CATV光接收机原理及应用01.doc

CATV光接收机原理及应用 (2009-10-27 20:01:11) ? ?? 第一部分??? 光探测器的结构及性能????? 光探测器在光纤传输系统中的任务是光电转换。在信号的光传输链路中，光探测器是光接收机的心脏部件，对于强度调制系统，光探测器把输入的光束的强度变化转化为相应的电流变化；对于外差检测系统，光探测器把信号光束电场与本振光束电场之积转化为电流，其变化规律反映信号光的频率变化或相位变化。另外，在光传输链路的监测、探测系统中，光探测器还广泛用作光强传感器，例如，在激光器组件中包含光探测器，用以实现发送光功率的自动控制；在光纤放大器中，用光探测器感知输入输出光功率的大小，以实现放大器的状态控制。??????? 在CATV光传输系统中对光探测器有如下要求：A、在系统工作的波段范围内有很高的响应效率，即对工作波段内入射的光信号，光探测器能输出较大的光电流，实际上不同材料对各种波长的光的响应效率是不一样的，在使用光探测器时必须合理选择所用的器件，才能满足系统要求。B、有足够的响应度，输出电流与输入光功率是线性关系，以保证信号不失真。C、噪声低，频带宽。光探测器在光电变换中引入的噪声应尽量小，因为光探测器的入射光信号一般相当微弱，又是光接收机的最前级，对系统的载噪比影响较大。D、可靠性高、寿命长、性能稳定，能适应一定的温度等环境条件变化，另外还要求光探测器体积小、价格低、偏置简单等。为了满足上述系统要求，目前一般都采用半导体光探测器。????? 一、光探测器的结构????? 光纤通信系统中所使用的半导体光电探测器都是利用光电效应原理制成的，所谓光电效应就是指一定波长的光照射到半导体的PN结时，价带上的电子吸收光子能量而跃迁到导带，使导带中有了电子，价带中有了空穴，从而使PN结中产生光生载流子的一种现象。当P型半导体和N型半导体结合时（不是机械结合，而是分子间结合），能构成一个P-N结，在P、N型半导体的交界将发生载流子相互扩散的运动；P型材料中的空穴区比N型材料多，空穴将从P区扩散到N区；同样N型材料中的电子远比P型材料的多，也要扩散到P区，达到平衡时，这些向对方扩散的载流子将积聚在P区和N区交界面的附近，形成空间电荷区，称为结区，如下图所示： ? 空间电荷区内，因多数载流子（指P区中的空穴，N区中的电子），几乎已消耗尽了，故又称它为耗尽区。耗尽区内形成了内建电场Ei以及接触电势或势垒Va，Ei或Va的存在阻止多数载流子继续向对方扩散，达到了平衡状态。如果P-N结接收相当能量的光波照射，进入耗尽区的光子就会产生电子——空穴对，并且受内电场Ei的加速，空穴顺Ei方向漂向P区，电子则逆Ei方向漂向N区，光照的结果打破了原有结区的平衡状态。光生载流子的运动，同样要在结区形成由场Ep和电压Vp，而Ep和Vp的方向和极性正如与Ei和Va相反，起到削弱Ei和Va的作用。电压Vp称为光生伏特，当光照是稳定的，将P-N结两端用导线连接，串入电流计就能读出光电流Ip。??????? P-N结中的光电流是靠耗尽区中的内电场形成的。当以适当能量的光照射P-N结且光强很大，能使光生电场Ep=Ei，合成电场E=Ei-Ep=0，即Ei已被削减为零，耗尽区也不存在了。这时光生载流子虽仍可在P-N区中产生，但无电场导引和加速，在杂乱的扩散过程中，大部分光生空穴和光生电子相继复合而消失，不能形成外部电流。这是不加偏置的P-N结可能出现的问题；零偏置有两大弊病：（1）器件的响应速度很差，并且很容易饱和；（2）依靠扩散运动形成的光电流响应速度很慢。若在P-N结上加反向偏置电压V，则势垒高度增加到Va+V，负偏压在势垒区产生的电场与内建场方向一致，使势垒区电场增强，加强了漂移运动，而且N区的电子向正电极运动并被中和，P区的空穴向负电极运动也被中和，这样耗尽层就被加宽了，响应率和响应速度都可以得到提高。除了加负偏压的方法外，还可以通过减小P区和N区的厚度来减小载流子的扩散时间；减少在P区和N区被吸收的光能以及降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层的方法来提高器件的响应速度，这种结构就是常用的PIN光电二极管。???? ?? 前面讲述了光探测器的原理及结构。总的说来，PIN无增益、灵敏度稍低、要求偏压小、暗电流小、动态范围大，适用于模拟电视传输；在CATV应用中以PIN光探测器居多，因而此处重点讲述PIN光探测器的性能指标及在光接收机中的应用。????? 二、PIN光探测器的技术指标及应用?PIN光电二极管在P和N层之间夹有一个本征层（I层），P层做得很薄。P和I层之间的结区静电容做得极小，为0.5-2PF，因此能获得高速脉冲或射频电视信号的优良特性。PIN光电二极管的主要技术指标主要由下列参数来表征：????? ?1．光电转换效率。衡量光电转换效率