光纤通信原理第4章光检测器与光接收机--36课时
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按有无增益
PD（Photon-diode) APD (Avalanche Photon-diode)
4.2.1 光检测器原理
1. 最常用的PIN-PD 2. APD
薄P区 吸收区 衬底
器件结构 P I
N
Positive Intrinsic Negative
Photon-diode
光纤通信系统对光电检测器的要求：
光纤通信原理第4章光检测器与光接收机--36课时
第四章 光检测器及光接收机
4.1 概述 4.2光检测器 4.2.1光检测器的工作原理 4.2.2光检测器的主要性能 4.2.3 高带宽光检测器 4.3 光接收机的噪声 4.3.1光接收机中的噪声源 4.3.2光接收机等效电路及放大器电路噪声 4.3.3 光检测器噪声 4.3.4 背景噪声 4.3.5 光检测器信噪比
I区厚度
Ip0 Leh P f01exp( ()x(1Rf)dx
入射的平均光子数
光子进入探测器内的百分比
一个光子受激吸收 产生一个电子电荷的电量
光子在x处被吸收掉的几率
IpP 0hef1exp(()L(1Rf) 4.2.2
L为耗尽层（I）厚度
定义PD的量子效率 产 生 入 的 射 电 的 子 光 空 子 穴 数 对 数 P Io pe(1Rf)[1exp( ()L] 4.2.6
• 与光源的工作波长对应 • 工作波长处转换效率高 • 附加噪声小 • 响应速度快 • 长寿命
4-2-1、PIN-PD原理：
PD的基本作用是将入射的光子吸收产生产生电子-空穴
对，并在外电场的作用下形成闭环的光电流
透明条件：h E g
吸收条件 Hale Waihona Puke Baidu E g
PIN-PD原理-----P型+I本征+N型半导体光电二极管
R Ip Nee e e
Po Nphf hf hc 1.24 Ne 单位时间产生的电子空穴对数量 Np 单位时间输入的光子数量
InGaAs的Eg=0.75eV，若量子效率为0.7，计算该材料制作的 PIN-PD的响应度。
解： 1. =1.24/Eg 2. R0=/1.24= e/Eg=0.7/0.75=0.933[A/W]
4.1 概述
幅度放大 限制带宽 O/E变换 i/v变换+低噪声放大
1R
PD
核心 ---噪声问题
线性部分
图4.1.1 光纤通信接收机框图 (a) 模拟接收机； (b) 数字接收机
3R 1. 幅度 2. 形状 3. 相位
光接收机主要指标
1. 带宽或传输数率
决定了系统信息传输能力
2. 接收灵敏度
1. 在指定信噪比(误码率)下的最小接收光功率 2. 系统设计留有3~6dB的富余量 3. 与发射光功率一起决定了系统无中继距离
PD器件的总电容C= Cp + Cd
☆分布电容Cd 由封装（如管壳）引起，达到
0.2Pf~几Pf
减小C的方法
器件设计：结面积、本征区长度的选择 器件工艺：晶格匹配的外延生长、器件工艺 环境控制 应用：1)裸芯片PIN-TIA；2)提高反向偏压
4. 光谱响应范围 光电子系统光源波长限制
5. 带宽或响应时间 光电子系统的整体带宽
1、量子效率和光电转换效率R0
光生电流Ip 入射的光强为Po，经过半导体后发生吸收， 通过距离x后的剩余光强为Poexp（-x） ()：材料的吸收系数，单位（cm）-1 吸收掉的光强为：Po[1- exp（-x）]
没有光照时，闭环的PD中仍有电流流过， 该部分电流叫做暗电流，漏电流是暗电流 的一部分
3、芯片电容Cp和分布电容Cd
☆芯片电容Cp pn结电容
Cp
0 r A L
ε0为真空中的介电常数(硅ε0＝8.85×1012 F／m)； εr(硅=11.7)；A为结面积。合 理选择A和L，可使结电容达到0.lPF以下
不吸收 吸收 不吸收
光电流产生的基本过程：
入射 吸收
光电流
EHP
漂移 扩散
俘获
x 复合（p区）
光电流 输出
I P+
P 吸收系数 I N x
x n+
4.2.2 光检侧器的主要特性
1. 量子效率和响应度R0（光生电流Ip） 2. 暗电流Id
