第5章光电检测器和光接收机

Si-PIN/APD用于短波长(0.85μm)光纤通信系统。 InGaAs-PIN用于长波长(1.31μm/1.55μm)系统。 把InGaAs-PIN和使用场效应管（FET）的前置放 大器集成，构成FET-PIN接收组件，可以进一步提
高灵敏度，改善器件的性能。
5.2 光电检测器的工作特性
光电检测器的工作特性参数很多， PINPD的主要工作特性有的响应度和量子效率、
光接收机前端的作用是将光纤线路末端耦合到 光电检测器的光比特流转变为时变电流，然后 进行预放大，以便后一级进一步处理。 光接收机前端的一般由光电检测器和前置放大 器组成。
光生电流通常为10-5～10-7A 前置放大器的重要性能指标：低噪声和高灵敏度，以 及合适的带宽、大的动态范围和良好的温度稳定性等。
i
3) 电路的影响
RC 2.2 RT CT
2 d 2 i

2 RC

3、暗电流
暗电流Id是指在 PIN规定的反向电压或者 APD的 90% 击穿电压时，在无入射光情况下器件内部的反向电 流。暗电流将引起光接收机噪声增大。因此，人们 总是希望器件的暗电流越小越好。
一般，PIN的Id<1nA，APD的Id=1～几十nA。
°

°
输出
°



典型电路：FET互阻抗前置放大器
电压并联负反馈前置放大器
BG1是场效应管（FET），接成共源方式，BG2 是超高频三极管，接成共基方式，BG3和BG4是超高 频三极管，接成共集方式（即射极跟随器）。BG1、 BG2和BG3组成反相放大器，负反馈电阻Rf跨接在该 反相放大器的输入和输出端之间，构成电压并联负反 馈前置放大器。该负反馈前置放大器的互阻抗近似等 于Rf。
根据不同的应用要求，前端的设计有三种 不同的方案。 (1)低阻抗前端


(2)高阻抗前端
(3)跨(互)阻抗前端
码速率所要求的前端带宽 1 f 2RLCt
RL为负载电阻；Ct包括光电管结电容、 前放的杂散电容和输入电容等
前端等效电路

