第五章 光探测和光接收机.ppt

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。 PN结光电二极管结构 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。 镀抗反射膜以减少反射光强度 光电二极管的特性 3.截止波长λc 4.响应速度 光生载流子的漂移时间、扩散时间、RC时间常数 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 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 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 APD雪崩光电二极管 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M APD增益与偏压及温度的关系 本征响应带宽（频域角度） APD的本征响应带宽 光电二极管的实际响应带宽 APD 波长响应曲线 三种探测器产品的典型参数 P183 表5.2.1 MSM光电探测器（MSM, Metal-Semiconductor-Metal） 单行载流子探测器(UTC-PD) 波导光电探测器（WG-PD） 分支波导探测器(Tapered WG-PD) 边入射平面折射波导RF UTC-PD 数字光接收机 光电转换和前置放大器（光接收机的核心） 光接收机前置放大器等效电路 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 数据恢复 选取最佳的判决时间 眼图分析法 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 总的均方噪声电流 光接收机信噪比SNR 误码率BER 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。 灵敏度下降机理 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。 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