光纤通信光检测器与光接收机PPT课件

NF3 1 G1G2
第41页/共72页
4.4 光接收机的信噪比
在光纤通信系统中，通常要求光电二极管能检测出微弱的光信号。 为了检测到最小可能的信号，必须对光检测器和它随后的放大器电路进 行最优化设计，以此来保证一定的信噪比。 光接收机输出端的信噪比S/N定义为
w td vd
一般情况下，耗尽区的电场足够高，载流子都可以达到它们的散射极限速度。 典型的Si光电二极管的耗尽区宽度为10um，极限响应时间为0.1ns。
第24页/共72页
上升时间的快速反应分量源于耗尽区产生的载流子，
而慢速分量则是源于距离耗尽区边界处的载流子的扩散。
在光脉冲的后沿，耗尽区的光脉冲吸收得很快，所以在下降时间里产生 了快速分量，在距耗尽区边界以内的载流子扩散造成了脉冲后沿的一个 很慢的延迟拖尾。
第12页/共72页
光 一次电子
高电场
第14页/共72页
§4.2 光电二极管的工作特性
光电二极管的主要特性参数包括响应度、量子效率、响应带宽、APD的倍增系 数及噪声等。这里仅讨论响应度和量子效率。
1、量子效率
单位时间产生的电子数 单位时间注入的光子数
Ip /e
Pin / h
式中 e是电子电荷， h是普朗克常数。
光检测器负载电阻的均方热噪声电流为：
ST
(
f
)BT 0 RL
df
4k BTB RL
K：玻耳兹曼常数 T：绝对温度
第31页/共72页
光电检测器的特性
响应度
量子效率 截止波长 倍增因子 响应时间
噪声
I p RPin
M IM Ip
对于pin
量子噪声
对于APD
R e
§4.1光检测器工作原理
光检测器利用光电效应实现。
外光电效应、内光电效应 光电二极管（PD）
P
N
真空光电二极管、半导体光电二极管
1、半导体光电二极管
光子进入PN结，价带的电子受激吸收将 被激发到导带，产生一对光生载流子， 受内建电场的作用，光生载流子的电子 向 N区漂移，空穴向P区漂移，载流子 移动到外部电路形成光电流。
1 ）雪崩光电二极管的的结构 高掺杂的 P 型半导体，为接触层； P型半导体，为倍增层（或称雪崩区）； I轻掺杂半导体I层，为漂移区（光吸收区）； N+高掺杂的 型半导体，为接触层。
第9页/共72页
2 ）雪崩光电二极管(APD)的工作原理
当外加的反向偏压(约100V—150V)比PIN情况下高得多时，这个电压 几乎都降到P 结上。特别是在高阻的PN结附近，电场强度可高达 105V/m， 已经高出碰撞电离的电场。
另外，如果w太小，结电容也会变得很大。结电容Cj为：
Cj
s A
w
A＝扩散层面积
这个电容增大，就会使RC时间常数变大，从而限制了检测器的响应时间。在高频 响应和高量子效率之间有一个合理的吸收区宽度的选择，那就是使吸收区宽度介
于1/ s和2/ s 之间。
第25页/共72页
7、噪声特性
量子噪声 入射光子激发的电子空穴的随机性产生的电流 暗电流噪声 PIN在反偏情况下，没有外来的光时产生的电流
结构：PN结之间加了一层本征半导体（I层）
P
I
N
在p区和n区之间插入I区，增加了耗尽区的宽度，使得大部分的入射光在耗尽区被 吸收，因此大部分的载流子也在此区域内产生。耗尽区的高电场使得电子-空穴对 迅速分开并在反向偏置的结区中向两端流动，然后在边界处被收集，从而在外电路 中形成电流。
特点：I区的耗尽区很宽，入射光很容易产生光生电子空穴对， 形成漂移电流；提高了响应速度。另外， I区的吸收系数 小 ， 因而光电转化效率高。
800～
1650 50～200 50～500 0.5～0.8
2～10 20～40
1100～1700 10～40 10～50 0.1～0.5 20～250
20~30
第35页/共72页
应用 APD ：用于灵敏度要求较高的地方，但造价高 PIN：灵敏度要求不高的地方， 便宜
第36页/共72页
§4.3光接收机 光接收机的任务 从接收到带有附加噪声及失真的微弱光信号中恢复出 携带的信息。 光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的 性能。 光纤通信系统有模拟和数字两大类 光接收机也有数字接收机和模拟接收机两种形式。
第10页/共72页
