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光纤通信第四章光检测器及光接收机王立湖南文理学院电信学院通信工程教研室

驱动电路光电二极管中继器调制器放大器判决器光纤光纤光源光接收机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。

本章重点两种常用光检测器的工作原理及工作特性光接收机的组成及各部分的功能光接收机的性能指标nnnn光接收机的噪声分析

第四章光检测器及光接收机4.1光检测器4.2光接收机4.3光接收机的噪声分析4.4光接收机的灵敏度4.5光接收机的性能评估

4.1光检测器4.1.1光电二极管的作用光接收机的首要部件是光检测器nn光检测器的作用是：检测出入射在其上面的光功率，且将光功率转化相应的电流适合通信用的光检测器：光电二极管(主要有Pin光电二极管和雪崩光电二极管)n

光纤通信中对光检测器的最重要的几点要求：对所用光源的波长范围内有较高的响应度或灵n敏度较小的噪声n响应速度快n对温度变化不敏感n与光纤尺寸匹配n工作寿命长n光电二极管：尺寸小、灵敏度高、响应速度快、材料合适

4.1.2PN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：由于光生电流包含了漂移分量和扩散分量，扩散的速度比漂移的速度慢很多，使检测器输出的电流脉冲的拖尾延长，限制了光电转换速度。

提高响应速度采用的办法1)设法加宽耗尽层，使得照射光子尽可能被吸收，负偏压有助于加宽耗尽层。由于负偏压产生的电场与内建电场方向一致，使得耗尽层电场增强，加强了漂移运动，N区电子向正极运动并被中和，P区的空穴向负电极运动并被中和，这样耗尽层被加宽。2)减少P区和N区的厚度来减少载流子的扩散时间，减少P区和N区被收的光能3)降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层。这种结构就是常用的PIN光电二极管4)

4.1.3PIN光电二极管一结构及工作原理在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。nI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

二主要工作特性（1）1截止波长吸收系数对一给定的探测区材料就有一个能够探测的最低频率或最大波长，而对波长大于这个极限波长的光波就不能被探测到。nn光子能量h?大于半导体材料的禁带宽度E时，价g带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，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上截止波长?C：

二主要工作特性（2）在短波长段，材料的吸收吸收系数变得很大，因此光子在接近光检测器的表面就被吸收了，电子－空穴对的寿命极短，结果载流子在由光检测器电路收集以前就已经复合了。Si：?=1.06?m，使用范围：0.5~1.0?mCGe：?=1.6?m，使用范围：1.1~1.6?mCInGaAs：?=1.6?m，使用范围：1.1~1.6?mC

二主要工作特性3）2量子效率和响应度入射光功率P中含有大量光子，能转换为光电流的光子nin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光生电流I与入射光功率P之比称为响应度nn0inR=I/P00in响应度与量子效率的关系n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。

二主要工作特性（4）3响应时间响应时间：由光功率输入转化为光电流输出，有一定时间迟后，其值取决与光检器电路的上升时间、载流子通过耗尽区的渡越时间、载流子扩散时间。主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间。由渡越时间限制的上截止频率

二主要工作特性（5）4线性饱和当入射光功率太大时，光生电流与光功率不成正比，产生非线性失真。nn5暗电流在无光照射时仍有电流流过，这部分电流称为暗电流.反向电压越大，暗电流越大。

4.1.4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：吸收入射光-------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）外电场加速增加了一个附加层，倍增区或增耗尽层仍为I层，起产生一益区，以实现碰次电子－空穴撞电离产生二次对的作用。电子－空穴对。

二APD的工作特性（1）1、倍增系数G=I/II--平均输出电流，p0PI0--一次光生电流I＝GI＝GRPP0in倍增系数G与外加偏压、波长、温度有关。2、过剩噪声因