光通信原理与技术
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• 只有当入射光的波长λ<λc 的光，才能使这种材料产生光生 载流子，发生光电效应，这个临界值λc就叫做截止波长，
c为截止频率。
• 截止波长
c
hc Eg
≈ 1.24 Eg
• c是真空中的光速，h是普朗克常量
• Si材料：λc =1.06 m • Ge 或InGaAs材料：λc =1.6~1.7 m
光电二极管PD 光电晶体管 光敏电阻 光电倍增益管
• PN结的光电效 应
• 原理: 光电效应 -受激吸收过程
° 入射光子的能量
大于禁带宽度, h
> Eg ，光子被吸 收, 产生电子空穴 对. ° 电子空穴对在电 场的作用下定向运 动,形成光电流
光电效应的改善 • 主要光电效应工作区-耗尽层 • 结构上加宽耗尽层 • 在PN结中夹进一个轻掺杂的N区-I区
e h ( A / W )
3、响应时间
响应时间为光电二极管对矩形光脉冲 的上升或下降时间。
影响响应时间的主要因素有：
• 光电二极管结电容及其负载电阻的RC时间常数 • 载流子在耗尽区里的渡越时间
• 耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延 迟
PIN内部的响应时间主要由载流子在耗尽层中 的度过时间决定：tr=W/V
• APD具有雪崩倍增效应这个有利方面。但是雪崩倍增 效应的随机性将引入噪声
• APD随使用的材料不同有Si-APD（短波长用）和GeAPD，InGaAs-APD（长波长用）等
雪崩倍增因子 • 在忽略暗电流影响条件下
G无 有雪 雪崩 崩倍 倍增 增时 时光 光平 平电 电均 均流 流值 值 的 的IIMp
W耗尽层宽度 V载流子在电场中的漂移速度
4、暗电流
• 在理想条件下，当没有光时，光检测器应无光电 流输出
• 实际上，由于热、宇宙射线或放射性物质的激励， 在无光照情况下，光检测器仍有光电流输出
• 无光照时光电二极管的反向漏电流，称为暗电流。
• 暗电流的无规则随机涨落产生噪声。因此，总希 望器件的暗电流越小越好
• PIN光电二极管的的特点 本征材料：Si或GaAs掺杂后形成P型 材料和N型材料
°PIN的耗尽层遍及整个I区 °产生光电流效率高
光电二极管的主要特性 1、波长响应范围
上限由截止波长决定 下限由材料吸收决定
截止波长
• 若光子能量为h ，禁带宽度为Eg • 产生光生载流子必须满足h > Eg • 临界时 c= Eg /h • 将 c换为波长λc，则
• Si材料：0.5~1.0
m
• Ge 或InGaAs材 料：1.1~1.6 m
2、光电转换效率 响应度（）：光生电流与入射光功率之比。 • 单位光功率产生的光生电流 • 越大说明产生光电流效率越高
量子效率（）：单位时间内产生的光生电子－空穴对数与单位时间
入射的总光子数之比。 • 表示每个光子平均产生的电子空穴对 • 越大反映产生光电流效率越高
波长响应下限 • 设x = 0时，光功率为p(0)，材料吸收系数为 ( ) • 经过x距离后吸收的光功率可以表示为
pxp01ex
• 半导体对光的吸收作用随光波长减小而迅速增加
• 当工作波长比材料带 隙波长长时，吸收系 数急剧减小
• 当工作波长比截止波 长长时，材料是透明 的，光透射过去不能 进行光电转换。
主放大器 (AGC) 均衡滤波器
提供足够的增益，将 mV 信号放大到 V，并能在较大的入 射光功率变化范围内，保持输出信号的幅度恒定。
消除码间干扰
时钟提取/数字信号再生
提取时钟，并对数字信号判决、再生
光接收机也可以分为三部分：
• 光检测器和前置放大器合起来称为接收机 前端，是光接收机的核心；
• 主放大器、均衡滤波器和自动增益控制组 成光接收机的线性通道；
伏） ° 在结区形成一个强电场 ° 高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能 ° 与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到能量越过禁带
到导带，产生了新的电子-空穴对 ° 新产生的电子-空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，
