第四章光检测器.ppt

前 言 发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了。 光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。 它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电检测器。 对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。 用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些要求。 Light Detector External Photoelectric Effect(外部光电效应)：金属表面通过吸收入射光子流的能量从而释放电子，形成光生电流——真空光电二极管和光电倍增管 Internal Photoelectric Effect(内部光电效应)：半导体结型器件通过吸收入射光子产生自由电荷载流子（电子和空穴）——PN结光电二极管，PIN结光电二极管，雪崩光电二极管 Vacuum photodiode真空光电二极管 Vacuum photodiode 单个电子从阴极逃逸需要一个最低的能量值，称为功函数(Work Function)，入射光子的能量必须大于此值才能产生光致电子发射。 光子能量hv大于功函数时，电子可以吸收光子而逸出，否则不论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任何一种材料制作的光电二极管都有截止波长(Cutoff wavelength )?C：(um) 光波长大于这个值时，入射光子没有足够的能量激励检测器，因而不能被检测到，波长小于这个值时，光子能量超过功函数，能被检测到。 例1，铯是一种常见的光致发光材料，其功函数为1.9eV,计算其截止波长。 量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的电子数与入射光子数之比，即 Photomultiplier （PMT）光电倍增管 Photomultiplier 每个倍增电极的增益(Gain)指每个入射电子所产生的二次发射电子数的平均值。通常在2~6之间。 假设每个倍增电极的增益为δ，总的增益为： 通过外电路的电流为： Photomultiplier 光电倍增管产生内部增益(Internal Gain)，可以在不显著降低信噪比的情况下放大信号，而放大器的外部增益（External Gain）一般会引入噪声，降低信噪比。 光电倍增管响应速度很快，不到1ns。 缺点：成本高，体积大，重量大，需要一个能提供数百伏偏置电压的电压源。 光探测原理----受激吸收 假如入射光子的能量超过禁带能量 Eg，耗尽区(PN结的结区也就是中间势垒所在区域，没有自由电子)每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。 PN结光电检测原理 光电二极管（PD）是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，由光电二极管作成的光检测器的核心是PN结的光电效应。当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近基本上没有载流子，称为耗尽区。当光束入射到PN结上，且光子能量hf大于半导体材料的带隙Eg时，价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子—空穴对。 简单的 PN 结光电二极管具有两个主要的缺点。 首先，它的响应速度很慢。 其次，它的量子效率很低，响应度很低。 雪崩光电二极管（APD）是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。 APD的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在 PN 结内部形成一个高电场区。 APD能提供内部增益 工作速度高 已广泛应用于光通信系统中 Cutoff Wavelength 截止波长 综上所述，检测某波长的光时要选择合适材料作成的光检测器。首先，材料的带隙决定了截止波长要大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。其次，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。Si―PIN光电二极管的波长响应范围为0.5～1μm，Ge―PIN和InGaAs―PIN光电二极管的波长响应范围约为1~1.7μm。 量子极限值 当要求BER=10E-9时，Np = 9 ln 10 ? 21，也就是说，每个比特1含有的平均光子数应至少为21个，这就是所谓的量子极限值。 量子极限是对系统特性的基本物理限制，大多数接收机的灵敏度要比量子极限高出20dB左右。 4.1 光检测器的工作原理 4.2 光检测器的特性参数 4.3 光接收机 4.4 光收发合一模块 第四章 光检测器和光接收机 4.4 光收发合一模块 光收发合一模块是将传统分离的发射、接收组件合二为一的一种新型光电器件。 应用领域 传输速率: 155Mb/s、622Mb/s、1.25Gb/s、2.5Gb/s、10Gb/s 工作波长： 850nm、 1310nm、1550nm 本章小结 光检测