光通信技术韩太林第4章节

《光通信技术韩太林第4章节》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、光通信技术第4章第4章光检测器与光放大器【知识要点】通信用光有源器件主要包括光源、光检测器、光放大器和光波长转换器等。光源是光发射机的主要器件，主要功能是实现信号的电—光转换；光检测器位于光接收机内，主要功能是实现信号的光—电转换；光放大器主要是对光信号直接进行放大，无需通过光—电—光转换过程，解决长距离传输时光功率不足的问题。本章重点介绍光检测器和光放大器的类型、应用时如何选择等。光信号在光纤中传输，不可避免地存在着一定的损耗和色散，损耗导致光信号能量的降低，色散致使光脉冲展宽。因此隔一段距离就需要设置一个中继器，以便对信号进行放大和再生后继续传输。解决这一问题的方法有两种，一个是常

2、规方法采用光电中继器，一个是直接对光信号进行放大的光放大器，本章将重点介绍光放大器。光放大器的研制成功是光纤通信发展史上的一场革命，解决了全光通信的关键问题，影响深远。4.1光检测器的工作机理与类型4.1.1光敏二极管如图4.1所示，光敏二极管（PD）由半导体PN结组成，结上加反向偏压。当有光照射时，若光子能量（hf）大于或等于半导体禁带宽度（Eg），则占据低能级（价带）的电子吸收光子能量而跃迁到较高能级（导带），在耗尽区里产生许多电子空穴对，称为光生载流子。这些光生载流子受到结区内电场（自建场）的作用，电子漂移到N区，空穴漂图4.1光敏二极管工作原理移到P区，于是P区就有过剩的空穴积

3、累，N区则有过剩的电子积累，也就是在PN结两边产生了一个发光电动势，即光生伏特效应。如果把外电路接通，就会有光生电流Is流过负载。入射到PN结的光越强，光生电动势越大。如果将被调光信号照射到该连接了外电路的光敏二极管的PN结上，它就会将被调制的光信号还原成带有原信息的电信号。这种光敏二极管由于响应速度低，不适用于光纤通信系统。4.1.2PIN光敏二极管图4.2PIN工作原理PIN光敏二极管（如图4.2所示）是在光敏二极管的基础上改进而成的。用半导体本征材料（如Si或InGaAs）作本体，分别在两侧掺杂而形成P区和N区，厚度均为数微米，本征材料夹在中间，厚度为10～100μm，称为I区。

4、在反向偏置电压下，形成较宽的耗尽区，当被光照射时，在P区和N区产生空穴和电子（载流子），载流子在耗尽区内进行高效率、高速度的漂移和扩散所形成光生电流。载流子通过PIN结时，虽然I区较厚，但是它处于强反向电场作用（反向偏置）下，载流子以极快速度通过。而在P区和N区，虽然没有反向电场作用，但它们很薄，渡越时间短，所以总速度提高了。而且，每一个光子入射到PIN器件所产生的电子数比光敏二极管高，也即PIN器件的量子效率比光敏二极管的高，所以PIN管广泛用于中短距离光纤通信。由于PIN器件本身无增益，使接收灵敏度受到限制，所以不能在长距离通信系统应用。通常，将具有电流放大效应的场效应晶体管（FE

5、T）与PIN管集成在一起。使用以Si作本体材料的短波长PIN管，称为Si-PIN；以InGaAs作本体材料的长波长PIN管，称为InGaAs-PIN。4.1.3雪崩光敏二极管在很强反向电场（反向电压数十伏或数百伏）作用下，电子以极快的速度通过PN结。在行进途中碰撞半导体晶格上的原子离化而产生新的电子、空穴，即所谓二次电子和空穴，而且这种现象不断连锁反应，使结区内电流急剧倍增放大，产生“雪崩”现象。雪崩光敏二极管（APD）使用时，需要数十以至数百伏的高反向电压。雪崩电压对环境温度变化较敏感，使用有点不不方便。但由于有内部电流放大作用，可以提高接收机灵敏度，因此广泛用于中、长距离的光纤通信

6、系统。APD工作原理如图4.3所示。图4.3APD工作原理在光纤通信的短波长区（0.8～0.9μm）雪崩光敏二极管用Si作本体，称为Si-APD。在长波长区（1.0～1.65μm）用锗Ge或用InGaAs作本体，分别称为Ge-APD和InGaAs／InP-APD。4.1.4光电检测器的特性1.PIN光敏二极管特性（1）量子效率和光谱特性光电转换效率用量子效率η或响应度R表示。量子效率的定义为一次光生电子—空穴对和入射光子数的比值η=(光生电子-空穴)/对入射光子数=(Ip/e)/(P0/hf)=Ip/P0×hf/e（4-1）响应度R的定义为一次光生电流Ip和入射光功率P0的比值R=Ip

7、/P0=ηe/hf（4-2）（2）响应时间和频率特性光敏二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时间τ或截止频率fc（带宽B）表示。PIN光敏二极管响应时间或频率特性主要由光生载流子在耗尽层的渡越时间τd和包括光敏二极管在内的检测电路RC常数所确定。由电路RC时间常数限制的截止频率fc=1/((2πRtCd)（4-3）式中，Rt为光敏二极管的串联电阻和负载电阻的总和；Cd为结电容Cj和管壳分布电容的总和。Cj=(εA)/w（4-4）式中，ε为