光纤通信技术-张新亮-第四章光接收机

2009­3­19 OE of HUST 1 第四章光接收机2009­3­19 OE of HUST 2 内容 4.1 基本概念 4.2 光探测器设计 4.3 光接收机设计 4.4 光接收机噪声分析 4.5 光接收机灵敏度 4.6 光接收机灵敏度的劣化 4.7 接收机性能评估2009­3­19 OE of HUST 3 4.1 基本概念 • 光电检测过程的基本机制是光吸； • 当入射光子能量hv超过带隙能量时，半导体每吸收一个光子就产生一个电子—空穴对。 • 在外加电压建立的电场作用下，电子和空穴在半导体中渡越并形成电流流动，称为光电流，其电流大小与入射光功率P in 成正比。2009­3­19 OE of HUST 4 in tr P W P ) exp(a-= in P 图4.2 光电导探测器2009­3­19 OE of HUST 5 • 光生电流大小： • R称为探测器响应度（Detector Responsivity），单位为A/W ； • R大小与半导体材料的量子效率有关； – 量子效率：入射光子转换为载流子的效率： – R与量子效率的关系： hv P q I in p / /=h () / 1.24 pin qum RIP hvhhl==» in P RP I=（4.1.1）（4.1.2）（4.1.3）2009­3­19 OE of HUST 6 – 可见材料一定，响应度随波长响应度随波长ll增加而增大，增加而增大，这可以简单理解为对于相同的光功率随波长增加所含的光子数增加。但当光子能量低于带隙能量E g 时，就不会产生电子空穴对，这时h→0。2009­3­19 OE of HUST 72009­3­19 OE of HUST 8 • 图4.3给出了通常用于光电检测器的一些半导体材料的吸收系数与波长的关系。对应的波长称为截止波长，用此材料制造的光电检测器只能检测的光信号。 • 间接带隙半导体材料Si和Ge不能作光源，但可以用来制作光探测器，但它们的吸收边不如直接带隙半导体材料陡直。 • 大部分半导体材料的吸收系数可达10 4 cm ­1 ，宽约为10mm 时，可接近于1。这说明半导体材料用于光探测具有较高的效率。 0=a cl cllh2009­3­19 OE of HUST 9 1.24 () () c g m EeVlm=Si－1.06mm Ge－1.6mm 图4.32009­3­19 OE of HUST 10 光探测器带宽 • 光探测器的带宽取决于它对输入光功率变化的响应速度； • 定义上升时间T r 为当输入光功率突然增加时，光电流从最大值的10%上升到90%的时间； • 上升时间T r 与半导体材料内载流子的穿越时间和信号处理电路响应时间有关： ) )( 9 (ln RC tr r Ttt+= W2009­3­19 OE of HUST 11 –ttr 穿越时间：W越大，ttr 越大因此提高响应率与提高带宽是矛盾的； –tRC 等效RC电路的时间常数:考虑信号处理电路的响应速度。2009­3­19 OE of HUST 12 • 光探测器带宽： • 例如当ttr ＝tRC ＝100ps时，光探测器带宽为1GHz，对于比特率达到10Gb/s的系统，ttr 和tRC 应该小于10ps。 1 )] ( 2 [-+=D RC tr fttp2009­3­19 OE of HUST 13 小结－光探测器的重要性能指标 • 响应度（Responsivity）：与信号波长，材料宽度W及吸收系数有关。材料一定W越大响应度越大； • 带宽（Bandwidth）：与载流子穿越时间有关，材料宽度 W越大穿越时间越长，带宽越小； • • 提高带宽和提高响应度是矛盾的，必须综合考虑；提高带宽和提高响应度是矛盾的，必须综合考虑； 1.24 Rhl» 1 )] ( 2 [-+=D RC tr fttp ) exp( 1 / W P P in absah--==2009­3­19 OE of HUST 14 • 暗电流：是指在没有输入光信号的条件下产生的电流，一般是由杂散光或热效应产生的电子空穴对引起的。