噪声源之一
3. 芯片电容Cp和分布电容Cd 带宽的限制因素之一、影响接收灵敏度
4.5 数字接收机的噪声分析 4.5.1 概述 4.5.2 数字接收机的分析模型 4.5.3 信号分析 4.5.4 放大器电路噪声 4.5.5 光检侧器噪声 4.5.6 输入输出波形形状及I1、I2、I3、∑值 4.6 前置放大器 4.6.1 高阻抗前置放大器 4.6.2 互阻抗前置放大器 4.6.3 动态范围
4.7 数字接收机的误码率和接收灵敏度 4.7.1 数字接收机的误码率 4.7.2 数字接收机的接收灵敏度 4.7.3 光前置放大器接收机 4.7.4 影响灵敏度的其它因素 4.7.5 数字接收机灵敏度的极限---量子极限 4.8 数字接收机中的定时提取和判决再生 4.8.1定时提取 4.8.2判决再生
hf
提高的方法 1. 减少端面反射Rf 2. 加厚耗尽层L 3. 选择α大的材料
PIN-PD响应度R0
定义 RIp ee
Po hf hc 1.24
4.2.7
式中[m]，单位：A/W A/W
APD响应度RAPD
RAPDGIPop G1.24GRo 式中G为雪崩增益
4.2.8
例题4.2.1 思考：R0≥1？为什么？
2、暗电流Id与漏电流Is
同质PN结PD： ①在耗尽区中热生带间跃迁产生的复合电流Igr，在低反向偏 压下是暗电流Id的主要部分；②在高反向偏压下，载流子贯穿 p-n结势垒所产生的隧道电流Itu；③在低温下越过p-n结的旁路 电流(表面漏电流)Is则是主要部分。
PIN-PD： 为了减小异质结的漏电流，两种半导体的晶格常数必须严格匹配。在GaAs 衬底上生长三元化合物A1xGa1-xAs，可以形成良好晶格匹配的异质结，这 些异质结光电探器是在0.65一0.85µm波长使用的光电器件。
3. 动态范围
1. 在指定信噪比(误码率)下的最大接收光功率与最 小接收光功率之差
2. 可使系统设计灵活、可靠、降低成本
4.2 光检测器
种类
按工作原理
光敏电阻（光电导） 太阳能电池（光伏） 光电二（三）极管
按材料
Si GaAs InGaAs
按用途
光开关 光隔离器 红外接收 光通信
PD（Photon-diode) APD (Avalanche Photon-diode)
4.2.1 光检测器原理
1. 最常用的PIN-PD 2. APD
薄P区 吸收区 衬底
器件结构 P I
N
Positive Intrinsic Negative
Photon-diode
光纤通信系统对光电检测器的要求：
光纤通信原理第4章光检测器与光接收机--36课时
第四章 光检测器及光接收机
4.1 概述 4.2光检测器 4.2.1光检测器的工作原理 4.2.2光检测器的主要性能 4.2.3 高带宽光检测器 4.3 光接收机的噪声 4.3.1光接收机中的噪声源 4.3.2光接收机等效电路及放大器电路噪声 4.3.3 光检测器噪声 4.3.4 背景噪声 4.3.5 光检测器信噪比
I区厚度
Ip0 Leh P f01exp( ()x(1Rf)dx
入射的平均光子数
光子进入探测器内的百分比
一个光子受激吸收 产生一个电子电荷的电量
光子在x处被吸收掉的几率
IpP 0hef1exp(()L(1Rf) 4.2.2
L为耗尽层（I）厚度
定义PD的量子效率 产 生 入 的 射 电 的 子 光 空 子 穴 数 对 数 P Io pe(1Rf)[1exp( ()L] 4.2.6
• 与光源的工作波长对应 • 工作波长处转换效率高 • 附加噪声小 • 响应速度快 • 长寿命
4-2-1、PIN-PD原理：
PD的基本作用是将入射的光子吸收产生产生电子-空穴
对，并在外电场的作用下形成闭环的光电流
透明条件：h E g
吸收条件 Hale Waihona Puke Baidu E g
PIN-PD原理-----P型+I本征+N型半导体光电二极管
R Ip Nee e e
Po Nphf hf hc 1.24 Ne 单位时间产生的电子空穴对数量 Np 单位时间输入的光子数量
InGaAs的Eg=0.75eV，若量子效率为0.7，计算该材料制作的 PIN-PD的响应度。
