第四章 光检测器和光接收机

图4-1 半导体材料的光电效应
③当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过 外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区， 便形成了光生电流。
当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。
4.1.2
PIN光电二极管
2 . PIN光敏二极管特性参数 （1）截止波长和吸收系数

截止波长 产生光电效应必须满足的条件
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。
耗尽层仍为Ｉ层， 起产生一次电子 －空穴对的作用。
图４－６ ＡＰＤ的结构图
4.1.3
雪崩光敏二极管
光入射到PN结－－产生电子—空穴对－－加高反向电压－－形成强电场－－光生载流 子被加速－－与晶格的原子发生碰撞－－价带的电子获能越过禁带到导带－－产生新的 电子—空穴对；新产生的电子—空穴对又被加速－－再次碰撞－－又激发出新的电子— 空穴对……如此循环下去，形成雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增
第4章 光检测器和光接收机
4.1 光检测器 4.2 光接收机 4.3 灵敏度及噪声分析 4.4 光中继器
第4章 光检测器和光接收机
本章重点 光电检测器 工作特性 光接收机性能指标
4.1 光检测器
4.1.1 光检测原理 光检测器 完成光/电信号的转换 基本要求 灵敏度高 响应速度快 噪声小 稳定可靠
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
4.2.1 光接收机的结构
光检测器的选择：要视具体应用场合而定。
P P P max min D＝10 lg − 10 lg = 10 lg max (dB) −3 −3 P 10 10 min
数字光接收机的动态范围一般应大于15 dB。
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4.2.2 光接收机的性能指标
如对于某接收机在保证Pe=10-9的条件下，所需接受的 最小光功率为15.8nW，而正常工作时最大接收功率为 1μW，则其动态范围
1 × 10 −6 15.8 × 10 −9 − 10 lg D = 10 lg = 18 (dB) −3 −3 1 × 10 1 × 10
4.2.2 光接收机的性能指标
长波长接收机的典型动态范围
4.2.2 光接收机的性能指标
信号进行高增益 ( 自动控制）的放 大（1-3V）
定时判决
无光告警
AGC放大
峰值检波
时钟提取
控制主放大器的增益， 使得输出信号的幅度 在一定的范围内不受 输入信号幅度的影响
从收到的带有噪声和畸变的波 形中识别信码“1”和“0”。然 后由再生电路重新产生和发端 一样的数字脉冲序列。
4.2.1 光接收机的结构

波长，同时 吸收系数不能太大。
4.1.2
PIN光电二极管
（2）响应度和量子效率
响应度
R0 = I p / P0 （A/W）
（4-4）
I p为光电检测器的平均输出电流 P o 为入射到光电二极管上的平均光功率 R一般为0.3~0.7A/W
4.1.2

PIN光电二极管
量子效率 入射光子转换为光电子的效率
Ip /e I p hf 光电转换产生的电子 − 空穴对数 （4-5） η= = = P0 / hf P0 e 入射光子数
eλ = ⋅η ( A W ) R0 = hf hc
ηe
（4-6）
−34
h = 6 .628 × 10 式中c = 3 × 108 m/s为光速，
J ·s为普朗克常数。
※ 光电二极管的响应度和量子效率与入射光频率（波长）有关。
4.1.2

PIN光电二极管
吸收系数α 光信号的衰减 P(d)=P(0)exp（-αd） 令 d=1/ α 则

(4-3)
P(d)=P(0)/e δ= 1/ α为光在半导体中的穿透深度 （即入射光功率在半 吸收系数 α随光波长减小而变大 制作光电检测器时，一方面要考虑截止波长要大于入射光
导体中衰减为表面处的1/e时的深度）
4.1.2
PIN光电二极管
（3）响应时间 指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢 的状态 响应时间越短越好 （4）线性饱和

光检测器电路有一定的光功率检测范围。当入射光功率太大 图4-5
时，光电流和光功率将不成正比，从而产生非线性失真。

4.1.2
PIN光电二极管
（5）暗电流 由于热激励等，在无光情况下，光电检测器仍有电流输出 引起接收机噪声增大 限制了光电二极管所能检测的最小光功率，也就是降低了接 收机的灵敏度。 暗电流越小越好
4.1.2
PIN光电二极管
图4-4 典型PIN的R0、η、λ 关系曲线 在光电二极管的应用中，１００个光子会产生３０到９５个电子－空穴对，因此检测器的量子 效率范围为３０％￣９５％。为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得可以吸 收大部分的光子。但是，耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越（ａｃｒｏｓｓ）反向偏置结的时间 就越长。由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在响应速度 和量子效率之间采取折衷。
4.1.3
雪崩光敏二极管
IM g= IP
2．APD的特性参数 （1）雪崩 倍增因子g（电流增益系数） （4-12） I M 为有雪崩倍增时光电流平均值 I p为无倍增效应时光电流平均值 PIN管g =1 一般用平均倍增（电流增益系数）G 表示 （4-13） 式中<g >是表示随机量g 的平均值 随着温度的升高，倍增增益将下降
• 判决、再生过程
判决电压 均衡器输 出波形 时钟
再生后 的信号
最佳取样时间相应于“1”和“0”信号电平相 差最大的位置，可有眼图决定。
4.2.1 光接收机的结构
2.输出电路
码型反变换电路（线路码---NRZ) 输出接口
3 其他电路
告警电路 倒换电路 公务电路 电源电路
4.2.2 光接收机的性能指标
4.1.2
（6）噪声
PIN光电二极管
散粒噪声（又称量子噪声） 光生电子-空穴对具有离散性和随机性
随信号强度变化
热噪声 限制了光电二极管所能检测的最小光功率，直接影响了接收 灵敏度
4.1.3