对于一个性能优良的光探测器，暗电流很小（小于10nA），通常可以忽略。2009­3­19 OE of HUST 15 4.2 光探测器设计 • 光探测器有二种基本类型：光电导型（光导型）和光电压型（光伏型器）。本节主要介绍光电导型探测器。如图 4.2所示的带有欧姆接触的均匀半导体平板是一种简单的光电导型探测器。半导体材料的电导率很低，当没有入射光时，电流很小，当入射光照射时，产生了电子—空穴，增大了电导率，并使电流与入射光功率成比例增大，因此称之为光导型探测器；2009­3­19 OE of HUST 16 • 实际中常用反向偏置的PN结作为光电导型探测器。在没有入射光时其具有非常大的内部阻抗，而在有入射光时，其内部产生的光生载流子在外部电场作用下产生光生电流。这种探测器具有高灵敏度和快速响应速率，在光通信系统得到普遍应用。2009­3­19 OE of HUST 17 • 反向偏置的PN结中存在耗尽区，其中基本没有自由载流子，并存在强内建电场阻止电子从N区扩散到P区（空穴从 P区扩散到N区）。如图4.4所示，当有光照射到PN结的一边，如P侧时，就通过吸收光而产生了电子—空穴对。在耗尽区产生的电子和空穴对在强内建电场的作用下，以相反的方向分别漂移到N侧和P侧，产生正比与入射光功率的光生电流。此时反偏的PN结就构成了光电检测器，并称为 PN光电二极管； 4.2.1 PN光电探测器2009­3­19 OE of HUST 18 • 入射光大部分在耗尽区内吸收，耗尽区内光吸收产生的电子一空穴对在内建电场作用下分别向左右两侧运动，形成了光电流，其值为。光电二极管的量子效率高，因而响应度较高（可达1A/W）。 in P RP I=2009­3­19 OE of HUST 19 (a)反偏的PN结 (b)PN结内的光功率变化 (c)能带图图4.4 PN光电二极管的工作原理2009­3­19 OE of HUST 20 • 光生电子－空穴对根据生成位置的不同具有不同的运动方式： – 在p区产生的电子通过扩散进入耗尽区，在内建电场作用下通过漂移进入n区。而产生的空穴则在外加电场作用下向负电极运动； – 在n区产生的电子在外加电场作用下向正电极运动。而产生的空穴通过扩散进入到耗尽区，在内建电场作用下通过漂移进入p区； – 在耗尽区产生的电子和空穴在内建电场作用下以相反的方向分别漂移到N侧和P侧。2009­3­19 OE of HUST 21 • 光电二极管的响应速度取决于载流子通过耗尽区的渡越时间。如果耗尽区宽为W，为漂移速度，则有 • 一般来说，W≈10μm，≈10 5 m/s，则有τ tr ≈100ps。 W和的优化都可以减小穿越时间。 • W的大小取决于施主和受主杂质的浓度； • 的大小取决于所加的偏置电压，并与材料有一定的关系；（4.2.1） d v d tr v W /=t d v d v d v2009­3­19 OE of HUST 22 • 在P区产生的电子漂移到N区以前先要扩散到耗尽区边界，在N区产生的空穴也要扩散到耗尽区边界。由于扩散运动比漂移运动的速度慢得多，载流子扩散1mm长的距离需要 1ns的时间（10 3 m/s) ，远远大于100ps，这就限制了光电二极管的响应速度。 • 限制PN光电二极管带宽的主要因素是在产生的光电流中存在扩散分量，它与耗尽区外的光吸收有关。2009­3­19 OE of HUST 23 • • 另外，光电二极管的响应速度还取决于另外，光电二极管的响应速度还取决于RC RC时间常数，时间常数，可表示为其中R L 为外部负载电阻，R s 为内部串联电阻，C p 是寄生电容。典型值为100ps。（4.2.2） p s L RC C R R ) (+=t2009­3­19 OE of HUST 24 • 图4.5显示扩散分量的存在将导致光电二极管瞬态响应的失真。实际上扩散对光电二极管响应速度的影响程度与比特率有关，当光脉冲宽度远短于扩散时间时，扩散的影响可忽略。 • 当减小减小P P区和区和N N区的宽度而增加耗尽区的宽度，使大部分入区的宽度而增加耗尽区的宽度，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，也可降低扩散的影响射光功率在耗尽区吸收，也可降低扩散的影响，下一小节将要讨论的PIN光电二极管就是基于这种考虑而提出的。2009­3­19 OE of HUST 25 图4.5考虑漂移和扩散运动时PN光电二极管对矩形光脉冲的响应2009­3­19 OE of HUST 26 小结－限制PN结光电探测器的主要因素 • 存在扩散电流分量： • 等效电路的RC时间常数： • 解决方法： – 增加耗尽区宽度，使得光子尽量在耗尽区被吸收，以增加漂移电流分量，减少扩散电流分量； – 提高载流子漂移速度V 漂移； / tr Wvt= p s L RC C R R ) (+=t V 扩散～10 3 m/s V 漂移～10 5 m/s;2009­3­19 OE of HUST 27 小结－外加反向偏压的作用 • PN结耗尽区只有几个微米，大部分入射光子被中性区所吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。反向偏压可以加强内建电场，增加耗尽层宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，使入射光子大部分被耗尽区所吸收，这样增加了漂移电流分量，同时提高了漂移速度，从而提高了探测器响应速度。 • 注意：电子漂移速度空穴漂移速度；2009­3­19 OE of HUST 28 • 存在上截止波长lc ，当光波长时，光子能量低于带隙能量E g ，就不会产生电子空穴对。 • 光电探测器除了有上截止波长外，还有下截止波长。这是因为当入射波长太短时，光子的吸收系数很大，使得大量入射光子在PN结表面（中性区）被吸收，但中性区产生的电子－空穴对在扩散进入耗尽区前很容易再被复合掉，使光电转换效率大大下降。 • Si光电二极管波长响应范围0.5mm~1.0mm，Ge和 InGaAs光电二极管波长响应范围1.1mm~1.6mm。小结－探测器的波长响应范围 cll2009­3­19 OE of HUST 29 4.2.2 PIN探测器 • 在p型材料和n型材料间增加一层本征半导体材料以增加耗尽区的宽度； • 通过控制本征半导体材料的厚度可以控制耗尽区的宽度。 PIN管中p区和n区很薄，而I区很厚，耗尽区几乎占据了整个PN结； • 由于PIN管中大部分入射光在I区被吸收，它与PN光电二极管主要区别在于光电流的漂移分量相对于扩散分量占支配地位。2009­3­19 OE of HUST 302009­3­19 OE of HUST 31 • 耗尽层宽度W要考虑灵敏度和带宽这两个指标合理折衷选取，W增大可提高响应度，但是过大的耗尽区宽度将延长载流子通过耗尽区的漂移时间，导致响应速度变慢。 • 例如，对Si和Ge等间接带隙半导体材料，在长波长的吸收系数较小，为确保有合理的η值，W的典型值在20～ 50μm之间，其漂移时间大于200ps，因而响应速度较慢。对于InGaAs等直接带隙材料，长波长的吸收系数较大， W可减小至3～5μm，则漂移时间为30～50ps。此时探测器的带宽可达3~5GHz。2009­3­19 OE of HUST 32 双异质结结构PIN探测器 • 采用双异质结结构能显著提高PIN光电二极管的性能，类似于半导体激光器，I层夹在另一种半导体材料的P层与N 层中间，合理选取其带隙Eg(i)hvEg(p,n)，可以使得P 层与N层透明，光仅在中间I层吸收； • 通常用于光波系统的PIN光电二极管采用InGaAs作为中间层，用InP作为P层和N层：InP的带隙为1.35eV，对l0.9μm的光，InP是透明的，InGaAs的带隙约为 0.75eV，相应的截止波长lc =1.65μm，因而在1.3～ 1.6μm的波长范围内中间InGaAs层具有很强的