此时若光从 P区照射，则和PIN一样，大部分光子将在较厚的I层被吸收， 因而产生电子、空穴对。
第11页/共72页
入射光功率产生的电子空穴对经过高场区时不断被加速而获得很高的能 量，这些高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使 晶格中的原子电离，产生新的电子空穴对。新的电子空穴对受到同样加速 运动，又与原子碰撞电离，产生电子空穴对，称为二次电子空穴对。如此 重复，使强电场区域中的电子和空穴成倍的增加，载流子和反向光生 电流迅速增大，产生雪崩现象, 这个物理过程称为雪崩倍增效应。
时间 r 和下降时间 f 来表示。
输出脉冲前沿的10％到90％
之间的间隔为上升时间 r
第23页/共72页
光电二极管光电流的响应时间主要取决于以下三个因素： 1．耗尽区的光载流子的渡越时间； 2．耗尽区外产生的光载流子的扩散时间； 3．光电二极管以及与其相关的电路的RC时间常数。
渡越时间t由载流子漂移速度v和耗尽区宽度w决定
势垒
耗尽层
光生电流包括：
漂移电流--耗尽区的光生载流子在电场作用下运动形成的电流扩散电流 扩散电流----P区的光生载流子形成的电流
N区的光生载流子形成的电流
第1页/共72页
P 空间电荷区
N
扩散电流 漂移电流 扩散电流，光电转换效率低，响应速度慢 漂移电流, 光电转换效率高，相应速度快 增大漂移电流，减小扩散电流
解： 初级光电流为：
Ip
RP0
1.24
P0
0.65 0.9 1.24
0.5
0.236(A)
倍增因子M为： M IM 10A 43
IP 0.235 A
因此，初级光电流被放大了43倍。
APD的性能是由它的响应度 RAPD来表征。 APD响应度定义为
RAPD RPIN M 其中 RPIN 是pin二极管得响应度。
m2 F(M ) M 2
F(M
)
kAM
(1
kA )(2
1 M
)
第21页/共72页
m 各载流子倍增因子
§4.2 光电二极管的工作特性
量子效率 响应度
R e h
1.24
APD 光电二极管倍增因子M
过剩噪声因子
I p RPin
第22页/共72页
6、 检测器响应时间
当检测器受到阶跃光脉冲照射时，响应时间可以用检测器输出脉冲的上升
热噪声 外围电路中的电阻和放大器产生的电热噪声
第28页/共72页
（1） 量子噪声
量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时，光电子的产生和 收集过程具有统计特性。
光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，该统计过程服从泊松分布。
量子噪声的光谱密度为常数
对于pin
SQ ( f ) eI p
iQ2 (t)
s 吸收系数
产生的光电流
Ip
P
h
e
eP0
h
(1 esw )
eP0 (1 esw )
hc
第7页/共72页
光吸收系数与波长的关系曲线
s ()
由于吸收系数取决于光波长，因此，特定的半导体材料只能应用在有限的波长 范围内。
c (m)
hc Eg
1.24 Eg (eV )
第8页/共72页
3、 雪崩光电二极管(APD)
单位
nm A/W nA
ns GHz
V
Si
Ge
InGaAs
400～1100 0.4～0.6
1～10 0.5～1.0 0.3～0.7
5
800～1650 0.4～0.5 50～500 0.1～0.5 0.5～3.0
5～10
1100～1700 0.75～0.95
0.5～2.0 0.05～0.5 1.0～2.0
第4页/共72页
由于中间层I区本身的自然属性，它具有高电阻，大部分的电压都落在I区上。耗尽区 宽度w是可以选择的，最佳w值由响应速度和载流子浓度决定。 当w增加的时候，响应速度下降，载流子浓度升高。
第5页/共72页
P
I
N
光功率衰减
P(x)
P es ( ) x 0
x
被吸收的光功率 P P0 (1 esw )
第20页/共72页
4、电子电离速率和空穴电离速率
载流子离化率
e 电子载流子穿过单位距离由于碰撞使原子电离产生的平均电子-空穴对数
h 空穴载流子穿过单位距离由于碰撞使原子电离产生的平均电子-空穴对数
kA
h e
离化率比
