第05章光电检测器与光接收机
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光检测器及光接收机ppt课件
光信号 光电 变换
前置 电信号 放大
前端：由光电二极管和前置放大器组成。
作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变 电流，然后进行预放大（电流－电压转换），以便 后级作进一步处理。是光接收机的核心。
要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽
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5.2.2 光接收机的线性通道
提供高的增 益，放大到 适合于判决 电路的电平。
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光接收机的噪声特性
光接收机的噪声将影响信噪比SNR和通信质 量。主要来自光电探测器和前置放大器的噪声 。分为两类：散粒噪声和热噪声。
1.光检测器产生散粒噪声 2.负载电阻产生热噪声
3.放大器产生放大噪声
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5.3.2 光接收机性能指标
1误码率 BER=Ne/Nt=Ne/Bt 即：误比特率=错误比特/总比特 2灵敏度 （1）输入的最小平均光功率 （2）每个光脉冲的最低平均光子数n0 （3）每个光脉冲的最低平均能量Ed
为确定是“1”或是 “0”，需要对某时隙 的码元作出判决。若 判决结果为“1”，则 由再生电路产生一个 矩形“1”脉冲；若判 决结果为“0”，则由 再生电路重新输入一 个“0”。
判 输出 决 器
时钟恢复
为了精确地确定“判决时 刻”，需要从信号码流中提 取准确的时钟信息作为标定， 以保证与发送端一致。
耗尽层仍为I 层，起产生一 次电子－空穴 对的作用。
增加了一个附加 层，倍增区或增 益区，以实现碰 撞电离产生二次 电子－空穴对。
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温度对雪崩增益的影响
当保持所加偏置电压不变时，降低温度， 则电子和空穴的电离速率会增加，因而雪 崩增益也会增加。
第05章光电检测器与光接收机
§5-1-1 PIN光电二极管
2. PIN光电二极管结构与工作原理 PIN是在普通的光电二极管(PD--Photo Diode) 的P区和N区之间增加本征区(I区)，由于I 区具有 较高的电阻，因此外加反向偏压基本上降落在I 区。 当光子入射到达I区时，由于光子被吸收而产 生电子--空穴对（光生载流子），在高电场作用下， 电子--空穴分别高速向相反方向运动（电子向N区， 空穴向P区），从而在外加负载上形成光电流。
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
3. APD性能指标典型值(续) （2）Ge-APD(锗雪崩光电二极管) 响应光谱范围：0.8-1.65mm 量子效率h： 60-80% 倍增因子M： 10-30 暗电流： Id=0.3 ~2mA (电压在-0.9VB) 响应时间： tr<0.5 nS （tr脉冲前沿） 雪崩电压VB ： -30 ~ -40V（ Id~10mA ）
3. 目前国产PIN光电二极管的水平（续） （2）Ge-PIN （用于1.3mm光纤通信系统） 响应光谱范围： 1.3mm 响应度R： 0.5-0.7(mA/mW) 量子效率h： 70% 响应时间： tr<1 nS （tr脉冲前沿） 工作电压： -5V~ -10V 暗电流： Id ~ 0.2 mA
§5-1-1 PIN光电二极管
5.2.2 光电检测器的典型指标
及简易检测
1. 光电检测器的典型指标
表5.1中列出了富士通公司生产的两种
光电检测器的典型指标。
2. 光电器件的简易检测
与光源器件一样，在没有测试条件的 情况下，使用人员也可以借助于指针式万 用表对光电检测器件进行简易的测试。这 种测试方法主要是检查光电检测器件PN结 的好坏：PN结好不能保证器件具有好的特 性，而PN不好的器件其质量绝对不会好。 常用光电检测器件的参考数据如表5.2所示。
第五章光检测器和光接收器
(Id为噪声电流) PIN管:Si: Id=1nA Ge: Id=几百nA
