光电检测器和光接收机.ppt

第六章 光电检测器与光接收机 6.1 光电检测器 6.2 光电检测器的特性指标 6.3 光 接 收 机 6.4 光接收机的噪声 6.5 光接收机的灵敏度 6.1 光电检测器 6.1.1 PIN光电二极管 由于受激辐射仅仅发生在PN结附近，远离PN结的地方没有电场存在，因此就决定了PN光电二极管(PN Photodiode，PNPD)或PN光电检测器的光电变换效率非常低下及响应速度很慢。 1. PIN光电二极管的结构 PIN光电二极管(PINPD)的结构如图6.1所示。 2. PIN光电二极管的工作原理 当光照射到PIN光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区（高场区）及耗尽区附近产生受激辐射现象，从而产生电子空穴对。 6.1.2 雪崩光电二极管 雪崩光电二极管应用光生载流子在其耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应而获得光生电流的雪崩倍增。 1. 雪崩光电二极管的结构 常用的APD结构包括拉通型APD和保护环型APD，如图6.2所示。由于要实现电流放大作用需要很高的电场，因此只能在图中所示的高场区发生雪崩倍增效应。 2. 雪崩倍增原理 APD的雪崩倍增原理为：当入射光照射在APD的光敏面上时，由于受激吸收原理会产生电子空穴对(这里我们称之为一次电子空穴对)。 3. APD的工作原理 当光照射到APD的光敏面上时，由于受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴对。 6.2 光电检测器的特性指标 6.2.1 光电检测器的工作特性 1. 响应度 在一定波长的光照射下，光电检测器的平均输出电流与入射的平均光功率之比称为响应度(或响应率)。响应度可以表示如下： 式中：Ip为光生电流的平均值(单位：A)；P为平均入射光功率值(单位：W)。 2. 量子效率 响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性。量子效率定义为通过结区的载流子数与入射的光子数之比，常用符号η表示： 式中：e是电子电荷，其值约为1.6×10-19G；ν为光频。η与ρ关系可以表示为： 式中：h是普朗克常数，c是光在真空中的速度,λ是光电检测器的工作波长。代入相应数值后，可以得到： 从式(6-4)中可以看出：在工作波长一定时，η与ρ具有定量的关系。 3. 响应速度 光电二极管的响应速度是指它的光电转换速度。 4. 暗电流 暗电流主要由体内暗电流和表面暗电流组成。 5. APD的倍增因子 APD的电流增益，即平均倍增因子M可表示为： 式中：Ip为APD倍增后的光生电流；Ip0是未倍增时的原始光生电流。若无倍增时和倍增时的总电流分别为I1和I2，则应扣除当时的暗电流Id1和Id2后才能求出M。 6. 光电检测器的噪声 光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声和由倍增过程产生的倍增噪声。 (1) PINPD的噪声 PINPD的总均方噪声电流可以表述如下： 〈i2〉=2e(Ip+Id)B 式中：e为电子电荷量；Ip为光生电流；Id为PINPD的暗电流，B为噪声带宽。 (2) APD的噪声 APD的量子噪声和暗电流噪声(要考虑倍增作用)与PINPD机理类似，计算方法也基本相同。 (3) 最佳倍增因子 虽然APD的倍增作用对信号有放大作用，但是由于倍增噪声的存在也使得总噪声增加。 6.2.2 光电检测器的典型指标及简易检测 1. 光电检测器的典型指标 表6.1中列出了富士通公司生产的两种光电检测器的典型指标。 2. 光电器件的简易检测 与光源器件一样，在没有测试条件的情况下，使用人员也可以借助于指针式万用表对光电检测器件进行简易的测试。这种测试方法主要是检查光电检测器件PN结的好坏：PN结好不能保证器件具有好的特性，而PN不好的器件其质量绝对不会好。常用光电检测器件的参考数据如表6.2所示。 6.3 光 接 收 机 6.3.1 光解调原理 1. 非相干检测方式 常用的非相干检测方式就是直接功率检测方式。直接功率检测方式是通过光电二极管直接将接收的光信号恢复成基本调制信号的过程。 2. 相干检测方式 就像普通的无线电收音机一样，首先接收光信号要与一个光本地振荡器在光混频器混频之后，再被光电检测器变换成一定要求的电信号，如图6.5所示。 6.3.2 光接收机的构成与指标 1. 光接收机的构成 在实用的直接功率检测光接收机中，光电检测器直接从接收光信号中将基本调制信号恢复出来。 2. 光接收机指标 对于不同的光纤通信系统，有着不同的光接收机质量指标。 (1) 光接收机灵敏度 所谓光接收机灵敏度，就是指在一定误码率或信噪比(有时还要加上信号波形失真量)条件下光接收机需要接收的最小平均光功率(有时也称为平均