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《光纖講義-第5章 光檢測器及光接收機(jī)》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、第5章光檢測器及光接收機(jī)第5章光檢測器及光接收機(jī)5.1半導(dǎo)體光檢測器原理、結(jié)構(gòu)及特性第5章光檢測器及光接收機(jī)光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分,它的作用是把光發(fā)射機(jī)發(fā)送的攜帶有信息的光信號轉(zhuǎn)5.1半導(dǎo)體光檢測器原理、結(jié)構(gòu)及特性化成相應(yīng)的電信號并放大、再生恢復(fù)為原傳輸?shù)男?.2數(shù)字光接收機(jī)號。光接收機(jī)的組成框圖如圖5.1所示,它由光檢測器、低噪聲前置放大器、主放大器、均衡器以及濾波器等組成。第5章光檢測器及光接收機(jī)第5章光檢測器及光接收機(jī)光檢測器用于將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。由于從光纖中傳過來的光信號一般都很微弱,因此對光檢測器的基本要求
2、是:(1)在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度,即對一定的電信號入射光功率,能夠輸出盡可能大的光電流;光信號前置光檢測器主放大器均衡器濾波器放大器(2)具有足夠快的響應(yīng)速度,能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng);(3)具有盡可能低的噪聲,以降低器件本身對信號的影響;(4)具有良好的線性關(guān)系,以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真;(5)具有較小的體積、較長的工作壽命等。圖5.1光接收機(jī)組成框圖第5章光檢測器及光接收機(jī)第5章光檢測器及光接收機(jī)光檢測器產(chǎn)生的光電流是非常微弱的,必須由前5.1.1PN結(jié)的光電效應(yīng)置放大器進(jìn)行低噪聲放大,因此前置放大器的噪聲對光電二極管(
3、PD)是一個工作在反向偏壓下的PN放大器輸出的信號影響非常大。主放大器、均衡器以結(jié)二極管,由光電二極管作成的光檢測器的核心是PN及濾波器對信號進(jìn)行進(jìn)一步放大及整形,以提高系統(tǒng)結(jié)的光電效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)加反向偏壓時,外加電場方向性能。本章首先介紹光電檢測器的原理及特性,然后與PN結(jié)的內(nèi)建電場方向一致,勢壘加強(qiáng),在PN結(jié)界面介紹數(shù)字光接收機(jī)的組成及特性。附近載流子基本上耗盡形成耗盡區(qū)。當(dāng)光束入射到PN結(jié)上,且光子能量hv大于半導(dǎo)體材料的帶隙Eg時,價帶上的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶上,形成一個電子—空穴對。1當(dāng)前PDF文件使用【皓天PDF打印機(jī)】試用
4、版創(chuàng)建?http://www.htit.cn?第5章光檢測器及光接收機(jī)第5章光檢測器及光接收機(jī)在耗盡區(qū),在內(nèi)建電場的作用下電子向N區(qū)漂移,空穴λc為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長,稱為截止波向P區(qū)漂移,如果PN結(jié)外電路構(gòu)成回路,就會形成光長。以Si為材料的光電二極管,λc=1.06μm;以Ge為材電流。當(dāng)入射光功率變化時,光電流也隨之線性變料的光電二極管,λc=1.60μm。化,從而把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。當(dāng)入射光子能量小利用光電效應(yīng)可以制造出簡單的PN結(jié)光電二極于Eg時,不論入射光有多強(qiáng),光電效應(yīng)也不會發(fā)生,管。但這種光電二極管結(jié)構(gòu)簡單,無法
5、降低暗電流和即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足提高響應(yīng)度,器件的穩(wěn)定度也比較差,實際上不適合hEu>g(5.1)做光纖通信的檢測器。即存在hcl=c(5.2)Eg第5章光檢測器及光接收機(jī)第5章光檢測器及光接收機(jī)5.1.2PIN光電二極管1.PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)光電極如圖5.2所示,PIN光電二極管是在摻雜濃度很高增透膜的P型、N型半導(dǎo)體之間,生成一層摻雜極低的本征材P料,稱為I層。在外加反向偏置電壓作用下,I層中形成I很寬的耗盡層。由于I層吸收系數(shù)很小,入射光可以很PN+容易地進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量的電子—空電極電極穴對,因此大幅度提高了光電
6、轉(zhuǎn)換效率。另外,I層兩(a)(b)側(cè)的P層、N層很薄,光生載流子的漂移時間很短,大大提高了器件的響應(yīng)速度。圖5.2PIN光電二極管結(jié)構(gòu)第5章光檢測器及光接收機(jī)第5章光檢測器及光接收機(jī)2.PIN光電二極管的特性adP(d)=Pe(0)(5.3)PIN光電二極管的主要特性包括波長響應(yīng)范圍、響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)速度及噪聲特性等。1)波長響應(yīng)范圍式中,α是材料對光的吸收系數(shù),其單位為長度單位由式(5.2)可知,不同半導(dǎo)體材料存在著上限波的倒數(shù)。稱1/α為光的穿透深度。半導(dǎo)體材料的吸收長即截止波長。當(dāng)入射波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于截止波長時,光系數(shù)α與波長有關(guān)。半
7、導(dǎo)體材料的吸收作用隨波長減小而迅速增強(qiáng),即α隨波長減小而變大。圖5.3為光纖電轉(zhuǎn)換效率會大大降低。因此,半導(dǎo)體光電檢測器只可以對一定波長范圍的光信號進(jìn)行有效的光電轉(zhuǎn)換,通信中用作光檢測器的幾種材料的吸收系數(shù)隨波長的這一波長范圍就是波長響應(yīng)范圍。由于半導(dǎo)體材料對變化情況。光的吸收,光在材料中按指數(shù)率衰減,因此經(jīng)過長度d的材料的光功率為2當(dāng)前PDF文件使用【皓天PDF打印機(jī)】試用版創(chuàng)建?http://www.htit.cn?第5章光檢測器及光接收機(jī)第5章光檢測器及光接收機(jī)105GesA半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)α與波長有關(guān)。半導(dǎo)體材7.4a0G料的吸收
8、作用隨波長減小而迅速增強(qiáng),即α隨波長減1043.50)nI小而變大。圖5.3為光纖通信中用作光檢測器的幾種材1GaAs-m6c.3料的吸收系數(shù)隨波長的變化情況。(1