西安交大光纤通信4-光检测器与光接收机ppt课件.ppt

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1、光检测器光检测器与光接收机第四章主要内容光检测器工作原理光电二极管的工作特性光接收机光接收机的噪声数字接收机的灵敏度光电二极管（PD）光检测器利用光电效应实现。PN势垒耗尽层光子进入PN结，价带的电子受激吸收将被激发到导带，产生一对光生载流子，受内建电场的作用，光生载流子的电子向N区漂移，空穴向P区漂移，载流子移动到外部电路形成光电流。§4.1光检测器工作原理外光电效应内光电效应真空光电二极管半导体光电二极管1、半导体光电二极管光生电流包括：漂移电流--耗尽区的光生载流子在电场作用下运动形成的电流扩

2、散电流扩散电流----P区的光生载流子形成的电流N区的光生载流子形成的电流光检测器:检测通过光纤传来的光信号将光功率转换为电流输出。空间电荷区扩散电流漂移电流增大漂移电流，减小扩散电流扩散电流，光电转换效率低，响应速度慢漂移电流,光电转换效率高，相应速度快增加PN结的反偏耗尽层加偏置电压的好处：加大耗尽区的宽度，加强漂移电流的影响，减少扩散电流的比例，提高响应速度。同时，提高了电光转换效率。但增加有限。另一种加大耗尽层的方法是引入本征半导体（I型半导体）增大漂移电流的方法2、PIN光电二极管结构：P

3、N结之间加了一层本征半导体（I层）PIN特点：I区的耗尽区很宽，入射光很容易产生光生电子空穴对，形成漂移电流；提高了响应速度。另外，I区的吸收系数小，因而光电转化效率高。一、结构及特点在p区和n区之间插入I区，增加了耗尽区的宽度，使得大部分的入射光在耗尽区被吸收，因此大部分的载流子也在此区域内产生。耗尽区的高电场使得电子-空穴对迅速分开并在反向偏置的结区中向两端流动，然后在边界处被收集，从而在外电路中形成电流。吸收系数被吸收的光功率产生的光电流光功率衰减w耗尽区宽度由于吸收系数取决于光波长，因此，特

4、定的半导体材料只能应用在有限的波长范围内。光吸收系数与波长的关系曲线?1）雪崩光电二极管的的结构3、雪崩光电二极管(APD)高掺杂的型半导体，为接触层；I轻掺杂半导体层，为漂移区（光吸收区）；P型半导体，为倍增层（或称雪崩区）；N+高掺杂的型半导体，为接触层。当外加的反向偏压比PIN情况下高得多时，这个电压几乎都降到P结上。特别是在高阻的PN结附近，电场强度可高达105V/m，已经高出碰撞电离的电场。2）雪崩光电二极管(APD)的工作原理约100V—150V高反向偏置电场分布若光从P区照射，大部分光

5、子将在较厚的I层被吸收，因而产生电子、空穴对，被匀强电场加速，运动到PN结强场区。入射光功率产生的电子空穴对经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使晶格中的原子电离，产生新的电子空穴对。新的电子空穴对受到同样加速运动，又与原子碰撞电离，产生电子空穴对，称为二次电子空穴对。如此重复，使强电场区域中的电子和空穴成倍的增加，载流子和反向光生电流迅速增大，产生雪崩现象,这个物理过程称为雪崩倍增效应。雪崩过程倍增了一次光生电流，因此，在雪崩光电二极管

6、内部就产生了放大作用。雪崩光电二极管就是这样既可以检测光信号，又能放大光信号电流。高电场光一次电子§4.2光电二极管的工作特性光电二极管的主要特性参数包括响应度、量子效率、响应带宽、APD的倍增系数及噪声等。1、量子效率式中e是电子电荷，h是普朗克常数。2、响应度：响应度表征了光电二极管的能量转换效率R的单位为A／W。波长λ的单位取μm响应度随波长增加而增大。例InGaAs的量子效率大约为90％，波长为1300nm，求响应度。3、APD光电二极管中所有载流子产生的倍增因子M雪崩增益后输出电流的平均值

7、未倍增时的初级光电流加在PN结的有效电压雪崩电压适配因子，与材料及结构有关m例：一种硅APD在波长900nm时的量子效率为65％，假定0.5uW的光功率产生的倍增电流为10uA，试求倍增因子M。倍增因子M为：因此，初级光电流被放大了43倍。APD的性能是由它的响应度来表征。APD响应度定义为其中是pin二极管得响应度。初级光电流为：解：4、光电检测器的噪声暗电流噪声量子噪声热噪声入射光子激发的电子空穴的随机性产生的电流PIN在反偏情况下，没有外来的光时产生的电流电阻的热噪声量子（散粒）噪声的产生是由

8、于光信号入射到光检测器上时，光电子的产生和收集过程具有统计特性。光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，该统计过程服从泊松分布。量子噪声的谱密度为常数对于pin对于APDB：接收机带宽（1）量子噪声PINM2(过剩)噪声系数（2）光电二极管的暗电流噪声其中ID是初级（未倍增过的）光检测器体暗电流。光检测器电阻的均方热噪声电流为：K：玻耳兹曼常数T：绝对温度（3）对于光电探测器电阻的热噪声5、检测器响应时间P(t)I(t)当检测器受到阶跃光脉冲照射时，响应时间可以用检测