又激发出新的电子-空穴对----° 除此循环下去，像雪崩一样的发展，称为雪崩倍增效应。
• 判决器、译码器和时钟恢复组成光接收机 的判决、再生部分
光检测器
• 光纤通信中对光检测器最重要的几点要求： 在所用光源的波长范围内有较高的响应度； 较小的噪声； 响应速度快； 对温度变化不敏感； 与光纤尺寸匹配； 工作寿命长
• 光检测器的机理 受激吸收
半导体材料
PIN光电二极管 雪崩光电二极管APD
5、线性饱和度
• 光检测电路有一定的光功率检测范围，入射光功 率太强时，会产生非线性失真
6、反向击穿电压 • Si-PIN典型反向击穿电压为100v • 工作偏压为10-30v
• PIN光电二极管的一般性能
雪崩光电二极管APD
• 工作原理 光电效应+雪崩倍增效应
• 雪崩倍增效应 ° 在二极管的PN结上加高反向电压（一般为几十伏或几百
形成PIN结
PIN光电二极管
• PIN光电二极管的结构 ° 在P型材料Байду номын сангаасN型材料之间加轻掺杂的N型材料，称为本征
（Intrinsic）层 ° 轻掺杂，电子浓度很低，经扩散作用后可形成一个很宽的
耗尽层。 ° 为降低PN结两端的接触电阻两端的材料做成重掺杂的P+
层和N+层 这种结构的光电二极管称为PIN光电二极管
光通信原理与技术
光检测器与光接收机
数字光接收机的组成
激光器 驱动电路
数据输入 LD
PD 前置放大器 均衡器
数据输出
Fiber
主放大器.
时钟提取 / 判决再生
接收机的组成部分
作用
光电检测器 (PD，APD) 前置放大器
将入射光子转换为电子-空穴对，形成光电流。 低噪声放大，将 V 信号放大到 mV。
从而使光电流在APD管内获得倍增。
APD的结构和工作原理 • 保护环型：在制作时沉积一层环形的N型材
料，防止在高反压时使PN结边缘产生雪崩 击穿。
• 拉通型（通达型）
RAPD
• 从图中可以看出，它的耗尽层从结区一直垃通到I层与 P+层相接的范围内。在整个范围内电场增加较小。这 样，这种RAPD器件就将电场分为两部分，一部分是 使光生载流子逐渐加速的较低的电场，另一部分是产 生雪崩倍增效应的高电场区，这种电场分布有利于降 低工作电压。
• 一般APD的倍增因子G在40~100之间 • PIN光电管无雪崩倍增作用故G=1
c为截止频率。
• 截止波长
c
hc Eg
≈ 1.24 Eg
• c是真空中的光速，h是普朗克常量
• Si材料：λc =1.06 m • Ge 或InGaAs材料：λc =1.6~1.7 m
光电二极管PD 光电晶体管 光敏电阻 光电倍增益管
• PN结的光电效 应
• 原理: 光电效应 -受激吸收过程
° 入射光子的能量
大于禁带宽度, h
> Eg ，光子被吸 收, 产生电子空穴 对. ° 电子空穴对在电 场的作用下定向运 动,形成光电流
光电效应的改善 • 主要光电效应工作区-耗尽层 • 结构上加宽耗尽层 • 在PN结中夹进一个轻掺杂的N区-I区
e h ( A / W )
3、响应时间
响应时间为光电二极管对矩形光脉冲 的上升或下降时间。
影响响应时间的主要因素有：
• 光电二极管结电容及其负载电阻的RC时间常数 • 载流子在耗尽区里的渡越时间
• 耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延 迟
PIN内部的响应时间主要由载流子在耗尽层中 的度过时间决定：tr=W/V
• APD具有雪崩倍增效应这个有利方面。但是雪崩倍增 效应的随机性将引入噪声
• APD随使用的材料不同有Si-APD（短波长用）和GeAPD，InGaAs-APD（长波长用）等
雪崩倍增因子 • 在忽略暗电流影响条件下
G无 有雪 雪崩 崩倍 倍增 增时 时光 光平 平电 电均 均流 流值 值 的 的IIMp
W耗尽层宽度 V载流子在电场中的漂移速度
4、暗电流
• 在理想条件下，当没有光时，光检测器应无光电 流输出
• 实际上，由于热、宇宙射线或放射性物质的激励， 在无光照情况下，光检测器仍有光电流输出
• 无光照时光电二极管的反向漏电流，称为暗电流。
• 暗电流的无规则随机涨落产生噪声。因此，总希 望器件的暗电流越小越好
• PIN光电二极管的的特点 本征材料：Si或GaAs掺杂后形成P型 材料和N型材料
°PIN的耗尽层遍及整个I区 °产生光电流效率高
