第五章光探测和光接收机

第五章光探测和光接收机本章内容对光检测器的基本要求PN结光电检测原理PIN光电二极管APD雪崩光电二极管MSM光电探测器单行载流子光电探测器波导光电探测器数字光接收机对光检测器的基本要求1.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。2.波长响应要和光纤的三个低损耗窗口兼容。3.有足够高的响应速度和足够的工作带宽。4.产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。5.光电转换线性好，保真度高。6.工作性能稳定，可靠性高，寿命长。7.功耗和体积小，使用简便。光纤通信常用的光电检测器半导体材料PIN光电二极管APD雪崩光电二极管PN结光电检测原理耗尽区：由于扩散电流和漂移电流方向相反，在平衡状态下两种电流相等，使得总电场为零，等效于空间电荷区的电阻阻值很大，载流子数目很少，称其为耗尽区。电子和空穴的扩散运动PN结界面内部电场漂移运动耗尽区、扩散区如果光子的能量大于或等于带隙(hf≥Eg)当入射光作用在PN结时发生受激吸收、光生载流子在耗尽层形成漂移电流。内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动扩散电流形成与漂移电流同向的在耗尽层两侧热运动半导体材料的光电效应？PN结光电二极管结构入射光hvEgSiO2P+h+e-+ERIpVoutW抗反射膜电极电极耗尽区Pin空穴h+e-电子负载电阻RIp光生电流输出电压LLN(a)反向偏置的PN结,当光入射时,光生电子空穴对分别向N区和P区漂移，在外电路产生光生电流W=m几PN结光电二极管工作原理当PN结加上反向电压后，在入射光的作用下，由于受激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，在闭合外电路中形成光生电流的器件。当入射光功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。加反向电压？入射光？光生载流子？光生电流？镀抗反射膜以减少反射光强度2n入射光反射光透射光ABd3n1n23nn抗反射膜1n器件表面5,3,142mnmd反射光的相位差？反射光的幅度？厚度？折射率？312nnn光电二极管的特性inpPIR//PPininIqIhfPhfPq产生的电子空穴对的个数入射光子数24.1hfqR1.响应度R2.量子效率η3.截止波长λc4.响应速度光生载流子的漂移时间、扩散时间、RC时间常数)(24.1eVEEhcggc常用半导体材料的禁带宽度与截止波长PN结光电二极管的缺点耗尽区窄结电容或耗尽区电容较大响应速度慢光电转换效率低PIN光电二极管入射光hvEgSiO2P+h+e-+EIpVout抗反射膜电极电极耗尽区Pin输出电压RL反向偏置的PIN,因耗尽区较宽,可以吸收绝大多数光生电子和空穴对,使量子效率提高I-SiWN+Vr-RLCdIpVout空穴h+e-电子负载电阻RIp光生电流LW=m5~50E~~Vr/WCdPIN管分布电容在P和N层之间加入了一个I层，作为耗尽层。I层的宽度较宽，约有（5~50）m，吸收系数很小，易进入材料内部吸收绝大多数光子，使光生电流增加。PIN光电二极管工作原理当PN结加上反向电压后，入射光主要在耗尽区被吸收，在耗尽区产生光生载流子(电子--空穴对)。在耗尽区电场作用下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，产生光生电动势。在远离PN结的地方，因没有电场的作用，电子空穴作扩散运动，产生扩散电流。因I层宽，又加了反偏压，空间电荷区（耗尽层）加宽，绝大多数光生载流子在耗尽层内进行高效、高速漂移，产生漂移电流。这个漂移电流远远大于扩散电流，所以PIN光电二极管的灵敏度高。在回路的负载上出现电流，就将光信号转变为了电信号。PIN光电二极管的波长响应曲线6008001000120014001600180000.20.40.60.81.090%70%50%30%10%InGaAsPGeInGaAsSi(nm)波长()R响应度量子效率几种半导体材料的吸收系数随波长的变化PIN输出电流和反向偏压的关系击穿电压APD雪崩光电二极管SiO2P++h+e-ERIpVout电极电极耗尽区入射光hvEgL(a)雪崩光电二极管（APD）的结构WN+Vr-PE()x0各区电场分布,雪崩发生在P区，吸收发生在区(b)x吸收区雪崩区EN+Ph+e-雪崩区(a)离子碰撞过程释放电子空穴对，导致雪崩晶格APD光电二极管的工作原理APD的光敏面被光子照射之后，光子被吸收而产生电子-空穴对。这些电子-空穴对经过高电场区之后，初始电子(一次电子)在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶体原子相碰撞，使晶体原子电离，产生新的电子-空穴对，这个过程称为碰撞电离。碰撞电离所产生的电子称为二次电子-空穴对，这些电子-空穴对在高速电场运动时又被加速，又可能碰撞电离其他原子，如此多次碰撞，产生连锁反应，使载流子数量迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪崩倍增效果。