InGaAS: Id=几十nA
四.雪崩光电二极管APD
1. 结构: 由P+---π(P)--- P----N+共4层构成
N+ P π(P) P+
分布
Ei Ei
（P） Rs
APD的基本工作原理： APD的PN结承受高反压，从而PN结 内部形成一高场区，在光的照射下产 生第一代光生载流子，第一代光生载 流子在耗尽区内电场作用下作定向运 动经过高场区时被加速，从而获得足 够能量与材料晶格碰撞，使晶格电离， 激发新的电子—空穴对，这种现象的 连锁反映形成雪崩倍增效应。
X —— 过剩噪声指数 x＝0.5 估算时用
B 观测系统的带宽： B
1 f B 为线路传输码率 2
三.接收噪声与Pr的公式修正结果
创始人S.D.Personick――ITU-T
由于存在以下三种主要因素的影响:
1.接收机幅频特性不是绝对平坦
2.检测器的Id电流存在
3.码间干扰存在
Personick提出四个修正参数∑1、I2、I3、I4
1. FET场效应管特点：电压控制电流源器件，输 入阻抗高，栅漏电流小，噪声电流小，但是高 频特性差，适用于低速率传输系统。
2. BJT双极型晶体管特点：输入阻抗低，电路时 间常数RC较小，码间干扰小，适用于高速率传 输系统。
3. 跨阻型特点：采用负反馈，可在AGC电路之间 对信号的过载或非线性失真进行一定的控制， 具有良好的信噪比特性。
光接收机的前放大有三种类型：
①FET前置放大电路(高阻型前放）
②BJT前置放大电路(低阻型前放） ③互阻抗前置放大电路(跨阻型前放）
InGaAS: Id=几十nA
四.雪崩光电二极管APD
1. 结构: 由P+---π(P)--- P----N+共4层构成
N+ P π(P) P+
分布
Ei Ei
（P） Rs
APD的基本工作原理： APD的PN结承受高反压，从而PN结 内部形成一高场区，在光的照射下产 生第一代光生载流子，第一代光生载 流子在耗尽区内电场作用下作定向运 动经过高场区时被加速，从而获得足 够能量与材料晶格碰撞，使晶格电离， 激发新的电子—空穴对，这种现象的 连锁反映形成雪崩倍增效应。
X —— 过剩噪声指数 x＝0.5 估算时用
B 观测系统的带宽： B
1 f B 为线路传输码率 2
三.接收噪声与Pr的公式修正结果
创始人S.D.Personick――ITU-T
由于存在以下三种主要因素的影响:
1.接收机幅频特性不是绝对平坦
2.检测器的Id电流存在
3.码间干扰存在
Personick提出四个修正参数∑1、I2、I3、I4
1. FET场效应管特点：电压控制电流源器件，输 入阻抗高，栅漏电流小，噪声电流小，但是高 频特性差，适用于低速率传输系统。
2. BJT双极型晶体管特点：输入阻抗低，电路时 间常数RC较小，码间干扰小，适用于高速率传 输系统。
3. 跨阻型特点：采用负反馈，可在AGC电路之间 对信号的过载或非线性失真进行一定的控制， 具有良好的信噪比特性。
光接收机的前放大有三种类型：
①FET前置放大电路(高阻型前放）
②BJT前置放大电路(低阻型前放） ③互阻抗前置放大电路(跨阻型前放）
第五章光检测器和光接收机课件
.
3.噪声
噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数, 它直接影响光接收机的灵敏度
光电二极管的噪声:包括散粒噪声和热噪声。 噪声通常用均方噪声电流(在1Ω负载上消耗
的噪声功率)来描述。
.
(1)散粒噪声: 是由于带电粒子产生和运动 的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白 噪声。
包括:量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声 量子噪声: 是由于光电子产生和收集的统
▪ Si材料制作的PIN光电二极管， c≈1.06um ▪ Ge材料制作的PIN光电二极管， c≈1. 6um
.
※ 入射光波长太短时,光变电的转化效率也会大 大下降。
原因:当入射光波长很短 时, 材料的吸收系数变得 很大, 结果使大量的入射 光子在光电二极管的表 面层(如P区)就被吸收。
.
光电二极管的表面层往往存在一个零电场的区域, 当电子-空穴对在表面层（如P区）里产生时, 少数载流 子首先要扩散到耗尽层, 然后才能被外电路收集。
层的厚度 w要足够大。
.
