通工专业-光纤通信技术-第四章-光探测器与光接收机.

光纤通信技术ModernCommunicationNetworks西安邮电大学通信与信息工程学院通信工程系4.1光探测器4.2光接收机第4章光探测器与光接收系统本章简介光接收机的作用就是检测经过光纤传输后的微弱信号，并放大、整形、再生成原输入信号，它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光探测器。本章主要介绍光探测器的工作原理和器件、光接收机的主要组成、噪声、灵敏度和动态范围等。4.1光探测器光发射机发射的光信号，在光纤中传输时，不仅幅度被衰减，而且脉冲的波形被展宽。光接收机的作用，是探测经过传输的微弱光信号，并放大，再生成原传输的信号。图4.1数字光接收机的组成在光接收机中，首先需要将光信号转换成电信号，即对光进行解调，这个过程是由光电检测器（光电二极管或雪崩光电二极管）的光电效应来完成的。光电检测器把光信号转换成电流信号送入前置放大器。前置放大器的噪声对整个放大器的输出噪声影响甚大，因此，它应该是精心设计和制作的低噪声放大器。主放大器的作用除提供足够的增益外，它的增益还受AGC电路控制，使输出信号的幅度在一定的范围内不受输入信号幅度的影响。均衡滤波器的作用是保证判决时不存在码间干扰。判决器和时钟恢复电路对信号进行再生。如果在发射端进行了线路编码（或扰乱），在接收端还需要有相应的译码（或解扰）电路。4.1.1半导体PN结的光电效应当把P型半导体和N型半导体制作在一起时，在它们的交界面，两种载流子（空穴和电子）的浓度差很大，因而P区的空穴必然向N区扩散，与此同时，N区的自由电子也必然向P区扩散。图中P区标有负号的小圆圈表示除空穴外的负离子，N区标有正号的小圆圈表示除自由电子外的正离子。由于扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动的，称为空间电荷区，从而形成内建电场。随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽，内建电场增强，其方向由N区指向P区，正好阻止了扩散运动的进行。在内建电场的电场力作用下，载流子的运动称为漂移运动。此时，空穴从N区向P区运动，电子从P区向N区运动。在无外电场和其他激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结。绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴的数目都非常少，在分析PN结特性时常忽略载流子的作用，而只考虑离子区的电荷，这种方法称为耗尽层近似，故称空间电荷区为耗尽层当入射光作用在PN结时，如果光子的能量大于等于带隙（），便发生受激吸收，此时在耗尽层会产生电子-空穴对。耗尽层产生的电子-空穴对在内建电场的作用下发生运动，电子向N区移动，空穴向P区移动，从而形成漂移电流。在耗尽层两侧是没有电场的中性区，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在内建电场的作用下形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。ghE光检测器正是利用PN结的光电效应制成的，光纤通信中最常用的光电检测器是:PIN光电二极管雪崩光电二极管在PN结形成的耗尽层与中性区相比很薄，因此，入射光大部分先被中性区所吸收，只有剩余的部分进入耗尽层。如前所述，在中性区被吸收的光子也能产生电子-空穴对，但由于中性区无电场，因此只有部分电子和空穴能够通过扩散运动进入耗尽层，形成光生电流。这一方面浪费了大量的光子，使得PN光电二极管的光电转换效率低，另一方面，由于扩散运动比漂移运动在速度上慢很多，因此扩散电流将比漂移电流延迟，实际上就是降低了光电管的响应速度。因此，光电二极管通常要施加反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散电流分量，同时也可提高转换效率。但反向偏压的作用是有效的，应在结构上进行改进。4.1.2PIN光电二极管1.PIN光电二极管的工作原理与结构在PN结中间掺入一层浓度很低的N型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称I层，因此这种结构称为PIN光电二极管.如图所示。I层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。图4.4PIN光电二极管的结构示意图2.PIN光电二极管的主要特性(1)量子效率量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性。量子效率定义为通过结区的载流子数与入射光子数的比值，其数学表达式为（4.1）式中，为电子电荷，其值约为；为光频；为光生电流的平均值；P为平均入射光功率值；hI/=/PePh通过结区的光生载流子数入射到器件上的光子数（2）响应度响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性。响应度的定义是：在一定波长的光照射下，光电检测器的平均输出电流与入射的平均光功率之比，它的数学表达式为（4.2）式中，为光生电流的平均值；P为平均入射光功率值。/PIP通过公式（4.1）和（4.2）可得到量子效率和响应度的关系式为1.24ehf（4.3）量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。假设器件表面反射率为零，P层和N层对量子效率的贡献可以忽略，在工作电压下，I层全部耗尽，那么PIN光电二极管的量子效率可以近似表示为（4.4）式中，和分别为I层的吸收系数和宽度。由式(4.4)可以看到，当1时，→1，所以为提高量子效率，I层的宽度要足够大。1exp(())w()w()w（3）响应时间表征光检测器对光信号变化响应速度快慢的是它的响应时间。当光检测器受阶跃光脉冲照射时，输出脉冲前沿的10%点到90%点之间的时间间隔（即上升时间）来衡量。如图4.5所示。脉冲后沿的下降时间对完全耗尽的光电二极管来说与前沿相同，但在耗尽层未耗尽的低偏压下两者可能不同。