平均雪崩增益MpMIIM初始的光生电流平均值倍增后的总输出电流的M与电子和空穴的电离率有关，随半导体材料的不同而不同，同时随高电场区强度的增大而增大。APD增益与偏压及温度的关系本征响应带宽（频域角度）电场区的宽度载流子的漂移速度WVWVfdddB44.03载流子在电场区的渡越时间上升时间τtr定义：输入阶跃光功率时，探测器输出光电流最大值的10%到90%所需的时间。trdBf35.03APD的本征响应带宽MfedB213τe为等效渡越时间，它与空穴和电子的电离系数比值有关。光电二极管的实际响应带宽dLdBCRf213二极管的结电容负载电阻dLCRAPD波长响应曲线60080010001200140016001800124710010357050403020InGaAsGeSi(nm)波长()R响应度Si半导体材料的空穴和电子的碰撞电离系数比值为0.22三种探测器产品的典型参数P183表5.2.1MSM光电探测器（MSM,Metal-Semiconductor-Metal）+_有源区金属电极m1优点：结电容小，带宽大，制造容易缺点：响应度低光电转换原理相同单行载流子探测器(UTC-PD)I导带价带吸收层电极P电极N电子空穴PN++h在PIN光电二极管中，对光电流作出贡献的包括电子和空穴两种载流子。InGaAs扩散阻挡层电子收集层价带电子电极PP掺吸收层加速电子空穴IPInP+导带电极NN+h只有电子充当载流子，空穴不参与导电，电子的迁移率远高于空穴，因而其载流子渡越时间比PIN的小。波导光电探测器（WG-PD）入射光吸收层PIN(a)PIN-PD吸收层(c)WG-PD边入射光电探测器面入射光电探测器PIN的响应速度受到PN结RC数值、I吸收层厚度和载流子渡越时间等的限制。可解除量子效率与响应速度之间的制约关系分支波导探测器(TaperedWG-PD)吸收层(e)TaperedWD-PD单模波导(多模波导)光匹配层n1n2n3n1n2n3PD长吸收区L单模波导光经过光匹配层进入吸收层PD(f)折射率边入射平面折射波导RFUTC-PD角度刻面入射光吸收层InGaAs电极P电极NInP收集层折射光数字光接收机均衡滤波信号光光探测器电压供给光电变换和前放前放主放自动增益控制线性放大判决电路时钟恢复数据恢复数据输出光电转换和前置放大器（光接收机的核心）信号光光探测器电压供给光电变换和前放前放电压信号预放大时变光生电流微弱光信号前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用光接收机前置放大器等效电路前放GIDRLCT高阻型前放GRLIDCT转移阻抗型线性放大柰奎斯特脉冲响应和升余弦均衡滤波器输出响应h()ff幅度tTT单个脉冲波形合成波形理想特性升余弦特性1T1T2(c)升余弦均衡滤波器输出响应（a)NRZ输入脉冲，=脉冲周期脉宽=T=1B升余弦均衡滤波器特性(b)=BT1tTT2T2T0is()t2cos1outBffH数据恢复判决电路时钟恢复数据恢复数据输出选取最佳的判决时间0101010001011010Ptt发射信号误码判决时刻判决门限噪声(a)在接收端探测到的带有噪声的信号Str(b)(c)tDtDtDtDtDtDtDtD由于噪声叠加,“0”码，在判决时刻变成使“1”码经判决电路后产生了一个误码。IDI取样值判决时刻眼图分析法a()理想的眼图b()因噪声恶化的眼图光接收机的主要性能指标1.噪声机理2.信噪比3.误码率4.接收灵敏度5.动态范围光接收机噪声一部分是外部电磁干扰产生的，这部分噪声的危害可通过屏蔽或滤波加以消除。另一部分是内部产生的，这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。其主要来源是光检测器的噪声和前置放大器的噪声。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。内部噪声暗电流噪声---无光照时产生散粒噪声热噪声的过剩噪声指数暗电流—APD22222AdAddddFfIFqMAPDIfqIPINfIFqMAPDIfqIPINpAspps22222平均信号光电流放大器的噪声指数nLnBTFRfFTK42总的均方噪声电流LnBdpATsdLnBdpTsdRfFTKfIIFqMAPDRfFTKfIIqPIN4)(24)(2222222222光接收机信噪比SNRLnBdinAinLnBdininRfFTKfIRPFqMPRMSNRAPDRfFTKfIRPqPRSNRPIN4)(24)(2222222误码率BER)0/1()0()1/0()1(PPPPBER传输的总码元数码元数一段时间内出现误码的通常数字光接收机要求BER≤10-9接收灵敏度定义为保证BER为10-9时，要求的最小平均接收光功率Pmin。)(1lg10mindBmmWPSr灵敏度下降机理功率代价10.0-400.07.06.04.02.0/dB0.000.200.150.100.05定时抖动动态范围定义为在保证系统的误码率指标的要求下，接收机最低输入光功率和最大允许输入光功率之差。)(lg10minmaxdBPPD