光检测器及光接收机优秀课件

第5章 光检测器及光接收机
综上所述，检测某波长的光时要选择合适材料作 成的光检测器。首先，材料的带隙决定了截止波长要 大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不能进 行光电转换。其次，材料的吸收系数不能太大，以免 降低光电转换效率。Si―PIN光电二极管的波长响应范 围为0.5～1μm，Ge―PIN和InGaAs―PIN光电二极管的 波长响应范围约为1~1.7μm。
图5.3 用作光检测器的几种导体材料的吸收
系数随波长的变化情况
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半导体材料的吸收系数α与波长有关。半导体材料 的吸收作用随波长减小而迅速增强，即α随波长减小而 变大。图5.3为光纤通信中用作光检测器的几种材料的 吸收系数随波长的变化情况。
从图中可以看出，当波长很短时，材料的吸收系数 很大，这样，光在半导体材料表层即被吸收殆尽。在 表层产生的光生载流子要扩散到耗尽层才能产生光生 电流，而在表层为零电场扩散区，扩散速度很慢，在 光生载流子还没有到达耗尽层时就大量被复合掉了， 使得光电转换效率在波长很短时大大下降。
5.1.1 PN结的光电效应
光电二极管（PD）是一个工作在反向偏压下的PN 结二极管，由光电二极管作成的光检测器的核心是PN 结的光电效应。当PN结加反向偏压时，外加电场方向 与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面 附近载流子基本上耗尽形成耗尽区。当光束入射到PN 结上，且光子能量hv大于半导体材料的带隙Eg时，价 带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电 子—空穴对。
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在耗尽区，在内建电场的作用下电子向N区漂移，空穴 向P区漂移，如果PN结外电路构成回路，就会形成光 电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化， 从而把光信号转换成电信号。当入射光子能量小于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
h E g
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5.1 半导体光检测器原理、结构及特性
光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，它 的作用是把光发射机发送的携带有信息的光信号转 化成相应的电信号并放大、再生恢复为原传输的信 号。光接收机的组成框图如图5.1所示，它由光检测 器、低噪声前置放大器、主放大器、均衡器以及滤 波器等组成。
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2)响应度
响应度是描述光检测器能量转换效率的一个参量。
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光检测器产生的光电流是非常微弱的，必须由前 置放大器进行低噪声放大，因此前置放大器的噪声对 放大器输出的信号影响非常大。主放大器、均衡器以 及滤波器对信号进行进一步放大及整形，以提高系统 性能。本章首先介绍光电检测器的原理及特性，然后 介绍数字光接收机的组成及特性。
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吸 收 (系c －m )数1 In G a A s P
0 . 7 0 0 . 3 0 0 . 6 04 . 3 6
In G a A s
0 . 5 30 . 4 7
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105 Ge
104 G aA s
103
102 Si
101 0.4
0.6 0.8 1.0 1.2 波 长 /m
1.4 1.6 1.8
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P(d)P(0)ead
(5.3)
式中，α是材料对光的吸收系数，其单位为长度单位的 倒数。称1/α为光的穿透深度。半导体材料的吸收系数 α与波长有关。半导体材料的吸收作用随波长减小而迅 速增强，即α随波长减小而变大。图5.3为光纤通信中 用作光检测器的几种材料的吸收系数随波长的变化情 况。
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5.1.2 PIN光电二极管 1. PIN光电二极管的结构 如图5.2所示，PIN光电二极管是在掺杂浓度很高
的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材 料，称为I层。在外加反向偏置电压作用下，I层中形成 很宽的耗尽层。由于I层吸收系数很小，入射光可以很 容易地进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子—空 穴对，因此大幅度提高了光电转换效率。另外，I层两 侧的P层、N层很薄，光生载流子的漂移时间很短，大 大提高了器件的响应速度。
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增透膜 光
P I PN+
(a)
电极 电极
电极 (b)
图5.2 PIN光电二极管结构
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2. PIN光电二极管的特性 PIN光电二极管的主要特性包括波长响应范围、响 应度、量子效率、响应速度及噪声特性等。
1)波长响应范围 由式（5.2）可知，不同半导体材料存在着上限波 长即截止波长。当入射波长远远小于截止波长时，光 电转换效率会大大降低。因此，半导体光电检测器只 可以对一定波长范围的光信号进行有效的光电转换， 这一波长范围就是波长响应范围。由于半导体材料对 光的吸收，光在材料中按指数率衰减，因此经过长度d 的材料的光功率为
(5.1)
即存在
c
hc Eg
(5.2)
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λc为产生光电效应的入射光的最大波长，称为截止波长。 以Si为材料的光电二极管,λc=1.06μm;以Ge为材料的光 电二极管，λc=1.60μm。
利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极管。 但这种光电二极管结构简单，无法降低暗电流和提高 响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合做光 纤通信的检测器。
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光 信 号光 检 测 器
前 置 放 大 器
主 放 大 器 均 衡 器
电 信 号 滤 波 器
图5.1 光接收机组成框图
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光检测器用于将接收到的光信号转换成电信号。由于从 光纤中传过来的光信号一般都很微弱，因此对光检测器的基 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。