Ip

RL
K
Ct
°
前置放大器
（a）无反馈电阻前端
2、响应时间
响应时间是描述光电检测器对光信号变化响应速度快 慢程度的物理量，一般用上升时间和下降时间来表示。 所谓上升时间是PD受阶跃光脉冲照射时，输出脉冲 前沿的10%点到90%点之间的时间间隔来衡量。
光电检测器的响应时间受三个因素影响：
1) 渡越时间 2) 扩散时间
W td vd
由于I层很厚具有较高电阻，电压基本上落在该 区，使势垒区宽度增加，减小扩散运动影响，提高 了响应速度。
工作波长
Si PIN In0.53Ga0.47 As
C 1.09 m C 1.67 m
采用双异质结设计能显著提高二极管的性能。
PIN特点：光电转换效率较高（无光生电流放 大作用），响应速度快。
响应时间、暗电流等，由于 APD 有雪崩倍
增效应，所以 APD 除了上述参数外还包括
倍增因子、过剩噪声指数等。
1、响应度和量子效率
描述这种器件光电转换能力也可以从另一个角 度描述，这就是量子效率 η ，定义为产生的光 生电子-空穴对数占入射光子数的百分比。
响应度是描述这种器件光电转换能力的物理量。
该电路主要特点是： ������ 采用了共源-共基-共集方式，内部反馈小，即后 级电路对前级电路的影响小，电路稳定性好； ������ 采用了负反馈，使放大器输入阻抗有所减小，有 利于增大带宽。
2)线性通道
光接收机的线性通道由一个高增益的主放大器和一个均 衡滤波器组成，还应包括峰值检测和自动增益控制 (AGC) 电路，用来控制放大器增益。因为主放大器和 一个均衡滤波器起一个线性系统的作用，故可称为线 性通道。
将会使前、后码元的波形重叠，产生码间干扰，严
重时造成判决电路误判，产生误码。 ② 有均衡滤波器的波形 均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形成为有利于判 决的波形。例如，成为升余弦频谱脉冲
码间干扰（ISI：Intersymbol Interference） 1．产生原因 光纤色散将引起光脉冲展宽。当光脉冲展宽超过分配 给它们的时隙时，以致一部份光脉冲能量进入相邻时 隙，对邻近码元信号产生干扰，称为码间干扰。而留 在本时隙内的光脉冲能量减小，使判决电路的输入信 噪比降低。所以，码间干扰是产生误码的重要原因。
条件
hf Eg
hC 1.24 c ( m) Eg Eg (ev)
吸收区与作用区
s x PP e 0
3．PIN光电二极管
x
从半导体表面到内部x方向上吸收入射光产生电子孔穴对
s ：吸收系数[1/cm]
1
0
P
N
吸收区：称 为穿透深度 s
（每对光生载流子都可 迅速漂移生成电流） 作用区 两侧扩散长度内
耗尽层内 --转换效率高、运动速度快
h
耗尽区内转换效率最高
为此
（只有扩散到耗尽层边缘， 才能漂移生成电流）
①施加反偏压
②扩大耗尽层
为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，在P型材 料和N型材料之间加一个I层（本征耗尽层），它是 轻掺杂的N型材料，电子浓度很低，经扩散可以形成 一个很宽的耗尽层。这就是PIN光电二极管（PINPD）
响应度
R
Ip P0
(A /W )
通常，R=0.5A/W左右。
量子效率
hf hc ( ) ( ) R( ) P0 hf P0 e e
e R ( ) hc
Ip e
Ip
已知⑴Si PIN光电二极管，量子效率=0.7，波长 =0.85m； ⑵Ge光电二极管，=0.4，波长=1.6m，计算它们的响应度。
暗电流Id构成本地背景噪声，称为暗电流散粒噪声， 其电流均方值为
2 eI f d 2 id 2 x 2eI d fG
PIN APD
4、倍增特性
对于 APD，由于发生雪崩倍增效应，所以 APD还需要 用倍增特性来描述。 APD 的倍增特性有倍增因子 G 、 过剩噪声指数x等。
IM G Ip
P-N结外加高反压使 产生雪崩倍增效应 耗尽区载流子在强电场作用下获得很大动能，高 速碰撞半导体晶格（使价带电子激发到导带，产生 新的电子孔穴对—即“碰撞电离”） 不断多次地碰撞电离的结果，载流子密度、反向电 流迅速加大，引成所谓雪崩效应。

雪崩光电二极管随使用的材料不同有：Si-APD(工 作在短波长区)；Ge-APD，InGaAs-APD等(工作在 长波长区)。Si-APD性能较好，它工作在0.85μm附 近，倍增增益高达100～1000，暗电流很小；GeAPD工作在长波长区，它的倍增增益一般不超过15， 过剩噪声大，暗电流也很大，限制了倍增增益及检测 灵敏度。 InGa/InP或InGaAsP/InP-APD工作在长波长区有 较好的性能，从结构上，类似于Si-RAPD，吸收区和 倍增区分开，因此又称为SAM-APD。 APD特点：光电转换效率高（有光生电流放大作用， 即雪崩倍增作用），响应速度快。
������
第2级是由IC构成的集成放大器。
信号经BG放大器和IC放大器放大后输送到到均衡器。
自动增益控制（AGC）方式：
采用两级AGC电路： 第一级：正控制作用，即BG放大器增益与控制电压AGC1成正比。 将后级电路产生的AGC1电压送至G2以控制BG放大器的增益。当 入射光功率弱时，AGC1电压升高，BG放大器增益变大；反之， 入射光功率较强时，AGC1电压下降，BG放大器增益变小。
由APD的偏压来控制 一般：40-100
过剩噪声指数
F (G ) G
x
5.3 光接收机
1．光接收机的组成
直接检测数字光纤通信接收机一般由三个部分组成， 即光接收机的前端、线性通道和数据恢复三个部 分。
前放
主放 均衡滤波 判决器 译码器
自动增益控制
时钟恢复
前端
线性通道
数据恢复
1)光接收机前端
解：⑴ Si PIN光电二极管的响应度： e0 e0 R hf hc
0.7 1.6 1019 0.85 106 0.479( A / W ) 34 8 6.626 10 3 10
⑵Ge光电二极管的响应度：
R
e0
hf