2.暗电流
暗电流Id: 是在反向偏压条件下，没有入射 光时，光电二极管产生的反向电流。
包括: 晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和 载流子热扩散形成的本征暗电流。
暗电流与光电二极管的材料和结构有关 例如: Si材料的PIN，Id<1nA；Ge材料的 PIN，Id>100 nA。
.
注意：如果入射光子的能量小于 E g 时，不 论入射光有多么强，光电效应也不会发生。 即光电效应必须满足条件
hf Eg
或
hc Eg
式中：c是真空中的光速；是入射光的波长；
h是普朗克常量；E
是材料的禁带宽度。
g
.
二. 光电二极管的波长响应
3.噪声
噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数, 它直接影响光接收机的灵敏度
光电二极管的噪声:包括散粒噪声和热噪声。 噪声通常用均方噪声电流(在1Ω负载上消耗
的噪声功率)来描述。
.
(1)散粒噪声: 是由于带电粒子产生和运动 的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白 噪声。
包括:量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声 量子噪声: 是由于光电子产生和收集的统
▪ Si材料制作的PIN光电二极管， c≈1.06um ▪ Ge材料制作的PIN光电二极管， c≈1. 6um
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※ 入射光波长太短时,光变电的转化效率也会大 大下降。
原因:当入射光波长很短 时, 材料的吸收系数变得 很大, 结果使大量的入射 光子在光电二极管的表 面层(如P区)就被吸收。
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光电二极管的表面层往往存在一个零电场的区域, 当电子-空穴对在表面层（如P区）里产生时, 少数载流 子首先要扩散到耗尽层, 然后才能被外电路收集。
层的厚度 w要足够大。
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2.暗电流
暗电流Id: 是在反向偏压条件下，没有入射 光时，光电二极管产生的反向电流。
包括: 晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和 载流子热扩散形成的本征暗电流。
暗电流与光电二极管的材料和结构有关 例如: Si材料的PIN，Id<1nA；Ge材料的 PIN，Id>100 nA。
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注意：如果入射光子的能量小于 E g 时，不 论入射光有多么强，光电效应也不会发生。 即光电效应必须满足条件
hf Eg
或
hc Eg
式中：c是真空中的光速；是入射光的波长；
h是普朗克常量；E
是材料的禁带宽度。
g
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二. 光电二极管的波长响应
《光纤通信》电子教案 光纤通信_05_光检测器与光接收机
在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的 入射光功率，光检测器能输出尽可能大的光电流。 波长响应要和光纤的三个低损耗窗口兼容。 有足够高的响应速度和足够的工作带宽。 产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。 光电转换线性好，保真度高。 工作性能稳定，可靠性高，寿命长。 功耗和体积小，使用简便。
1．APD工作原理
APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的 高灵敏度的检测器 雪崩过程产生了光电流Ip的倍增，可以用倍增增益 G表示APD的放大能力
G IG Ip
实际上，雪崩过程是一种统计过程，并不是每一个 载流子都经过了同样的倍增，所以G只是一个统计 平均值
二、PIN光电二极管
光检测器中最普通且实用是PIN光电二极管 PIN光电二极管与基本的PN结型光电二极管的区 别是在P区和N区之间的区域有一层轻掺杂的N型 材料，称为I（Intrinsic，本征的）层，所以称 为PIN
二、PIN光电二极管
I层较厚，几乎占尽了整个耗尽区，在I层两侧是 掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很 薄 这种设计，使得绝大部分的入射光在I层（耗尽区） 内被吸收并产生大量的电子－空穴对（光生载流子） 耗尽区的高电场使反得向电偏压子－空穴对立即分开并在反 向偏置电压的作用下向两端流动，然后在边界处被 收集，从而在外电路中形成电流
