西安交大光纖通信4-光檢測器與光接收機(jī)ppt課件.ppt

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1、光檢測器光檢測器與光接收機(jī)第四章主要內(nèi)容光檢測器工作原理光電二極管的工作特性光接收機(jī)光接收機(jī)的噪聲數(shù)字接收機(jī)的靈敏度光電二極管（PD）光檢測器利用光電效應(yīng)實現(xiàn)。PN勢壘耗盡層光子進(jìn)入PN結(jié)，價帶的電子受激吸收將被激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生一對光生載流子，受內(nèi)建電場的作用，光生載流子的電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，載流子移動到外部電路形成光電流?！?.1光檢測器工作原理外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)真空光電二極管半導(dǎo)體光電二極管1、半導(dǎo)體光電二極管光生電流包括：漂移電流--耗盡區(qū)的光生載流子在電場作用下運動形成的電流擴(kuò)

2、散電流擴(kuò)散電流----P區(qū)的光生載流子形成的電流N區(qū)的光生載流子形成的電流光檢測器:檢測通過光纖傳來的光信號將光功率轉(zhuǎn)換為電流輸出?？臻g電荷區(qū)擴(kuò)散電流漂移電流增大漂移電流，減小擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流，光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢漂移電流,光電轉(zhuǎn)換效率高，相應(yīng)速度快增加PN結(jié)的反偏耗盡層加偏置電壓的好處：加大耗盡區(qū)的寬度，加強(qiáng)漂移電流的影響，減少擴(kuò)散電流的比例，提高響應(yīng)速度。同時，提高了電光轉(zhuǎn)換效率。但增加有限。另一種加大耗盡層的方法是引入本征半導(dǎo)體（I型半導(dǎo)體）增大漂移電流的方法2、PIN光電二極管結(jié)構(gòu)：P

3、N結(jié)之間加了一層本征半導(dǎo)體（I層）PIN特點：I區(qū)的耗盡區(qū)很寬，入射光很容易產(chǎn)生光生電子空穴對，形成漂移電流；提高了響應(yīng)速度。另外，I區(qū)的吸收系數(shù)小，因而光電轉(zhuǎn)化效率高。一、結(jié)構(gòu)及特點在p區(qū)和n區(qū)之間插入I區(qū)，增加了耗盡區(qū)的寬度，使得大部分的入射光在耗盡區(qū)被吸收，因此大部分的載流子也在此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生。耗盡區(qū)的高電場使得電子-空穴對迅速分開并在反向偏置的結(jié)區(qū)中向兩端流動，然后在邊界處被收集，從而在外電路中形成電流。吸收系數(shù)被吸收的光功率產(chǎn)生的光電流光功率衰減w耗盡區(qū)寬度由于吸收系數(shù)取決于光波長，因此，特

4、定的半導(dǎo)體材料只能應(yīng)用在有限的波長范圍內(nèi)。光吸收系數(shù)與波長的關(guān)系曲線?1）雪崩光電二極管的的結(jié)構(gòu)3、雪崩光電二極管(APD)高摻雜的型半導(dǎo)體，為接觸層；I輕摻雜半導(dǎo)體層，為漂移區(qū)（光吸收區(qū)）；P型半導(dǎo)體，為倍增層（或稱雪崩區(qū)）；N+高摻雜的型半導(dǎo)體，為接觸層。當(dāng)外加的反向偏壓比PIN情況下高得多時，這個電壓幾乎都降到P結(jié)上。特別是在高阻的PN結(jié)附近，電場強(qiáng)度可高達(dá)105V/m，已經(jīng)高出碰撞電離的電場。2）雪崩光電二極管(APD)的工作原理約100V—150V高反向偏置電場分布若光從P區(qū)照射，大部分光

5、子將在較厚的I層被吸收，因而產(chǎn)生電子、空穴對，被勻強(qiáng)電場加速，運動到PN結(jié)強(qiáng)場區(qū)。入射光功率產(chǎn)生的電子空穴對經(jīng)過高場區(qū)時不斷被加速而獲得很高的能量，這些高能量的電子或空穴在運動過程中與價帶中的束縛電子碰撞，使晶格中的原子電離，產(chǎn)生新的電子空穴對。新的電子空穴對受到同樣加速運動，又與原子碰撞電離，產(chǎn)生電子空穴對，稱為二次電子空穴對。如此重復(fù)，使強(qiáng)電場區(qū)域中的電子和空穴成倍的增加，載流子和反向光生電流迅速增大，產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象,這個物理過程稱為雪崩倍增效應(yīng)。雪崩過程倍增了一次光生電流，因此，在雪崩光電二極管

6、內(nèi)部就產(chǎn)生了放大作用。雪崩光電二極管就是這樣既可以檢測光信號，又能放大光信號電流。高電場光一次電子§4.2光電二極管的工作特性光電二極管的主要特性參數(shù)包括響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)帶寬、APD的倍增系數(shù)及噪聲等。1、量子效率式中e是電子電荷，h是普朗克常數(shù)。2、響應(yīng)度：響應(yīng)度表征了光電二極管的能量轉(zhuǎn)換效率R的單位為A／W。波長λ的單位取μm響應(yīng)度隨波長增加而增大。例InGaAs的量子效率大約為90％，波長為1300nm，求響應(yīng)度。3、APD光電二極管中所有載流子產(chǎn)生的倍增因子M雪崩增益后輸出電流的平均值

7、未倍增時的初級光電流加在PN結(jié)的有效電壓雪崩電壓適配因子，與材料及結(jié)構(gòu)有關(guān)m例：一種硅APD在波長900nm時的量子效率為65％，假定0.5uW的光功率產(chǎn)生的倍增電流為10uA，試求倍增因子M。倍增因子M為：因此，初級光電流被放大了43倍。APD的性能是由它的響應(yīng)度來表征。APD響應(yīng)度定義為其中是pin二極管得響應(yīng)度。初級光電流為：解：4、光電檢測器的噪聲暗電流噪聲量子噪聲熱噪聲入射光子激發(fā)的電子空穴的隨機(jī)性產(chǎn)生的電流PIN在反偏情況下，沒有外來的光時產(chǎn)生的電流電阻的熱噪聲量子（散粒）噪聲的產(chǎn)生是由

8、于光信號入射到光檢測器上時，光電子的產(chǎn)生和收集過程具有統(tǒng)計特性。光電效應(yīng)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)是隨機(jī)起伏的，該統(tǒng)計過程服從泊松分布。量子噪聲的譜密度為常數(shù)對于pin對于APDB：接收機(jī)帶寬（1）量子噪聲PINM2(過剩)噪聲系數(shù)（2）光電二極管的暗電流噪聲其中ID是初級（未倍增過的）光檢測器體暗電流。光檢測器電阻的均方熱噪聲電流為：K：玻耳茲曼常數(shù)T：絕對溫度（3）對于光電探測器電阻的熱噪聲5、檢測器響應(yīng)時間P(t)I(t)當(dāng)檢測器受到階躍光脈沖照射時，響應(yīng)時間可以用檢測