光纤讲义-第5章 光检测器及光接收机

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1、第5章光检测器及光接收机第5章光检测器及光接收机5.1半导体光检测器原理、结构及特性第5章光检测器及光接收机光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，它的作用是把光发射机发送的携带有信息的光信号转5.1半导体光检测器原理、结构及特性化成相应的电信号并放大、再生恢复为原传输的信5.2数字光接收机号。光接收机的组成框图如图5.1所示，它由光检测器、低噪声前置放大器、主放大器、均衡器以及滤波器等组成。第5章光检测器及光接收机第5章光检测器及光接收机光检测器用于将接收到的光信号转换成电信号。由于从光纤中传过来的光信号一般都很微弱，因此对光检测器的基本要求

2、是:（1）在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的电信号入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；光信号前置光检测器主放大器均衡器滤波器放大器（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，以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。图5.1光接收机组成框图第5章光检测器及光接收机第5章光检测器及光接收机光检测器产生的光电流是非常微弱的，必须由前5.1.1PN结的光电效应置放大器进行低噪声放大，因此前置放大器的噪声对光电二极管（

3、PD）是一个工作在反向偏压下的PN放大器输出的信号影响非常大。主放大器、均衡器以结二极管，由光电二极管作成的光检测器的核心是PN及滤波器对信号进行进一步放大及整形，以提高系统结的光电效应。当PN结加反向偏压时，外加电场方向性能。本章首先介绍光电检测器的原理及特性，然后与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面介绍数字光接收机的组成及特性。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，价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子—空穴对。1当前PDF文件使用【皓天PDF打印机】试用

4、版创建ÿhttp://www.htit.cnÿ第5章光检测器及光接收机第5章光检测器及光接收机在耗尽区，在内建电场的作用下电子向N区漂移，空穴λc为产生光电效应的入射光的最大波长，称为截止波向P区漂移，如果PN结外电路构成回路，就会形成光长。以Si为材料的光电二极管,λc=1.06μm;以Ge为材电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性变料的光电二极管，λc=1.60μm。化，从而把光信号转换成电信号。当入射光子能量小利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极于Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，管。但这种光电二极管结构简单，无法

5、降低暗电流和即产生光电效应必须满足提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合hEu>g(5.1)做光纤通信的检测器。即存在hcl=c(5.2)Eg第5章光检测器及光接收机第5章光检测器及光接收机5.1.2PIN光电二极管1.PIN光电二极管的结构光电极如图5.2所示，PIN光电二极管是在掺杂浓度很高增透膜的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材P料，称为I层。在外加反向偏置电压作用下，I层中形成I很宽的耗尽层。由于I层吸收系数很小，入射光可以很PN+容易地进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子—空电极电极穴对，因此大幅度提高了光电

6、转换效率。另外，I层两(a)(b)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。图5.2PIN光电二极管结构第5章光检测器及光接收机第5章光检测器及光接收机2.PIN光电二极管的特性adP(d)=Pe(0)(5.3)PIN光电二极管的主要特性包括波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度及噪声特性等。1)波长响应范围式中，α是材料对光的吸收系数，其单位为长度单位由式（5.2）可知，不同半导体材料存在着上限波的倒数。称1/α为光的穿透深度。半导体材料的吸收长即截止波长。当入射波长远远小于截止波长时，光系数α与波长有关。半

7、导体材料的吸收作用随波长减小而迅速增强，即α随波长减小而变大。图5.3为光纤电转换效率会大大降低。因此，半导体光电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，通信中用作光检测器的几种材料的吸收系数随波长的这一波长范围就是波长响应范围。由于半导体材料对变化情况。光的吸收，光在材料中按指数率衰减，因此经过长度d的材料的光功率为2当前PDF文件使用【皓天PDF打印机】试用版创建ÿhttp://www.htit.cnÿ第5章光检测器及光接收机第5章光检测器及光接收机105GesA半导体材料的吸收系数α与波长有关。半导体材7.4a0G料的吸收

8、作用随波长减小而迅速增强，即α随波长减1043.50)nI小而变大。图5.3为光纤通信中用作光检测器的几种材1GaAs－m6c.3料的吸收系数随波长的变化情况。(1