5、过剩噪声因子 F
表示雪崩效应对噪声的放大程度
m2 M 2F (M ) M m
Ip
e
h
Pin
2、响应度：响应度表征了光电二极管的能量转换效率
R的单位为A／W。
I p RPin
R e h
e
hc
第15页/共72页
R e
hc 1.24
波长λ的单位取μm
响应度随波长 增加而增大。
如果λ=0.85μm，η=0.8，R=0.55A/W，表明1mW的功率入射到 该光电二极管上，可以产生0.55mA的光电流。
接收机前端简化模型
等效电路
第40页/共72页
放大器的噪声系数
S1, N1
1
N2 GN1 Nin S2 GS1
2
网络的噪声系数
NF
(
S N
)1
( S )2
N
S1 N2 N1 S2
1 Nin GN1
N
G1
S
N F1
多级网络的噪声
N
G1
S
N F1
G2 NF2
G3
NF3
NF
NF1
NF2 1 G1
hc
Eg
c
hc Eg
1.24 Eg (eV )
第16页/共72页
R()
第17页/共72页
例 InGaAs的量子效率大约为90％，波长为1300nm，求响应度。
R
1.24
0.91.3 0.94 1.24
A/W
第18页/共72页
3、APD 光电二极管中所有载流子产生的倍增因子M
M m
m
M IM Ip
5
第34页/共72页
Si、Ge、InGaAs 雪崩光电二极管的通用工作特性参数
参数
符号
单位
Si
Ge
InGaAs
波长范围
雪崩增益 M
暗电流 上升时间
ID
r
增益带宽积 M·B
偏置电压 VB
nm －
nA ns GHz V
400～
1100 20～400 0.1～1 0.1～2 100～400
150~400
第37页/共72页
1、数字光接收机组成
光检测器 前置放大器 主放大器
均衡器
数字信号 恢复、时钟
线路译码
接口
偏置电路
自动增益 控制
第38页/共72页
光检测器 前置放大器 主放大器
均衡器
数字信号 恢复、时钟
线路译码
接口
线性通道
由光电检测器、前置放大器、主放大器和均衡器构成 的这部分电路称为线性通道。 在光接收机中，线性通道主要完成对信号的线性放大， 以满足判决电平的要求。
接收机的前端
接收机的前端包括反向偏压下的光电二极管和前置放大器。
在实际电路分析中，可将光电二极管看成是一个与其结电容Cd并联的电 流源，等效电路如图所示，其中RL为负载电阻。
第39页/共72页
接收机前端的简单模型和其等效电路。 光电二极管有一个小的串联电阻Rs，总电容Cd由结电容和封装电容组成。并联电 阻（或负载电阻）为RL，光电二极管后面的放大电路的输入电容为Ca，输入电阻 为Ra。
SQ ( f )df
2eI p B
对于APD iQ2 (t) 2eI pBM2F(M )
B：接收机带宽
第29页/共72页
（2）光电二极管的暗电流噪声
iD2 B
2qI D B
2qI
D
BM
2
F
(M
)
对于 pin 对于APD
其中ID是初级（未倍增过的）光检测器体暗电流。
第30页/共72页
（3） 对于光电探测器负载电阻的热噪声
hc 1.24
c
hc Eg
1.24 Eg (eV )
iQ2 (t) 2eI pB
iQ2 (t) 2eI pBM2F(M)
热噪声
iT2
4kBTB RL
第33页/共72页
Si、Ge、InGaAs pin光电二极管的通用工作特性参数
参数
波长范围 响应度 暗电流
上升时间 带宽
偏置电压
符号
R ID f VB
1 1 (V j /VB )n
I M 雪崩增益后输出电流的平均值 I p 未倍增时的初级光电流
V j 加在PN结的有效电压
VB 雪崩电压
n 适配因子，与材料
及结构有关
第19页/共72页
例： 一种硅APD在波长900nm时的量子效率为65％，假定0.5uW的光功率产生的倍
增电流为10uA，试求倍增因子M。
第2页/共72页
增大漂移电流的方法
增加PN结的反偏 耗尽层
加偏置电压的好处：加大耗尽区的宽度， 加强漂移电流的影响 ， 减少扩散电流的比例， 提高响应速度。同时， 提高了电光转换效率。 但增加有限。
另一种加大耗尽层的方法是 引入本征半导体（I型半导体）
第3页/共72页
2、PIN光电二极管
一、 结构及特点