雪崩光敏二极管
APD作用 光/电转换 内部电流放大(雪崩倍增效应)
4.1.3
量子效率wenku.baidu.com 60% 70% 75%
过剩噪声指数x 0.3~0.4 0.6~1 0.5~0.6
4.1.3
雪崩光敏二极管
（3）APD响应度和量子效率 响应度比PIN提供了G倍 量子效率只与初始载流子数目有关，与倍增无关，总 是小于1
表4-2 PIN和APD性能比较 PIN 制造工艺 成本 灵敏度 动态范围 偏置电压 暗电流 温度敏感性 适用范围 简单 低 差 稍差（典型15~25dB） 低 小 小 中低速中短距离传输， 或高速率短距离传输 复杂 高 比PIN高3~10dB 大（典型25~35dB） 高 较大 大（需温度补偿） 中高速中长距离传输 APD
G =< g >


4.1.3
雪崩光敏二极管
图4-7 雪崩 倍增因子与偏压、温度关系
4.1.3
雪崩光敏二极管
（2）倍增噪声 过剩噪声系数 F(G)=Gx 反映了APD中由于雪崩倍增作用而增加的噪声 x过剩噪声指数
表4-1 APD性能
类型 Si-APD Ge-APD InGaAs-APD
1mW
4.2.2 光接收机的性能指标
例如，某接收机在保证误码率Ｐｅ＝１０－９的条件下，所需接受的最 小光功率为１５．８ｎＷ，则灵敏度为（已知ｌｇ１５．８＝１．２）：
15.8 × 10 −9 S r = 10 lg = −48(dBm) −3 10
4.2.2 光接收机的性能指标
2 光接收机的动态范围 光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下， 接收机的最低输入光功率（dBm）和最大允许输入光功率 （dBm）之差（dB）。即
1 光接收机的灵敏度 指在系统满足给定误码率指标的条件下，光接 收机所需的： 输入的最小平均光功率P R （mW）； 每个光脉冲的最低平均光子数n 0 ； 每个光脉冲的最低平均能量E d 。
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4.2.2 光接收机的性能指标
三种表示方法之间的关系 E n hf d 0 = PR = 2T 2T (4-15) Ｔ 为脉冲码元时隙，Ｔ＝１／ｆｂ ｈｆ 是一个光子能量 工程中常用毫瓦分贝（ｄＢｍ）来表示灵敏度Ｓｒ ，即： PR S r = 10 lg (dBm) （4-16）
4.2.1 光接收机的结构
任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号 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 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。 输出
4.1.2
PIN光电二极管
1. PIN光敏二极管原理
Ｉ区高阻抗，电压 基本都落在Ｉ区
图4-3 PIN光电二极管结构及各层电场分布
4.1.1 光检测原理
① PN结在入射光 作用下，由于受激 吸收产生大量电子空穴对；
②在内外电场作用下， 电子向N区运动，空穴 向P区运动，便在两端 产生电动势（光电效 应）；
雪崩光敏二极管
• PIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益 • APD:利用电离碰撞, 1个光子产生多对电子-空穴对,有增益 • 工作过程：
吸收 外电场加速 入射光－－－－－－－一对电子－空穴对（一次光生电流）－－－－－－－－－－－－－－ 与晶格碰撞电离－－－－－－－－－多对电子－空穴对（二次光生电流）
4.2.1 光接收机的结构
对主放输出的失 提供高的增益， 放大到适合于 判决电路的电 平。 主放 大器 均衡 滤波 真数字脉冲进行 整形，使之成为 有利于判决码间 干扰最小的升余 弦波形。
ＡＧＣ电路
可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大 器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收 机的动态范围。
4.1 光检测器
4.1.1 光检测原理 基本光敏二极管
RL hy P N
扩散区
耗尽区 扩散区 吸收区
图4-1 光敏二极管中的PN结
4.1 光检测器
扩散分量的存在导 致光电二极管瞬态 响应失真，限制光 电转换速度，
图4-2 光生电流中的漂移和扩散
解决方法：减小Ｐ，Ｎ区厚度，增加耗尽区的宽度，在PN结中间设置一层掺杂浓 度很低的本征半导体(称为I)，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少Ｐ，Ｎ区 吸收的光能－－ＰＩＮ
h f c =E g f ≥ fc =
Eg h
（4-1）
hc 即只有波长λ ＜ λc = = 1.24 / E g 的入射光，才能使这种材料产 Eg
生光生载流子；
截至波长λ c ：产生光电效应的入射光的最大波长（上限波长） 截至频率f c：下限频率（对应λ c） Ge： λ c = 1.6 μm ； Si： λ c = 1.06 μm
ＰＩＮ光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工 作电压，响应速度快。 ＡＰＤ最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特 别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。 从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用ＰＩＮ光电二 极管作光探测器。
前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真地 放大和保证噪声最小。
4.2 光接收机
4.2.1 光接收机的结构 1 光接收电路
光 电检 测 器的 输 出信 号 电 流很 小 ，必 须 由低 噪 声 、宽 频 带的 前 置放 大 器进行放大(mV等级）。
前置放大 主放 均放 基线恢复
对经传输和放大后的 失真信号进行均衡补 偿与整形以利于定时 判决 将信号的基线（低电 平）固定在某一电平 上，解决信号的基线 漂移，以便于判决