二、PIN光电二极管
c
hC Eg
如果Eg使用电子伏特（eV），则λc可以使用微米 （μm）表示为
c
hC Eg
1.24 Eg (eV)
二、PIN光电二极管
对于Si材料，截止波长为1.06 μm，Ge材料是 1.6 μm 如果波长更长，光子能量就不足以激励一个价带的 电子跃迁到导带中 在短波长段，材料的吸收系数αs变得很大，光子 在接近光检测器的表面就被吸收，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
1．APD工作原理
APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的 高灵敏度的检测器 雪崩过程产生了光电流Ip的倍增，可以用倍增增益 G表示APD的放大能力
G IG Ip
实际上，雪崩过程是一种统计过程，并不是每一个 载流子都经过了同样的倍增，所以G只是一个统计 平均值
二、PIN光电二极管
光检测器中最普通且实用是PIN光电二极管 PIN光电二极管与基本的PN结型光电二极管的区 别是在P区和N区之间的区域有一层轻掺杂的N型 材料，称为I（Intrinsic，本征的）层，所以称 为PIN
二、PIN光电二极管
I层较厚，几乎占尽了整个耗尽区，在I层两侧是 掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很 薄 这种设计，使得绝大部分的入射光在I层（耗尽区） 内被吸收并产生大量的电子－空穴对（光生载流子） 耗尽区的高电场使反得向电偏压子－空穴对立即分开并在反 向偏置电压的作用下向两端流动，然后在边界处被 收集，从而在外电路中形成电流
二、PIN光电二极管
c
hC Eg
如果Eg使用电子伏特（eV），则λc可以使用微米 （μm）表示为
c
hC Eg
1.24 Eg (eV)
二、PIN光电二极管
对于Si材料，截止波长为1.06 μm，Ge材料是 1.6 μm 如果波长更长，光子能量就不足以激励一个价带的 电子跃迁到导带中 在短波长段，材料的吸收系数αs变得很大，光子 在接近光检测器的表面就被吸收，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
第5章光电检测器和光接收机
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
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。
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
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
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
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
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。
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
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
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
第五章光检测器和光接收机
APD就是根据这种特性 设计的器件。
? 根据光电效应，当光入射到
PN结时，光子被吸收而产生 电子-空穴对。
?如果反向电压增加到是电场
达到 200kV/cm以上，初始 电子（一次电子）在高电场 区获得足够的能量而加速运 动。高速运动的电子和晶格 原子相碰撞，使晶格原子电 离，产生新的电子 -空穴对，
层的厚度 w要足够大。
2.暗电流
暗电流 Id：是在反向偏压条件下，没有入射 光时，光电二极管产生的反向电流。
包括：晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和 载流子热扩散形成的本征暗电流。
暗电流与光电二极管的材料和结构有关
例如： Si材料的 PIN ，Id<1nA ；Ge材料的 PIN， Id>100 nA。
5．2．2数字光接收机的噪声
一．光接收机噪声的分类 二．噪声分析的一般方法 三．光接收机的噪声等效模型 四．放大器噪声的计算 五．前置放大器的类型
一．光接收机噪声的分类
光接收机的噪声有两部分： 外部噪声和 内部噪声。 ? 外部噪声：由外部电磁干扰产生的。可以通
过屏蔽或滤波来消除。
? 内部噪声：是在信号检测和放大过程中引入
? 长波段
SAM（Separated Absorption and multiplexing）