光电二极管的主要特性 1、波长响应范围
上限由截止波长决定 下限由材料吸收决定
截止波长
• 若光子能量为h ，禁带宽度为Eg • 产生光生载流子必须满足h > Eg • 临界时 c= Eg /h • 将 c换为波长λc，则
• Si材料：0.5~1.0
m
• Ge 或InGaAs材 料：1.1~1.6 m
2、光电转换效率 响应度（）：光生电流与入射光功率之比。 • 单位光功率产生的光生电流 • 越大说明产生光电流效率越高
量子效率（）：单位时间内产生的光生电子－空穴对数与单位时间
入射的总光子数之比。 • 表示每个光子平均产生的电子空穴对 • 越大反映产生光电流效率越高
波长响应下限 • 设x = 0时，光功率为p(0)，材料吸收系数为 ( ) • 经过x距离后吸收的光功率可以表示为
pxp01ex
• 半导体对光的吸收作用随光波长减小而迅速增加
• 当工作波长比材料带 隙波长长时，吸收系 数急剧减小
• 当工作波长比截止波 长长时，材料是透明 的，光透射过去不能 进行光电转换。
主放大器 (AGC) 均衡滤波器
提供足够的增益，将 mV 信号放大到 V，并能在较大的入 射光功率变化范围内，保持输出信号的幅度恒定。
消除码间干扰
时钟提取/数字信号再生
提取时钟，并对数字信号判决、再生
光接收机也可以分为三部分：
• 光检测器和前置放大器合起来称为接收机 前端，是光接收机的核心；
• 主放大器、均衡滤波器和自动增益控制组 成光接收机的线性通道；
伏） ° 在结区形成一个强电场 ° 高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能 ° 与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到能量越过禁带
到导带，产生了新的电子-空穴对 ° 新产生的电子-空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，
又激发出新的电子-空穴对----° 除此循环下去，像雪崩一样的发展，称为雪崩倍增效应。
• 判决器、译码器和时钟恢复组成光接收机 的判决、再生部分
光检测器
• 光纤通信中对光检测器最重要的几点要求： 在所用光源的波长范围内有较高的响应度； 较小的噪声； 响应速度快； 对温度变化不敏感； 与光纤尺寸匹配； 工作寿命长
• 光检测器的机理 受激吸收
半导体材料
PIN光电二极管 雪崩光电二极管APD
5、线性饱和度
• 光检测电路有一定的光功率检测范围，入射光功 率太强时，会产生非线性失真
6、反向击穿电压 • Si-PIN典型反向击穿电压为100v • 工作偏压为10-30v
• PIN光电二极管的一般性能
雪崩光电二极管APD
• 工作原理 光电效应+雪崩倍增效应
• 雪崩倍增效应 ° 在二极管的PN结上加高反向电压（一般为几十伏或几百
形成PIN结
PIN光电二极管
• PIN光电二极管的结构 ° 在P型材料Байду номын сангаасN型材料之间加轻掺杂的N型材料，称为本征
（Intrinsic）层 ° 轻掺杂，电子浓度很低，经扩散作用后可形成一个很宽的
耗尽层。 ° 为降低PN结两端的接触电阻两端的材料做成重掺杂的P+
层和N+层 这种结构的光电二极管称为PIN光电二极管
光通信原理与技术
光检测器与光接收机
数字光接收机的组成
激光器 驱动电路
数据输入 LD
PD 前置放大器 均衡器
数据输出
Fiber
主放大器.
时钟提取 / 判决再生
接收机的组成部分
作用
光电检测器 (PD，APD) 前置放大器
将入射光子转换为电子-空穴对，形成光电流。 低噪声放大，将 V 信号放大到 mV。
从而使光电流在APD管内获得倍增。
APD的结构和工作原理 • 保护环型：在制作时沉积一层环形的N型材
料，防止在高反压时使PN结边缘产生雪崩 击穿。
• 拉通型（通达型）
RAPD
• 从图中可以看出，它的耗尽层从结区一直垃通到I层与 P+层相接的范围内。在整个范围内电场增加较小。这 样，这种RAPD器件就将电场分为两部分，一部分是 使光生载流子逐渐加速的较低的电场，另一部分是产 生雪崩倍增效应的高电场区，这种电场分布有利于降 低工作电压。
• 一般APD的倍增因子G在40~100之间 • PIN光电管无雪崩倍增作用故G=1