光纤通信光二极管及光信号接收器

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1、第四章光二極體及光信號接收器光二極體及光信號接收器4-1光二極體4-2雜訊4-3信號雜訊比值4-4誤碼率4-5同調偵測方式4-6外差偵測的信號雜訊比值4-7外差偵測接收器4-8其它的雜訊現象4-9接收電器設計光二極體及光信號接收器光信號接收器在光纖通信系統中是個重要部份，它常決定系統的可靠性、可行性。它的功能是將光信號轉換成電信號，並達到系統的某些要求，諸如：信號雜訊比、誤碼率。典型的類比及數位光接收器請看圖4.1及圖4.2，可看出兩種光接收器都是由光信號經過光二極體偵測接收，此偵測信號被放大器放大，而放大器由低雜訊的前置放大器與後置放大器組成。光二極體及光信號接收器我

2、們將就光二極體的種類特性及前置放大器電路加以說明，並且雜訊對信號品質的影響也要詳細加以敘述，看圖4.3。常用在光接收器或前置放大器的偵測器有PIN光二極體，累增崩潰二極體及蕭特基光二極體等三種，高性能光偵測器的要件為：高量子速率、廣頻寬、低暗電流和低雜訊。頻譜響應定義在某特定波長，單位波長區間的響應度，看圖4.4，為Si與InGaAs的頻譜響應曲線圖。光二極體:PN接面光二極體光二極體是逆向偏壓，此一偏壓在空乏區兩端出現高電場，可以收集由光激發所產生的電荷，此形成光電流，光二極體空乏區內或其附近所產生的電荷，必須經過空乏區至另一側才能形成光電流，因為這些電荷形成的電流是

3、少數載體所構成，如果光二極體是順向偏壓，則多數載體形成的主要電流必遠大於少數載體電流，此時，由光入射所產生的光電流顯得微不足道，入射光強度與光二極體電流之間也沒有明顯的正比關係出現。圖4.5即為光二極體在不同光功率入射之下的電流電壓特性曲線光二極體:PIN型光二極體PIN光二極體是最常用的一種光二極體，因為調整空間電荷區的寬度，可以得到最佳的量子效率及頻率響應；圖4.6(a)是一種典型的PIN光二極體，本質區是由摻雜質比較少的P型半導體構成，它的性質與本質半導體很相近，圖4.6(b)是逆偏壓能階圖，只有在本質區內及其附近產生的光電子電洞，才會形成電流。光二極體:PIN型

4、光二極體圖4.7是光二極體的摻雜質濃度、空乏區電荷密度、及電場強度的對應圖，NA代表受體雜質濃度，ND代表施體雜質濃度；本質區寬度比與層的寬度大許多，所以光子大部分在本質區被吸收產生光電子電洞對，量子效率高；且本質區電場強度很大，因而電子電洞穿越本質區的時間很短，所以頻率的反應速率很快，也就因此PIN光二極體適合在通信上使用。光二極體:PIN型光二極體由圖4.8(b)中，得之光二極體電流在-15μA時，照光功率為30μW，所以這個PIN光二極體的響應度ρ為0.5A/W，可得到負載方程式VB+Vd+IdRL=0，可得到負載方程式於圖4.8(b)上面，當光照射在PIN光二極

5、體的功率大於45μW時，接收器即進入飽和區裝態，大於此功率的光信號不再與產生的光電流成線性正比關係。光二極體:PIN型光二極體圖4.9為光通信用PIN光二極體結構，圖(a)為背面照光平臺式及圖(b)正面照光平面式；被面照光結構使得光感測區域沒有被金屬電極遮蔽，因此光二極體可以做的比較小面積，結果電容值比較小，且暗電流值低。平臺式結構有其缺點，一為比平面是結構難製造，另一為平臺式結構pn接面側面與外界空氣接觸，易受到污染及大氣影響使其功能退化，所以穩定度和信賴度較差，但因背面照光結構，電容值和暗電流比較小。光二極體:PIN型光二極體圖4.10為背面照光平臺式PIN光二極體

6、的響應度及量子效率與波長對應圖，短波長的截止是因為InP基座的吸收，而長波長的截止式InGaAs能隙造成的；而商業上成品是有抗反射層鍍膜，使得量子小率由70%提升到90%。光二極體:蕭特基光二極體圖4.11(a)是蕭特基光二極體的結構圖，在(1)區與(2)區之間有一個位能障璧，限制了電子流流通，而電洞流無此限制，所以金屬與半導體接面不僅有二極體整流作用，且它是單極性的導通，所以頻率反應速率很快，因為位能障璧的存在，電子由圖4.11(b)中的(1)區到(2)區很困難，當光子入射蕭特基二極體，被(1)、(2)及(3)區吸收時，(2)、(3)區產生的光電子電洞對會被逆偏壓作用

7、形成光電流，(1)區形成的光電子對光電流無任何幫助。所以要設計高效率的光二極體，金屬層要薄，使得金屬吸收光子少，大部分都被半導體吸收，提高光吸收比率，可在金屬外面鍍上抗反射層。光二極體:累崩光二極體累崩光二極體，它可以另外提供內部增益，以增加響應度，也因此累崩型光二極體的靈敏度要比PIN光二極體高了許多。發生累增崩潰的過程敘述如下：空乏區內有很強的電場存在，使得載子得以迅速加速，動能增大，當動能大到某一程度以上時，撞擊到中性原子，游離原子，產生新的電子電洞對，這個電子電洞又經加速，去撞擊原子，產生累增加倍的結果，α與β分別為電子與電洞行走