（1.3 um~1.55 um ） SAGM
（带隙渐变型 SAM）
1.拉通型（RAPD）
P+和N+为高掺杂低阻区，压降很 小，偏置电压基本上都落在高阻的 PN结上。低掺杂的本征区 ? 很宽， 电场较低，大部分入射光子在此区 被吸收并建立最初的电子 ——空穴 对。
的随机噪声。 ? 主要包括： 光检测器的噪声 、前置放大器
的噪声 和热噪声。
? 根据光电效应，当光入射到
PN结时，光子被吸收而产生 电子-空穴对。
?如果反向电压增加到是电场
达到 200kV/cm以上，初始 电子（一次电子）在高电场 区获得足够的能量而加速运 动。高速运动的电子和晶格 原子相碰撞，使晶格原子电 离，产生新的电子 -空穴对，
层的厚度 w要足够大。
2.暗电流
暗电流 Id：是在反向偏压条件下，没有入射 光时，光电二极管产生的反向电流。
包括：晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和 载流子热扩散形成的本征暗电流。
暗电流与光电二极管的材料和结构有关
例如： Si材料的 PIN ，Id<1nA ；Ge材料的 PIN， Id>100 nA。
5．2．2数字光接收机的噪声
一．光接收机噪声的分类 二．噪声分析的一般方法 三．光接收机的噪声等效模型 四．放大器噪声的计算 五．前置放大器的类型
一．光接收机噪声的分类
光接收机的噪声有两部分： 外部噪声和 内部噪声。 ? 外部噪声：由外部电磁干扰产生的。可以通
过屏蔽或滤波来消除。
? 内部噪声：是在信号检测和放大过程中引入
? 长波段
SAM（Separated Absorption and multiplexing）
（1.3 um~1.55 um ） SAGM
（带隙渐变型 SAM）
1.拉通型（RAPD）
P+和N+为高掺杂低阻区，压降很 小，偏置电压基本上都落在高阻的 PN结上。低掺杂的本征区 ? 很宽， 电场较低，大部分入射光子在此区 被吸收并建立最初的电子 ——空穴 对。
的随机噪声。 ? 主要包括： 光检测器的噪声 、前置放大器
的噪声 和热噪声。
第5章 光检测器与光接收机
5.1.2
雪崩光电二极管(APD) 雪崩光电二极管(APD)
InGaAs雪崩光电二极管的通用工作特性参数 表5.2 Si, Ge, InGaAs雪崩光电二极管的通用工作特性参数
参数 波长范围 雪崩增益 暗电流 上升时间 增益带宽积 偏压 符号 λ G ID τ G·B VB 单位 nm nA ns GHz V Si 400~1000 20~400 0.1~1 0.1~2 100~400 150~400 Ge 800~1650 50~200 50~500 0.5~0.8 2~10 20~40 InGaAs 1100~1700 10~40 10~50 0.1~0.5 20~250 20~30
= (1 − R)exp(−αw1 )(1 − exp(−αw))
量子效率定义为
η=
(5.2)
R 也可以用响应度来表示： 也可以用响应度来表示： R = I p / P = η e 0 / hν
(A/W )
(5.3)
5.1.1
PIN 光电二极管的工作原理
要得到高的量子效率，必须采取如下措施： 要得到高的量子效率，必须采取如下措施：(1) 减小入 射表面的反射率； 射表面的反射率；(2) 尽量减小光子在表面层被吸收的 可能性，增加耗尽层的宽度。因此， 可能性，增加耗尽层的宽度。因此，为了得到高的量子 效率， 结构，如图5.2所示。 5.2所示 效率，常采用 PIN 结构，如图5.2所示。
1 G= [1 − (V − IRs ) / VB ]m
式中， 是反向偏压 是反向偏压； 是反向击穿电压； 式中，V是反向偏压； V 是反向击穿电压；m 是APD结 结 B 构和材料决定的参量。 构和材料决定的参量。
5.1.2ຫໍສະໝຸດ 雪崩光电二极管(APD) 雪崩光电二极管(APD)
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PIN (Positive Intrinsic Negative) PIN光电二极管(PINPD)的结构如图
图5.1 PIN光电二极管的结构
5.1.2 雪崩光电二极管
雪崩光电二极管应用光生载流子在其 耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应而获得 光生电流的雪崩倍增。
1. 雪崩光电二极管的结构
常用的APD结构包括拉通型APD和保 护环型APD，如图5.2所示。由于要实现电 流放大作用需要很高的电场，因此只能在 图中所示的高场区发生雪崩倍增效应。
3. 目前国产PIN光电二极管的水平（续） （3）InGaAs-PIN （用于1.3mm或1.5mm光纤通信系统） 响应光谱范围： 1.3mm或1.5mm 响应度R： 0.5-0.7(mA/mW) 量子效率h： 60% 响应时间： tr<1 nS （tr脉冲前沿） 工作电压： -5V 暗电流： Id ~ 3 nA
