光纤通信-05-光检测器与光接收机

第5章光检测器与光接收机第5章光检测器与光接收机光接收机是光纤通信系统的基本组成部分之一，主要完成光电检测及信号处理，即实现光／电（O/E）转换光接收机的首要任务是将微弱的光信号转换为电信号，再对电信号进行整形、放大以及再生光接收机的首要部件是光检测器，它是影响着光接收机性能的重要器件第5章光检测器与光接收机5.1光检测器5.2光电二极管5.3光接收机5.4光中继器5.1光检测器光检测器能检测出入射其光敏面的光功率，并转换为相应变化的电流信号光检测器有多种类型，如光电倍增管、热电检测器、光电二极管等采用半导体材料的光电二极管由于尺寸小、材料合适、灵敏度高、响应速度快，在光纤通信中得到广泛应用5.1光检测器目前，较为常用的半导体光检测器有PIN光电二极管雪崩光电二极管APD为了提高接收机的灵敏度，又常将PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD与场效应管（FET）组合成为PIN-FET和APD-FET接收机组件，这样它们兼有光电转换和放大作用5.1光检测器光纤通信系统对光检测器的基本要求是：在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光检测器能输出尽可能大的光电流。波长响应要和光纤的三个低损耗窗口兼容。有足够高的响应速度和足够的工作带宽。产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。光电转换线性好，保真度高。工作性能稳定，可靠性高，寿命长。功耗和体积小，使用简便。一、光电转换基本原理最基本的光电二极管是由反向偏置的PN结构成耗尽区和扩散区均为光子的吸收区因光而产生的载流子，所以称为光生载流子在耗尽层，由于内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成漂移电流一、光电转换基本原理在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，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当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号一、光电转换基本原理由于光生载流子扩散速度慢于漂移速度，因而将引起响应时延，使响应电流脉冲后沿拖尾延长一般对光电二极管采用反向偏压，反向偏压增加了耗尽区的宽度，从而减少了光生电流中的扩散分量，同时增强的电场也会加快光生载流子的漂移速度，有利于加快光生载流子的响应时间光生载流子在外加负偏压和内建电场作用下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，在外电路形成光电流二、PIN光电二极管光检测器中最普通且实用是PIN光电二极管PIN光电二极管与基本的PN结型光电二极管的区别是在P区和N区之间的区域有一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层，所以称为PIN二、PIN光电二极管I层较厚，几乎占尽了整个耗尽区，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层很薄这种设计，使得绝大部分的入射光在I层（耗尽区）内被吸收并产生大量的电子－空穴对（光生载流子）耗尽区的高电场使得电子－空穴对立即分开并在反向偏置电压的作用下向两端流动，然后在边界处被收集，从而在外电路中形成电流反向偏压二、PIN光电二极管在半导体材料中，光功率的吸收呈指数规律，即根据量子力学原理可知，每个在能级之间跃迁的电子只能吸收一个光子要产生光电流，入射光子的能量必须至少等于禁带宽度Eg（也称为带隙能量），这导致了对光频率f或波长λ的限制)1()()(0xsePxPgEhfgcEhC二、PIN光电二极管如果Eg使用电子伏特（eV），则λc可以使用微米（μm）表示为gcEhC)eV(24.1ggcEEhC二、PIN光电二极管对于Si材料，截止波长为1.06μm，Ge材料是1.6μm如果波长更长，光子能