tt00入射光脉冲输出电脉冲100%10%90%图4.5光检测器的脉冲响应光电检测器的响应时间受三个因素的影响：渡越时间渡越时间是耗尽区内产生的光生载流子穿越耗尽层所需的时间，用表示（4.5）式中，W为耗尽层宽度；为载流子的漂移速度。ddWvd扩散时间在耗尽区以外产生的载流子要产生扩散，扩散区的电场很小，扩散时间很长，扩散时间用来表示。的存在会产生脉冲拖尾。ii光电检测电路光电检测电路会对响应时间产生影响，不同的电路时间常数产生的上升时间是不同的。光电检测器的10%~90%电路上升时间为（4.6）式中，为电路的总电容，为电路的总电阻。2.2RCTTRCTCTR考虑上述三个因素的影响，总的上升时间（4.7）2221/2()RCdi(3)噪声噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数，它直接影响光接收机的灵敏度。光电二极管的噪声包括由信号电流和暗电流产生的散粒噪声(ShotNoise)和由负载电阻和后继放大器输入电阻产生的热噪声。噪声通常用均方噪声电流(在1Ω电阻负载上的噪声功率)来描述。均方散粒噪声电流可由式（4.8）来表示（4.8）式中，e为电子电荷，B为光电二极管及后继放大器的等效噪声带宽，和分别为信号电流和暗电流的强度。22()shpdieIIB式(4.8)的第一项2eIpB称为量子噪声，是由于入射光子和所形成的电子-空穴对都具有离散性和随机性而产生的。只要有光信号输入就有量子噪声。这是一种不可克服的本征噪声，它决定光接式(4.8)的第二项2eIdB是暗电流产生的噪声。暗电流是器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流，它包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流。暗电流与光电二极管的材料和结构有关，例如Si-PIN：Id1nA；Ge-PIN：Id100nA。均方热噪声电流可由式（4.9）来表示（4.9）式中，k=1.38×10－23J/K为波尔兹曼常数，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入2T4kTBiR＝光电二极管输出的总均方噪声电流为2npd42()kTBieIIBR＝＋＋（4.10）表4.1PIN光电二极管的一般性能4.1.3雪崩光电二极管(APD)1.APD的工作原理雪崩光电二极管APD是利用半导体材料的雪崩倍增效应制成的。APD的雪崩倍增原理为：当入射光照射在APD的光敏面上，由于受激吸收原理会产生电子-空穴对（这里称之为一次电子-空穴对），这些光生载流子经过特殊设计的高场区时被加速，从而获得足够的能量。它们在高速运动中与晶体的原子碰撞，使晶体中的原子电离而释放出新的电子-空穴对（为了区别，这里称之为二次电子-空穴对），这个过程称为碰撞电离。新产生的电子-空穴对在高场区中以相反方向运动时又被加速，又可以碰撞其他的原子，再次产生新的电子-空穴对。如此反复碰撞电离的结果，使载流子数迅速增加，导致反向电流快速增长，形成所谓的雪崩倍增效应。APD的工作原理为：如图4.6所示，当光照射到APD的光敏面上时，由于受激吸收而在器件内产生出一次电子-空穴对。在外加电场作用下，一次电子空穴对运动到高场区，经过反复的碰撞电离过程而形成雪崩倍增现象，从而产生出大量的二次电子-空穴对一起运动到电极。当外部电流闭合时，就会在外部电路中有电流流过，从而完成光电变换过程。图4.6APD载流子雪崩式倍增示意图APD具有雪崩倍增效应这个有利方面。但是，由于雪崩倍增效应的随机性会引入噪声。但是不采用APD则必然要采用多级电的放大器，也会引入噪声，两者相比，还是采用APD较为有利。APD按使用材料的不同可分为Si-APD（工作在短波长区）、Ge-APD、InGaAsP-APD等（工作在长波长区）几种。Si-APD性能较好，它工作在0.85附近，倍增增益高达100~1000，暗电流很小。Ge-APD工作在长波长区，它的倍增增益一般不超过15，过剩噪声大，暗电流也大，因此限制了倍增增益和检测灵敏度。2.APD的主要特性对APD特性新引入的参数是倍增因子和附加噪声指数。(1)倍增因子由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这种效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述它的放大作用，并把倍增因子g定义为APD输出光电流Io和一次光生电流IP的比值。（4.11）显然，APD的响应度比PIN增加了g倍。现有APD的g值已达到几十甚至上百，随反向偏压、波长和温度而opIgI(2)过剩噪声因子雪崩倍增效应不仅对信号电流而且对噪声电流同样起放大作用，所以如果不考虑别的因素，APD的均方量子噪声电流为〈i2q〉=2eIpBg2（4.12）这是对噪声电流直接放大产生的，并未引入新的噪声成分。事实上，雪崩效应产生的载流子也是随机的，所以引入新的噪声成分，并表示为附加噪声因子F。F(1)是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪声电流应为〈i2q〉=2eIpBg2＋x（4.13）式中，xAPD暗电流产生的均方噪声电流应为〈i2d〉=2eIdBg2＋x(4.14)附加噪声指数x与器件所用材料和制造工艺有关，Si-APD的x=0.3～0.5，Ge-APD的x=0.8～1.0，InGaAs-APD的x=0.5～0.7。当式(4.13)和式(4.14)的g=1时，得到的结果和PIN相同。表4.2APD光电二极管的一般性能4.2光接收机在光纤通信系统中，光接收机的作用是把接收来的光信号转变为原来的电信号，并放大处理，恢复为原始的数字码流。它的性能优劣直接影光响整个光纤通信系统的性能。4.2.1光接收机的组成光电检测器前置放大器功率放大器均衡滤波器再生器高压变换器AGC电路图4.8数字光接收机方框图（1）光电检测器光电检测器的主要作用是将接收的光信号转换成包括基本调制信号的分量的电信号。目前采用的光电检测器一般是PIN光电二极管或APD雪崩光电二极管，它们性能的优劣直接影响整个光接收机的性能