3. 目前国产PIN光电二极管的水平（续） （2）Ge-PIN （用于1.3mm光纤通信系统） 响应光谱范围： 1.3mm 响应度R： 0.5-0.7(mA/mW) 量子效率h： 70% 响应时间： tr<1 nS （tr脉冲前沿） 工作电压： -5V~ -10V 暗电流： Id ~ 0.2 mA
§5-1-1 PIN光电二极管
图5.2
APD的结构
APD结构示意图
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
对比： PIN光电二极管是一种无信号增益的器件，一 个光子最多只能产生一对电子-空穴对； APD光电二极管可以像光电倍增管那样在 APD内部得到放大，一个光子可以产生多对电子空穴对，从而使APD可以具有高的响应度。
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
PIN光电二极管工作原理
由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征 半导体，故称I层，因此这种结构称为PIN 光电二极管。I层较厚，几乎占尽了整个耗 尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并 产生大量的电子——空穴对。在I层两侧是 掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和 N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而 光产生电流中漂移分量占了主导地位，这 就大大加快了响应速度。
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
（2）倍增因子M M是雪崩倍增时测得的信号电流与其无倍增时 的信号电流之比。 根据M的物理意义则有如下关系：
其中，IAP、 IAd分别为最佳偏压下雪崩时光电流和暗 电流; IP、Id分别为反向电压10伏时测得的光照时电流 和暗电流 (无倍增时) 。
I AP I Ad M IP Id
§5-1-1 PIN光电二极管
2. PIN光电二极管结构与工作原理 PIN是在普通的光电二极管(PD--Photo Diode) 的P区和N区之间增加本征区(I区)，由于I 区具有 较高的电阻，因此外加反向偏压基本上降落在I 区。 当光子入射到达I区时，由于光ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ被吸收而产 生电子--空穴对（光生载流子），在高电场作用下， 电子--空穴分别高速向相反方向运动（电子向N区， 空穴向P区），从而在外加负载上形成光电流。
功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光
信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的 电信号
组成部分：耦合器，光电检测器，解调器 组成框图： 电子电路
光输入 耦合器 光电检测器 解调器 电信号输出
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
3. APD性能指标典型值(续) （3）InGaAs-APD(铟镓砷雪崩光电二极管) 响应光谱范围：0.8-1.7mm 量子效率h： 50-70% 倍增因子M： 20-40 暗电流： Id=10nA (电压在-10VB) 响应时间： tr<0.3 nS （tr脉冲前沿）
§5-1-1 PIN光电二极管
3. 目前国产PIN光电二极管的水平 （1）Si-PIN 响应光谱范围：0.8-0.9mm 响应度R： 0.6-0.8(mA/mW) 量子效率h： 80% 响应时间： tr<1 ns （tr脉冲前沿） 工作电压： -15V 暗电流： Id<1 nA
§5-1-1 PIN光电二极管
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
（4）响应度（灵敏度） 检测器的光电流与入射光功率之比称为响应 度，以R表示。 R=(Ip-Id)/Pin 注意： Ip是倍增前的光电流。 （5）暗电流 （6）量子效率 I /q
h
Pin / h
P
(%)
注意： Ip是倍增前的光电流。
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
3. APD性能指标典型值 目前用于光纤通信的APD光电二极管性能指标 （1）Si-APD(硅雪崩光电二极管) 响应光谱范围：0.6-1.1mm 量子效率h： 70-80% （因结构而异） 倍增因子M： 40-80 暗电流： Id~0.1 nA (在-0.9VB) 响应时间： tr<0.5 nS （tr脉冲前沿） 雪崩电压VB ： -80 ~ -130V（ Id~10mA ）
