[教育学]5浙江传媒学院第五章上课版本.ppt

第五章 光检测器与光接收机 HHOR7100A经济型小壳光接收机 家用双向光接收机 5.1 光检测器 5.1 光检测器 工作原理：入射光从P侧进入，在耗尽区光吸收产生的电子－空穴对在内建电场作用下分别向左右两侧运动，产生光电流。 5.1.1 PN光电二极管(1) 带宽受限的主要因素: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。载流子作扩散运动的时延将使检测器输出电流脉冲后沿的托尾加长，影响光电二极管的响应速度。 PIN光电二极管 PIN光电二极管 双异质结结构： N区和P区：InP（磷化铟），对?920nm的光透明； I区: InGaAs； ?=1300~1600nm 强烈吸收 InGaAs（铟砷化镓），电子在InGaAs中的传输速度是硅的数倍。MIT的MTL（微系统实验室）最近演示了用InGaAs制作的晶体管，传输电流是最先进的硅晶体管的2.5倍。而InGaAs晶体管的尺寸仅仅为60纳米。InGaAs晶体管的优点是能够减少芯片尺寸，提高信息处理的速度. 广泛用于探测器! PIN光电二极管 每个在能级之间跃迁的电子只吸收一个光子 产生光电流需满足条件： hf ≥ Eg 因?=c/f 即: ?≤ ? C=hc/Eg Eg使用电子伏特（ev）, ?为微米（?m） 截止波长：Si: ?c=1.06 ?m Ge,InGaAs: ?c=1.6 ?m 响应波长: Si: 0.5-1.0 ?m Ge, InGaAs: 1.1-1.6 ?m PIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益 APD:利用电离碰撞, 1个光子产生多对电子-空穴对,有增益 工作过程： 5.2光电二极管特性1.量子效率 5.2光电二极管特性 光电二极管特性 信噪比也是衡量接收机好坏的重要指标，光接收机的噪声主要来源于光电检测器和其后面的前置放大器，而暗电流就是光检测器产生噪声的原因之一。暗电流Id定义为无光照射时光电二极管的反向电流，主要是由热激发而形成的载流子引起的。 在PIN光电二极管中，由于体内暗电流不会受到倍增作用且检测器本身处于反向偏置状态，所以其值要比表面暗电流小得多。因此，PIN光电二极管的暗电流大小主要决定于其表面暗电流。 在APD中，由于体内暗电流有倍增，其值远大于表面暗电流。所以APD的暗电流主要是指体内暗电流。由于倍增作用，APD的暗电流要比PIN-PD的暗电流大得多。随温度上升，暗电流将会急剧增加。 暗电流会引起光接收机的噪声增大，因此，希望器件的暗电流越小越好。 光检测器的比较（1） Si、Ge、InGaAs pin光电二极管的通用工作特性参数 Si、Ge、InGaAs 雪崩光电二极管的通用工作特性参数 光检测器的比较（3） 在短距离的应用中，工作在850nm的Si器件对于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。 在长距离的链路常常需要工作在1330nm和1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。 APD检测器与PIN检测器相比，具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。 5.3.1 光接收机的前端(1) 光检测器的选择：要视具体应用场合而定。 PIN光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工作电压，响应速度快。 APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。 从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用PIN光电二极管作光探测器。 前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管(FET)。PIN/FET和APD/FET。 5.2.1 光接收机的前端(3) 根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案： 低阻抗前端 高阻抗前端 跨（互）阻抗前端 5.3.1 光接收机的前端(4) 5.3.2 光接收机的线性通道 5.3.3 判决再生与时钟提取 5.3.3 判决、再生过程 5.3.4 光接收机的噪声特性 5.3.5光接收机主要性能指标 接收灵敏度：接收机工作于某一误码率所要求的最小平均接收光功率。灵敏度是光接收机的重要指标，描述了其准确检测光信号的能力。 PR为输入最小光功率 误码率（BER）： 接收机判决电路错误确定一个比特的概率。 5.3.5光接收机主要性能指标 光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最大允许平均接收光功率与最小平均接收光功率之差 可以用dB表示为 例1