光检测器及光接收机.ppt

编辑课件 光检测器与光接收机 第五章 李佳骏 光源 调制器 驱动电路 放大器 光电二极管 判决器 光纤 光纤 中继器 光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号。 光接收机 光电转换器件 要求: 高效率、低噪声、宽带 原理：光吸收 入射光 半导体 5.1 光检测器 目前，较为常见的半导体光检测器有： （1）PIN光电二极管 （2）雪崩光电二极管APD 5.1.1 PN光电二极管 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。 响应时间：由光功率输入转化为光电流输出，有一定时间迟后，其值主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间。 5.1.1 PN光电二极管(2) 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。 解决方法：减小P,N区厚度，增加耗尽区的宽度，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少P,N区吸收的光能--PIN 考虑漂移和扩散运动时PN光电二极管对矩形脉冲的响应 扩散分量的存在导致光电二极管瞬态响应失真 5.1.2 PIN光电二极管 在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大耗尽区宽度w，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的要求。由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导体(Intrinsic)，因此这种结构称为PIN光电二极管。 I区高阻抗,电压基本都落在I区 PIN光电二极管及反偏时各层的场分布 5.1.3 雪崩光电二极管APD 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： 入射光-------一对电子-空穴对(一次光生电流)-------------- 与晶格碰撞电离---------多对电子-空穴对(二次光生电流） 吸收 外电场加速 增加了一个附加层，倍增区或增益区，以实现碰撞电离产生二次电子－空穴对。 耗尽层仍为I层，起产生一次电子－空穴对的作用。 当保持所加偏置电压不变时，降低温度，则电子和空穴的电离速率会增加，因而雪崩增益也会增加。 温度对雪崩增益的影响 量子效率 入射光功率Pin中含有大量光子，能转换为光电流的光子数和入射总光子数之比称为量子效率. 产生的电子－空穴对的个数 入射的光子数 在光电二极管的应用中，100个光子会产生30到95个电子－空穴对，因此检测器的量子效率范围为30%~95%。为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得可以吸收大部分的光子。但是，耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越(across)反向偏置结的时间就越长。由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷。 5.2 光接收机 光信号 光电 变换 前置 放大 主放 大器 均衡 滤波 判 决 器 时钟恢复 输出 AGC电路 性能指标:接收灵敏度、 误码率或信噪比 前端 线性通道 时钟提取与数据再生 （CDR） 对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。 （注:AGC自动增益控制） 5.2.1 光接收机的前端 前端：由光电二极管和前置放大器组成。 作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然后进行预放大（电流－电压转换），以便后级作进一步处理。是光接收机的核心。 要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽 电信号 光信号 光电 变换 前置 放大 5.2.2 光接收机的线性通道 对主放输出的失真数字脉冲进行整形，使之成为有利于判决码间干扰最小的升余弦波形。 可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收机的动态范围。 提供高的增益，放大到适合于判决电路的电平。 主放 大器 均衡 滤波 AGC电路