光纤通信技术彭利标Fiber6光电检测与光接收机

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1、第6章光电检测与光接收机尚辅网http://shangfuwang.com/本章教学提示教学目的：了解光信号的检测器件及工作原理。掌握半导体检测器件的种类、特点、参数分析与计算。教学重点：光电检测器件的结构，光电检测器件的性能分析及主要参数的计算。尚辅网http://shangfuwang.com/内容提要§6.1光电检测原理§6.2光电检测器件§6.3光接收组件§6.4光发射接收模块§6.5光接收机尚辅网http://shangfuwang.com/§6.1光电检测原理利用光电效应原理进行光检测------吸收光产

2、生光生电流属于半导体材料的受激吸收尚辅网http://shangfuwang.com/一、检测原理1、检测器件的应用：------光/电转换尚辅网http://shangfuwang.com/2、光电效应过程：当光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，它们总起来称作光生载流子（少子）。光生载流子(光电子和光空穴)运动形成电流IP(t)。尚辅网http://shangfuwang.com/3、光电效应分类外光电效应：大

3、能量的光子照射物体时，物体内部电子逸出物体表面：符合爱因斯坦方程：内光电效应：当投射的光子能量不太大，但又大于某数值时（禁带宽度Eg），光子被电子—空穴吸收，产生光生载流子。通信用光检测属于内光电效应尚辅网http://shangfuwang.com/二、光电检测过程1、检测过程三步骤：（1）光信号产生光生载流子----内光电效应（2）光生载流子在电源电压作用下迁移运动（注意+、-电极）（3）光电流（信号电流）通过外电路取样电阻----信号电压（信息提取）。2、检测器件外加负偏压尚辅网http://shangfuwa

4、ng.com/三、产生光电流的条件1、截止波长λchf≥=Eg时产生光电流IP(t)hfc=Egfc：截止频率（fc.λc=C）λc=hC/Egλc截止波长即当λ＜λc（f＞fc）的光才能被半导体吸收产生电流IP(t)2、含义：当f＜fc的光不能产生光电流IP(t)尚辅网http://shangfuwang.com/例Si和Ge的禁带能量宽度Eg分别为1.1eV和0.67eV，请分别计算Si和GePIN光电二极管的截止波长λc。解：对于Siλc=hC/Eg=（6.6256×10-34）（3×108）/1.1eV=1.

5、125×10-6m对于Geλc=hC/Eg=（6.6256×10-34）（3×108）/0.67eV=1.847×10-6mh:J.S1ev=1.602×10-19J尚辅网http://shangfuwang.com/四、对光电检测器的要求1、在工作波长上光电转换效率高光信号产生光生电流IP(t)的量2、检测过程中带来的附加噪声尽可能小；3、响应速度快、线性好及频带宽；4、高可靠性，长寿命，尺寸与光纤直径相配，工作电压低等。5、高灵敏度常用两种光电二极管：PIN光电二极管雪崩光电二极管(APD)。尚辅网http://

6、shangfuwang.com/响应度R、量子效率η、响应时间τ、暗电流Id、倍增特性G、过剩噪声系数F五、光电检测器的工作参数尚辅网http://shangfuwang.com/定义：响应度（灵敏度）是描述光电器件光/电转换能力的物理量。R=IP/Pin(A/W)IP：光电检测器的平均输出电流Pin：光电检测器的平均输入功率例PIN接收光功率Pin=500nW，产生的信号电流IP=250nA，计算响应度R？解：R=IP/Pin=250nA/500nW=0.5(A/W)1、响应度尚辅网http://shangfuwa

7、ng.com/2、光生电流IP(t)当光电探测器的入射光功率Pin变化时，光生电流IP(t)也随之线性变化，从而把光信号转换成电流信号。其转换关系式为：IP(t)=RPin(t)即：探测器的响应度（灵敏度）R式中IP(t)是入射光产生的光生电流，R=IP/Pin是光电转换灵敏度，Pin(t)是经光纤传输到光电探测器的输入光功率。关系：IP(t)=RPin(t)R0=IP/Pin尚辅网http://shangfuwang.com/3、量子效率η定义：量子效率也称光电转换效率，指单位时间内输入到光探测器的光子数量转换成电

8、子的数量，η=（电子数）/（光子数）电子数=IP/e光子数=Pin/hυ光电转换效率(量子效率)η=(IP/e)/(Pin/hυ)=(IP/Pin）（hυ/e=Rhυ/eh是普朗克常数，υ是光频，e是电子的电量，R是灵敏度，Pin是从光纤传输到光电探测器的光功率，hυ是一个光子的能量。尚辅网http://shangfuwang.com/R与的