光纤通信原理——原理与应用.ppt

章光电探测器和光接收机

;光电检测器完成光/电信号的转换。其基本要求是：

①在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；

②具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；

③具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；

④具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；

⑤具有较小的体积、较长的工作寿命等。

目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。;光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换。

光电效应如图5-1（a）和（b）所示。

当入射光子能量hf小于禁带宽度Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足以下条件hf≥Eg（5-1）

;图5-1半导体材料的光电效应;

光频fc＜的入射光是不能产生光电效应的，将fc转

换为波长，则λc=。即只有波长λ＜λc的入射

光，才能使这种材料产生光生载流子，故λc为产生光电效应的入射光的最大波长，又称为截至波长，相应的fc称为截至频率。;一、PIN光电二极管

PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，加一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，如图5-3（a）所示。这样可以提高其响应速度和转换效率。结构示意图如图5-3（b）所示。;PIN光电二极管结构示意图;雪崩光电二极管，又称APD（AvalanchePhotoDiode）。它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。

;1．APD的雪崩倍增效应;2．APD的结构;图5-4RAPD的结构图和能带示意图;PIN管特性包括响应度、量子效率、响应时间和暗电流。

APD管除有上述特性外，还有雪崩倍增特性、温度特性等。

1．PIN光电二极管的特性

（1）响应度和量子效率

响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。

①响应度

响应度定义（A/W） （5-3）

其中，Ip为光电检测器的平均输出电流，Pin为入射到光电二极管上的平均光功率。;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光电子数与入射光子数之比，即

（5-4）

其中，e为电子电荷，，hf为一个光子的能量，

（5-4`）

式中m/s为光速，·s为普朗克常数。

也就是说，光电二极管的响应度和量子效率与入射光频率（波长）有关。;硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系。;响应速度是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态。一般用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。显然响应时间越短越好。

响应时间——光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90％，或由后沿的90%下降到10%的时间定义为脉冲上升时间和脉冲下降时间。

;（3）暗电流;PIN光电检测器的一般性能;APD除了PIN的特性之外还包括雪崩倍增特性、温度特性等。

（1）倍增因子

倍增因子g实际上是电流增益系数。在忽略暗电流影响的条件下，它定义为g=I0/Ip （3-13）

I0为有雪崩倍增时光电流平均值，Ip为无倍增效应时光电流平均值。PIN管由于无雪崩倍增作用，所以g=1。

（2）温度特性

随着温度的升高，倍增增益将下降。

;（3）APD噪声特性;APD光电检测器的一般性能;第四节数字光纤通信接收机;强度调制—直接检波（IM-DD）的光接收机方框图如图5-6所示，主要包括光电检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。;1．光电检测器：光电检测器是把光信号变换为电信号的关键器件，对其要求是：

①在系统的工作波长上要有足