e0
hc
0.4 1.6 1019 1.6 106 0.515( A / W ) 34 8 6.626 10 3 10
主放大器的作用有两个方面：
（1）将前置放大器输出的信号放大到判
决电路所需要的信号电平。
（2）它还是一个增益可调节的放大器。
对于APD的光接收机还通过控制APD的偏压来控 制雪崩倍增管的雪崩增益。
典型电路：双栅FET主放大器
该电路由两级放大电路组成： 第1级由双栅场效应管BG构成的双栅FET放大器， 接成共源方式。
例如：若单个脉冲的频谱如图所示 1 (c c ) S ( ) 0 else (t ) (c无限时) 1 jt s(t ) S ( )e d sin ct 2 (c有限时) t
°
宽带与低噪声之间的矛盾 选大的RL可减小热噪声、提高接收机灵敏度，但同 时降低了带宽f ⑴ 低阻抗前端 容易实现宽带：（在满足f前提下），要求检测 器负载电阻 RL (2fCt )1
线路简单、动态范围较大，但噪声大、灵敏度低
⑵ 高阻抗前端 减小了前端热噪声，但RL增大使带宽和动态范围减小
4．雪崩光电二极管
APD的工作原理是利用半导体材料的雪崩倍增 效应制成的。 APD的结构：保护环型、拉通型
图为拉通型雪崩光电 二极管(RAPD)的结构
示意图和电场分布图。
比PIN管响应度大（有高的内部增益）
N --轻掺杂，耗尽层较宽 四层结构 P --掺杂极轻的P型 P --重掺杂，耗尽层极窄
PIN和APD的响应度与入射光的波长有关，Si-
PIN和Si-APD的波长响应范围为600～1000nm，
对检测0.85μm的光非常有效。
Ge-PIN和Ge-APD或InGaAs-PIN、InGaAsPPIN和InGaAs-APD范围为1000～1650nm，可 以接收1310nm和1550nm的光信号。
⑶ 跨阻抗前端
这是常用的形式 不仅噪声小，且利用负反馈 使有效输入电阻降低K倍，使 带宽比⑵增加K倍，动态范围 也提高。

Ip
Ct

K
RL
°
前置放大器Biblioteka Baidu
（b）跨阻抗前端
°
图为一400Mb/s跨阻抗前端电路图 （第一级采用电压负反馈，第二级采用射极补偿以提 升高频分量）
+V
+5V
第5章 光电检测器和光接收机
本章内容
5.1 光检测器 5.2 光电检测器的工作特性 5.3 光接收机 5.4 光接收机的噪声 5.5 光接收机的误码率和接收灵敏度 小结、习题
2.1 光检测器
1.光纤通信对光电检测器的主要要求
(1)在工作波长上光电转换效率要高，即对一定的入射光 信号功率，光检测器能输出尽可能大的光电流； (2)检测过程中带来的附加噪声尽可能小；
(3)响应速度快、线性好及频带宽，使信号失真尽量小；
(4)高可靠长寿命，尺寸与光纤直径相配，工作电压低等。
2．半导体的光电效应
半导体光检测器是利用半导体的光电效应制成。
光生伏特效应----适当波长的光，照射非均
匀半导体（如P-N结）即使没有外电场作用， 也会因内建场的存在，使半导体中产生电动势 （光生电压），这种内建场引起的光电转换过 程称为光生伏特效应。

������
PIN、APD二极管比较
������ PIN二极管特点：结构简单，可靠性高。电 压低，使用方便。量子效率高。噪声小。带宽较 高。 ������ APD二极管特点：灵敏度高。高增益。高电压，
结构复杂。噪声大。
PIN的负偏压约为几～几十伏，APD的负偏压约为几 十～一百多伏
使用场合：
PIN：广泛应用于光纤通信系统。在灵敏度要求不 高的场合，一般都采用PIN。 APD：在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用 APD。 如：小信号测量
第二级：反控制作用，即IC放大器增益与控制电压 AGC2成反比。即：入射光功率弱时，AGC2电压下 降，IC放大器增益变大；入射光功率强时，AGC2 电压升高，IC放大器增益变小。
均衡滤波器作用：对主放大器输出的失真的数字 脉冲信号进行整形，使其变为升余弦信号，以利于克 服码间干扰进行幅度判决。 ① 没有均衡滤波器将出现这些现象