光檢測(cè)器及光接收機(jī)

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1、光檢測(cè)器及光接收機(jī)光纖通信技術(shù)第五章王建萍jpwang@tsinghua.edu.cn信息光電子研究所清華大學(xué)電子工程系光源調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路放大器光電二極管判決器光纖光纖中繼器光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，恢復(fù)光載波所攜帶的原信號(hào)。光接收機(jī)光信號(hào)光電變換前置放大主放大器均衡濾波判決器時(shí)鐘恢復(fù)輸出AGC電路性能指標(biāo):接收靈敏度、誤碼率或信噪比前端時(shí)鐘提取與數(shù)據(jù)再生（CDR）線性通道對(duì)信號(hào)進(jìn)行高增益放大與整形，提高信噪比，減少誤碼率。5.1光檢測(cè)器5.2光接收機(jī)5.3光接收機(jī)的噪聲特性5.4光接收機(jī)的靈敏度

2、5.5光接收機(jī)的性能評(píng)估第五章光檢測(cè)器及光接收機(jī)光電轉(zhuǎn)換器件要求:高效率、低噪聲、寬帶原理：光吸收在半導(dǎo)體材料上，當(dāng)入射光子能量h?超過(guò)帶隙能量時(shí)，每當(dāng)一個(gè)光子被半導(dǎo)體吸收就產(chǎn)生一個(gè)電子—空穴對(duì)。在外加電壓建立的電場(chǎng)作用下，電子和空穴就在半導(dǎo)體中渡越并形成電流流動(dòng)，稱(chēng)為光電流，其電流大小Ip與入射光功率Pin成比例：R—光電檢測(cè)器的響應(yīng)度（A/W）入射光半導(dǎo)體5.1光檢測(cè)器5.1.1PN光電二極管(1)工作原理：入射光從P側(cè)進(jìn)入，在耗盡區(qū)光吸收產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)作用下分別向左右兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生光電流。響應(yīng)時(shí)間：由光功率輸入轉(zhuǎn)化為光

3、電流輸出，有一定時(shí)間遲后，其值主要決定于載流子通過(guò)耗盡區(qū)的渡越時(shí)間。5.1.1PN光電二極管(2)帶寬受限的主要因素:產(chǎn)生的光電流中存在擴(kuò)散分量，它與耗盡區(qū)外的光吸收有關(guān)。載流子作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的時(shí)延將使檢測(cè)器輸出電流脈沖后沿的托尾加長(zhǎng)，影響光電二極管的響應(yīng)速度。解決方法：減小P,N區(qū)厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，使大部分入射光功率在耗盡區(qū)吸收，減少P,N區(qū)吸收的光能--PIN考慮漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)PN光電二極管對(duì)矩形脈沖的響應(yīng)擴(kuò)散分量的存在導(dǎo)致光電二極管瞬態(tài)響應(yīng)失真5.1.2PIN光電二極管(1)在PN結(jié)間插入一層非摻雜或輕摻雜半導(dǎo)體材料，以增大耗盡

4、區(qū)寬度w，達(dá)到減小擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響，提高響應(yīng)度的要求。由于PN結(jié)中間插入的半導(dǎo)體材料近似為本征半導(dǎo)體(Intrinsic)，因此這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為PIN光電二極管。I區(qū)高阻抗,電壓基本都落在I區(qū)PIN光電二極管及反偏時(shí)各層的場(chǎng)分布5.1.2PIN光電二極管(2)InGaAsPIN光電二極管的結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)：N區(qū)和P區(qū)：InP，對(duì)?>920nm的光透明；I區(qū):InGaAs；?=1300~1600nm強(qiáng)烈吸收量子效率入射光功率Pin中含有大量光子，能轉(zhuǎn)換為光電流的光子數(shù)和入射總光子數(shù)之比稱(chēng)為量子效率.產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)的個(gè)數(shù)入射的光子數(shù)在光電二極管

5、的應(yīng)用中，100個(gè)光子會(huì)產(chǎn)生30到95個(gè)電子－空穴對(duì)，因此檢測(cè)器的量子效率范圍為30%~95%。為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區(qū)的厚度，使得可以吸收大部分的光子。但是，耗盡區(qū)越厚，光生載流子漂移渡越(across)反向偏置結(jié)的時(shí)間就越長(zhǎng)。由于載流子的漂移時(shí)間又決定了光電二極管的響應(yīng)速度，所以必須在響應(yīng)速度和量子效率之間采取折衷。光譜響應(yīng)對(duì)一給定的探測(cè)區(qū)材料就有一個(gè)能夠探測(cè)的最低頻率或最大波長(zhǎng)，而對(duì)波長(zhǎng)大于這個(gè)極限波長(zhǎng)的光波就不能被探測(cè)到。光子能量h?大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg時(shí)，價(jià)帶上的電子可以吸收光子而躍遷到導(dǎo)帶，否則不論入射光

6、多強(qiáng)，光電效應(yīng)都不會(huì)發(fā)生。所以，任何一種材料制作的光電二極管都有上截止波長(zhǎng)?C：在短波長(zhǎng)段，材料的吸收吸收系數(shù)變得很大，因此光子在接近光檢測(cè)器的表面就被吸收了，電子－空穴對(duì)的壽命極短，結(jié)果載流子在由光檢測(cè)器電路收集以前就已經(jīng)復(fù)合了。Si：?C=1.06?m，使用范圍：0.5~1.0?mGe：?C=1.6?m，使用范圍：1.1~1.6?mInGaAs：?C=1.6?m，使用范圍：1.1~1.6?m5.1.3雪崩光電二極管APDPIN:1個(gè)光子最多產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴對(duì),無(wú)增益APD:利用電離碰撞,1個(gè)光子產(chǎn)生多對(duì)電子-空穴對(duì),有增益工作過(guò)程：

7、入射光-------一對(duì)電子-空穴對(duì)(一次光生電流)--------------與晶格碰撞電離---------多對(duì)電子-空穴對(duì)(二次光生電流）吸收外電場(chǎng)加速增加了一個(gè)附加層，倍增區(qū)或增益區(qū)，以實(shí)現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生二次電子－空穴對(duì)。耗盡層仍為I層，起產(chǎn)生一次電子－空穴對(duì)的作用。1、倍增系數(shù)M=Ip/I0IP--平均輸出電流，I0--一次光生電流IP＝MI0＝MRPin倍增系數(shù)M與電離系數(shù)及增益區(qū)厚度有關(guān)。2、過(guò)剩噪聲因子F在APD中，每個(gè)光生載流子不會(huì)經(jīng)歷相同的倍增過(guò)程，具有隨機(jī)性，這將導(dǎo)致倍增增益的波動(dòng)，這種波動(dòng)是額外的倍增噪聲的主要根源。

8、通常用過(guò)剩噪聲因子F來(lái)表征這種倍增噪聲。F又可近似表為：F＝Mxx被稱(chēng)為過(guò)剩噪聲指數(shù)。APD倍增系數(shù)與過(guò)剩噪聲因子光檢測(cè)器的比較（1）參數(shù)符號(hào)單位SiGeInGaAs波長(zhǎng)范圍?nm400~11