量就不足以激励一个价带的电子跃迁到导带中在短波长段，材料的吸收系数αs变得很大，光子在接近光检测器的表面就被吸收，电子－空穴对的寿命极短，结果载流子在由光检测器电路收集以前就已经复合了二、PIN光电二极管要检测某波长的入射光，必须选择适当的材料做成的检测器一方面由禁带宽度决定的截止波长要大于入射光波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换另一方面，吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率二、PIN光电二极管常用半导体材料的禁带宽度和相应的截止波长材料Eg（eV）λc（μm）Si1.171.06Ge0.7751.6GaAs1.4240.87InP1.350.92In0.55Ga0.45As0.751.65In1-0.45YGa0.45YAsYP1-Y0.75~1.351.65~0.92三、雪崩光电二极管APD上述讨论的光电二极管都是基于每一个被吸收的光子只能产生一个电子但是如果产生的电子在强电场的作用下获得了足够能量，就会诱发许多的电子从价带到导带，即产生二次电子－空穴对这些二次电子－空穴对又被加速获得足够的能量，引发更多的电子－空穴对，这一过程称为雪崩放大把具有这一现象的光电二极管称为雪崩光电二极管（APD，AvalanchePhotoDiode）1．APD工作原理与PIN光电二极管不同，雪崩光电二极管（APD）在结构设计上已考虑到使它能承受高反向偏压（一般为几十或几百伏），从而在PN结内部形成一个高电场区高电场对光生载流子加速，使载流子获得高的动能，从而在它漂移过程中可以碰撞电离而激发出新的电子－空穴对，这个过程称为碰撞电离新产生的载流子同样由电场加速，并获得足够的能量从而导致更多的碰撞电离产生，形成雪崩倍增效应1．APD工作原理APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器雪崩过程产生了光电流Ip的倍增，可以用倍增增益G表示APD的放大能力实际上，雪崩过程是一种统计过程，并不是每一个载流子都经过了同样的倍增，所以G只是一个统计平均值pGIIG1．APD工作原理雪崩光电二极管（APD）可以对尚未进入后面放大器的输入电路的初级光电流进行内部放大这样可以显著地增加接收机的灵敏度，因为在还没有遇到接收机电路的热噪声之前就已放大了光电流APD的雪崩增益G可以很大，然而大的G值也伴随着光电流的大的起伏，产生大的APD噪声，因此要在增益和噪声之间进行折中，选择合适的G值以使其性能最佳2．APD的结构最常用的具有低倍增噪声的结构是拉通（reach-through）型的APD电场雪崩区雪崩电离所需的最小电场WM耗尽区N+Pi(π)P+P型重掺杂带有少量P掺杂的本征材料2．APD的结构“拉通”这一术语来源于光电二极管的工作情况当加上一个较低的反向偏置电压时，大部分的电压降在PN+结上增加电压，耗尽区宽度也将增加，直到加到PN+结上的峰值电场低于雪崩击穿所需电场的5%~10%时才停止，此时耗尽区也正好拉通到了整个本征区2．APD的结构在一般的操作过程中，RAPD工作于完全耗尽的方式。光子从P+区进入，并在π区被吸收，π区就是收集光生载流子的区域光子被吸收后释放它的能量，产生的电子－空穴对立即由π区的电场分开，然后通过π区漂移到PN+结区，PN+结上的高电场使得电子产生雪崩倍增3．温度对雪崩增益的影响APD的增益机理对温度非常敏感，在于电子和空穴的电离速度取决于温度在高温条件下，粒子之间发生碰撞的平均自由度变小了，因而许多载流子没有机会获得产生二次载流子所需要的高速度，会导致增益降低3．温度对雪崩增益的影响这种对温度的依赖性在高偏置电压下尤其明显，一个小小的温度变化都能引起增益的很大变化10005002001005020105210100200300400(℃)0234367硅N+－P－π－P+雪崩光电二极管电压（V）电流增益当保持所加偏置电压不变时降低温度，则电子和空穴的电离速率会增加，因而雪崩增益也会增加3．