《光探測和光接收機》PPT課件

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1、第五章光探測和光接收機本章內(nèi)容對光檢測器的基本要求PN結(jié)光電檢測原理PIN光電二極管APD雪崩光電二極管MSM光電探測器單行載流子光電探測器波導光電探測器數(shù)字光接收機對光檢測器的基本要求1.在系統(tǒng)的工作波長上要有足夠高的響應度，即對一定的入射光功率，光檢測器能輸出盡可能大的光電流。2.波長響應要和光纖的三個低損耗窗口兼容。3.有足夠高的響應速度和足夠的工作帶寬。4.產(chǎn)生的附加噪聲要盡可能低，能夠接收極微弱的光信號。5.光電轉(zhuǎn)換線性好，保真度高。6.工作性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長。7.功耗和體積小，使用簡便。光纖通信常用的光

2、電檢測器半導體材料PIN光電二極管APD雪崩光電二極管PN結(jié)光電檢測原理耗盡區(qū)：由于擴散電流和漂移電流方向相反，在平衡狀態(tài)下兩種電流相等，使得總電場為零，等效于空間電荷區(qū)的電阻阻值很大，載流子數(shù)目很少，稱其為耗盡區(qū)。電子和空穴的擴散運動PN結(jié)界面內(nèi)部電場漂移運動耗盡區(qū)、擴散區(qū)如果光子的能量大于或等于帶隙(hf≥Eg)當入射光作用在PN結(jié)時發(fā)生受激吸收、光生載流子在耗盡層形成漂移電流。內(nèi)部電場的作用，電子向N區(qū)運動，空穴向P區(qū)運動半導體材料的光電效應？PN結(jié)光電二極管結(jié)構PN結(jié)光電二極管工作原理當PN結(jié)加上反向電壓后，在入

3、射光的作用下，由于受激吸收過程生成的電子-空穴對在電場的作用下，分別離開耗盡區(qū)，在閉合外電路中形成光生電流的器件。當入射光功率變化時，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)變成電流信號。加反向電壓？入射光？光生載流子？光生電流？鍍抗反射膜以減少反射光強度反射光的相位差？反射光的幅度？厚度？折射率？光電二極管的特性1.響應度R2.量子效率η3.截止波長λc4.響應速度光生載流子的漂移時間、擴散時間、RC時間常數(shù)常用半導體材料的禁帶寬度與截止波長PN結(jié)光電二極管的缺點耗盡區(qū)窄結(jié)電容或耗盡區(qū)電容較大響應速度慢光電轉(zhuǎn)換效率低PIN

4、光電二極管在P和N層之間加入了一個I層，作為耗盡層。I層的寬度較寬，約有（5~50）?m，吸收系數(shù)很小，易進入材料內(nèi)部吸收絕大多數(shù)光子，使光生電流增加。PIN光電二極管工作原理當PN結(jié)加上反向電壓后，入射光主要在耗盡區(qū)被吸收，在耗盡區(qū)產(chǎn)生光生載流子(電子--空穴對)。在耗盡區(qū)電場作用下，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，產(chǎn)生光生電動勢。在遠離PN結(jié)的地方，因沒有電場的作用，電子空穴作擴散運動，產(chǎn)生擴散電流。因I層寬，又加了反偏壓，空間電荷區(qū)（耗盡層）加寬，絕大多數(shù)光生載流子在耗盡層內(nèi)進行高效、高速漂移，產(chǎn)生漂移電流。這個漂移

5、電流遠遠大于擴散電流，所以PIN光電二極管的靈敏度高。在回路的負載上出現(xiàn)電流，就將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)榱穗娦盘枴IN光電二極管的波長響應曲線幾種半導體材料的吸收系數(shù)隨波長的變化PIN輸出電流和反向偏壓的關系擊穿電壓APD雪崩光電二極管APD光電二極管的工作原理APD的光敏面被光子照射之后，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。這些電子-空穴對經(jīng)過高電場區(qū)之后，初始電子(一次電子)在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運動。高速運動的電子和晶體原子相碰撞，使晶體原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對，這個過程稱為碰撞電離。碰撞電離所產(chǎn)生的電子稱為二次電子-

6、空穴對，這些電子-空穴對在高速電場運動時又被加速，又可能碰撞電離其他原子，如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應，使載流子數(shù)量迅速增加，反向電流迅速增大，形成雪崩倍增效果。平均雪崩增益MM與電子和空穴的電離率有關，隨半導體材料的不同而不同，同時隨高電場區(qū)強度的增大而增大。APD增益與偏壓及溫度的關系本征響應帶寬（頻域角度）載流子在電場區(qū)的渡越時間上升時間τtr定義：輸入階躍光功率時，探測器輸出光電流最大值的10%到90%所需的時間。APD的本征響應帶寬τe為等效渡越時間，它與空穴和電子的電離系數(shù)比值有關。光電二極管的實際響應帶寬APD

7、波長響應曲線Si半導體材料的空穴和電子的碰撞電離系數(shù)比值為0.22三種探測器產(chǎn)品的典型參數(shù)P183表5.2.1MSM光電探測器（MSM,Metal-Semiconductor-Metal）優(yōu)點：結(jié)電容小，帶寬大，制造容易缺點：響應度低光電轉(zhuǎn)換原理相同單行載流子探測器(UTC-PD)在PIN光電二極管中，對光電流作出貢獻的包括電子和空穴兩種載流子。只有電子充當載流子，空穴不參與導電，電子的遷移率遠高于空穴，因而其載流子渡越時間比PIN的小。波導光電探測器（WG-PD）邊入射光電探測器面入射光電探測器PIN的響應速度受到PN結(jié)

8、RC數(shù)值、I吸收層厚度和載流子渡越時間等的限制。可解除量子效率與響應速度之間的制約關系分支波導探測器(TaperedWG-PD)邊入射平面折射波導RFUTC-PD數(shù)字光接收機光電轉(zhuǎn)換和前置放大器（光接收機的核心）前置放大器在減弱或防止電磁干擾和抑制噪聲方面起著特別重要的作用光接收機前置放大器等效電路線性