.5~1.0mGe：C=1.6m，使用范围：1.1~1.6mInGaAs：C=1.6m，使用范围：1.1~1.6m5.1.3雪崩光电二极管APDPIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益APD:利用电离碰撞,1个光子产生多对电子-空穴对,有增益工作过程：

7、入射光-------一对电子-空穴对(一次光生电流)--------------与晶格碰撞电离---------多对电子-空穴对(二次光生电流）吸收外电场加速增加了一个附加层，倍增区或增益区，以实现碰撞电离产生二次电子－空穴对。耗尽层仍为I层，起产生一次电子－空穴对的作用。1、倍增系数M=Ip/I0IP--平均输出电流，I0--一次光生电流IP＝MI0＝MRPin倍增系数M与电离系数及增益区厚度有关。2、过剩噪声因子F在APD中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外的倍增噪声的主要根源。

8、通常用过剩噪声因子F来表征这种倍增噪声。F又可近似表为：F＝Mxx被称为过剩噪声指数。APD倍增系数与过剩噪声因子光检测器的比较（1）参数符号单位SiGeInGaAs波长范围nm400~11