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
3. APD性能指标典型值(续) （2）Ge-APD(锗雪崩光电二极管) 响应光谱范围：0.8-1.65mm 量子效率h： 60-80% 倍增因子M： 10-30 暗电流： Id=0.3 ~2mA (电压在-0.9VB) 响应时间： tr<0.5 nS （tr脉冲前沿） 雪崩电压VB ： -30 ~ -40V（ Id~10mA ）
5.2.2 光电检测器的典型指标
及简易检测
1. 光电检测器的典型指标
表5.1中列出了富士通公司生产的两种
光电检测器的典型指标。
2. 光电器件的简易检测
与光源器件一样，在没有测试条件的 情况下，使用人员也可以借助于指针式万 用表对光电检测器件进行简易的测试。这 种测试方法主要是检查光电检测器件PN结 的好坏：PN结好不能保证器件具有好的特 性，而PN不好的器件其质量绝对不会好。 常用光电检测器件的参考数据如表5.2所示。
PIN光电二极管工作原理
通过插入I层，增大耗尽区宽度达 到了减小扩散分量的目的，但是过大 的耗尽区宽度将延长光生载流子在耗 尽区内的漂移时间，反而导致响应变 慢，因此耗尽区宽度要合理选择。通 过控制耗尽区的宽度可以改变PIN光 电二极管的响应速度。
§5-1-1 PIN光电二极管
1. PN结的特性 在PN结上加反向偏压（P接－，N接＋）， 并在入射光的照射下，可以产生与入射光强度成 正比的光生电流。 因此，反向偏压下的PN结就是一种最基本 的PN光电二极管。 通过对这种光电二极管的改进，可以获得性 能更为优异的能在实际光通信系统中使用的 PIN 光电二极管和APD雪崩光电二极管。
注意事项 根据器件的性能和实际经验，检测器使用中 应注意以下几点： （1）光电检测器是反向加压的，与光源的使 用正好相反。 （2）工作电压应选择最佳偏压以便得到最大 的信噪比。 （3）更换检测器时，应选择性能参数一致或 接近的器件，以减少调试的工作量 （4）防止高温偏置、热循环以及管子漏气受 湿度的影响。 （5）防止静电击穿
4. 暗电流
暗电流主要由体内暗电流和表面暗电 流组成。
5. APD的倍增因子
APD的电流增益，即平均倍增因子M 可表示为：
式中：Ip 为APD倍增后的光生电流；Ip0 是 未倍增时的原始光生电流。若无倍增时和 倍增时的总电流分别为I1和I2，则应扣除当 时的暗电流Id1和Id2后才能求出M。
6. 光电检测器的噪声
式中：e是电子电荷，其值约为
1.6×10-19C，ν为光频。η与ρ关系可以表示
为：
式中：h是普朗克常数，c是光在真空 中的速度,λ是光电检测器的工作波长。代 入相应数值后，可以得到：
从式(6-4)中可以看出：在工作波长一 定时，η与ρ具有定量的关系。
3. 响应速度
光电二极管的响应速度是指它的光电 转换速度。
2.APD的倍增因子是否越大越好，为什么？
答：不是。因为APD在放大光信号的同时，也在 放大噪声信号，而噪声信号将严重影响信号 传输质量。在实际应用中，应根据需要选择 最佳倍增因子，一般低于APD的最大放大倍 数，处于倍增因子的最小值与最大值中间。
5.3 光 接 收 机
光接收机是光纤通信系统的最重要也 是最复杂的组成部分。 接收机对接收到的光信号进行处理以 便复原发送的信息比特。其判决的可靠性 与接收到的功率有关，其机理比较复杂， 涉及到存在于实际光接收机中的各类噪声。
光电检测器的噪声包括量子噪声、暗 电流噪声和由倍增过程产生的倍增噪声。 (1) PINPD的噪声 PINPD的总均方噪声电流可以表述如 下： 〈i2〉=2e(Ip+Id)B 式中：e为电子电荷量；Ip 为光生电流；Id 为PINPD的暗电流，B为噪声带宽。
(2) APD的噪声
APD的量子噪声和暗电流噪声(要考 虑倍增作用)与PINPD机理类似，计算方法 也基本相同。 (3) 最佳倍增因子 虽然APD的倍增作用对信号有放大作 用，但是由于倍增噪声的存在也使得总噪 声增加。
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
雪崩倍增因子M与反向偏压有如下关系：
M 1 / 1 (V / VB )
由图可知，APD 工作电压应略小于VB， 以便不损伤器件，同时 使器件处于最佳的工作 状态。
n
n3~ 6
§5-1-2 APD雪崩光电二极管
*（3）增益-带宽乘积 APD的带宽定义：转换效率与直流光信 号相比下降3dB时的频率为响应带宽B。 雪崩光电二极管的带宽与增益因子M之 积为一常数。 对于Si-APD，该常数为MB=450GHz。
5.2 光电检测器的特性指标
5.2.1 光电检测器的工作特性
1. 响应度
在一定波长的光照射下，光电检测器 的平均输出电流与入射的平均光功率之比 称为响应度(或响应率)。响应度可以表示 如下：
式中：Ip为光生电流的平均值(单位：
A)；P为平均入射光功率值(单位：W)。