温度对雪崩增益的影响为了保证温度变化时增益值不变，就必须改变PN结倍增区的电场，这就要求接收机加入一个补偿电路，以便在温度变化时调整光检测器的偏置电压可以运用温度与电离速率的关系得到增益曲线，但计算相当复杂，可以从一个经验关系式求得BsGVRIVG11与APD材料及波长有关的经验参数5.2光电二极管特性在了解光检测器的结构与原理后，再来讨论衡量光电二极管PIN和雪崩光电二极管APD性能好坏的几个重要参数，并作出比较一、主要特性参数光电二极管的两个重要特性参数是其量子效率和响应速度，这些参数主要由器件材料的带隙能量、工作波长、P区、I区、N区的掺杂浓度和宽度所决定另外一个重要参数是检测器噪声，它将直接影响到接收机的灵敏度1．量子效率和响应度量子效率η表示每个能量为hf的入射光子所产生的电子－空穴对，由下式给出在光电二极管的实际应用中，100个光子会产生30到95个电子－空穴对，因此检测器的量子效率范围是30%~95%hfPeIp//0＝入射的光子数个数产生的电子－空穴对的1．量子效率和响应度为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得可以吸收大部分的光子但是，耗尽区越厚，光生载流子漂移越过反向偏置结的时间就越长由于载流子的漂移时间决定了光电二极管的响应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷1．量子效率和响应度光电二极管的性能经常使用响应度R0来表征若入射光功率为P0时产生的平均光电流为Ip，则响应度R0（A/W）定义为hfePIRp00这个参数描述了单位光功率产生光生电流的大小将和普朗克常数h代入，得到Cf24.10R在工作波长一定时，η与R0具有定量的关系1．量子效率和响应度几种材料的PIN光电二极管的响应度与波长关系波长(mm)响应度R0(A/W)量子效率1．量子效率和响应度光子能量一定时，大多数的光电二极管的量子效率和入射到光电二极管上的光功率无关，因此响应度是一个线性函数，也就是说光电流Ip正比于入射到光电二极管上的光功率P0然而，在整个波长范围内量子效率并不是一个常数，因为光子能量在改变对于给定的材料，当入射光波长越来越长时，光子能量变得越来越小，当这个能量不足以激发一个电子从价带跃迁到导带上时，响应度就会在截止波长处迅速减小1．量子效率和响应度对于APD光电二极管而言，由于量子效率只与初始载流子数目有关，与倍增无关，所以不管PIN或是APD，量子效率总是小于11．量子效率和响应度与PIN光电二极管类似，APD的性能也可由它的响应度RAPD来表征由于APD中光生电流倍增了G倍，所以它的响应度比PIN管提高了G倍，其定义由下式给出GRGhfeRAPD02．响应速度光电二极管响应速度可以用响应时间表征光电二极管产生光电流的响应时间主要取决于下面三个因素：耗尽区的光载流子的渡越时间；耗尽区外产生的光载流子的扩散时间；光电二极管以及与其相关电路的RC时间常数2．响应速度光电二极管的响应速度基本取决于光生载流子渡越耗尽层区所需的时间载流子渡越时间td与耗尽层宽度w和载流子的漂移速度v有关减小耗尽层宽度w或增加光电二极管的反向偏压都可以缩短渡越时间。增加反向偏压，可增加自建场，使漂移速度加快，渡越时间缩短vwtd2．响应速度一般情况下，耗尽区的电场足够高，载流子可以达到它们的极限速度对于Si，当电场强度达到2×104V/cm量级时，电子和空穴的最大速度分别是8.4×106cm/s和4.4×106cm/s典型的Si光电二极管的耗尽区宽度为10μm，极限响应时间为0.1ns2．响应速度相比高电场区载流子的漂移，耗尽区外的载流子扩散过程就要慢得多，因此为了得到高速光电二极管，光生载流子应该在耗尽区或非常接近耗尽区的地方产生，使载流子扩散时间小于或等于渡越时间从光电二极管结构可以看出，光基本被耗尽层吸收，所以扩散时间对响应速度影响很小2．响应速度响应速度除了与上面提到的漂移运动和扩散运动速度有关外，它还与负载电路RC参数有关光接收机中光检测的简单模型和其等效电路RLCd放大器偏置电压光电二极管CaRaRs光电二极管RLhf放大器输出当光检测器受到光脉冲照射时，响应时间可以使用检测器输出脉冲的上升时间和下降时间来表示2．响应速度如果光电二极管的电容较大，那它的响应时间就会受到负载电阻RL和光电二极管结电容所构成的RC时间常数的限制