解： 1. =1.24/Eg 2. R0=/1.24= e/Eg=0.7/0.75=0.933[A/W]
4.1 概述
幅度放大 限制带宽 O/E变换 i/v变换+低噪声放大
1R
PD
核心 ---噪声问题
线性部分
图4.1.1 光纤通信接收机框图 (a) 模拟接收机； (b) 数字接收机
3R 1. 幅度 2. 形状 3. 相位
光接收机主要指标
1. 带宽或传输数率
决定了系统信息传输能力
2. 接收灵敏度
1. 在指定信噪比(误码率)下的最小接收光功率 2. 系统设计留有3~6dB的富余量 3. 与发射光功率一起决定了系统无中继距离
PD器件的总电容C= Cp + Cd
☆分布电容Cd 由封装（如管壳）引起，达到
0.2Pf~几Pf
减小C的方法
器件设计：结面积、本征区长度的选择 器件工艺：晶格匹配的外延生长、器件工艺 环境控制 应用：1)裸芯片PIN-TIA；2)提高反向偏压
4. 光谱响应范围 光电子系统光源波长限制
5. 带宽或响应时间 光电子系统的整体带宽
1、量子效率和光电转换效率R0
光生电流Ip 入射的光强为Po，经过半导体后发生吸收， 通过距离x后的剩余光强为Poexp（-x） ()：材料的吸收系数，单位（cm）-1 吸收掉的光强为：Po[1- exp（-x）]
没有光照时，闭环的PD中仍有电流流过， 该部分电流叫做暗电流，漏电流是暗电流 的一部分
3、芯片电容Cp和分布电容Cd
☆芯片电容Cp pn结电容
Cp
0 r A L
ε0为真空中的介电常数(硅ε0＝8.85×1012 F／m)； εr(硅=11.7)；A为结面积。合 理选择A和L，可使结电容达到0.lPF以下
不吸收 吸收 不吸收
光电流产生的基本过程：
入射 吸收
光电流
EHP
漂移 扩散
俘获
x 复合（p区）
光电流 输出
I P+
P 吸收系数 I N x
x n+
4.2.2 光检侧器的主要特性
1. 量子效率和响应度R0（光生电流Ip） 2. 暗电流Id
噪声源之一
3. 芯片电容Cp和分布电容Cd 带宽的限制因素之一、影响接收灵敏度
4.5 数字接收机的噪声分析 4.5.1 概述 4.5.2 数字接收机的分析模型 4.5.3 信号分析 4.5.4 放大器电路噪声 4.5.5 光检侧器噪声 4.5.6 输入输出波形形状及I1、I2、I3、∑值 4.6 前置放大器 4.6.1 高阻抗前置放大器 4.6.2 互阻抗前置放大器 4.6.3 动态范围
4.7 数字接收机的误码率和接收灵敏度 4.7.1 数字接收机的误码率 4.7.2 数字接收机的接收灵敏度 4.7.3 光前置放大器接收机 4.7.4 影响灵敏度的其它因素 4.7.5 数字接收机灵敏度的极限---量子极限 4.8 数字接收机中的定时提取和判决再生 4.8.1定时提取 4.8.2判决再生
hf
提高的方法 1. 减少端面反射Rf 2. 加厚耗尽层L 3. 选择α大的材料
PIN-PD响应度R0
定义 RIp ee
Po hf hc 1.24
4.2.7
式中[m]，单位：A/W A/W
APD响应度RAPD
RAPDGIPop G1.24GRo 式中G为雪崩增益
4.2.8
例题4.2.1 思考：R0≥1？为什么？
2、暗电流Id与漏电流Is
同质PN结PD： ①在耗尽区中热生带间跃迁产生的复合电流Igr，在低反向偏 压下是暗电流Id的主要部分；②在高反向偏压下，载流子贯穿 p-n结势垒所产生的隧道电流Itu；③在低温下越过p-n结的旁路 电流(表面漏电流)Is则是主要部分。
PIN-PD： 为了减小异质结的漏电流，两种半导体的晶格常数必须严格匹配。在GaAs 衬底上生长三元化合物A1xGa1-xAs，可以形成良好晶格匹配的异质结，这 些异质结光电探器是在0.65一0.85µm波长使用的光电器件。
3. 动态范围
1. 在指定信噪比(误码率)下的最大接收光功率与最 小接收光功率之差
2. 可使系统设计灵活、可靠、降低成本
4.2 光检测器
种类
按工作原理
光敏电阻（光电导） 太阳能电池（光伏） 光电二（三）极管
按材料
Si GaAs InGaAs
按用途
光开关 光隔离器 红外接收 光通信