第5章 光检测器及光接收机

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1、第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 第第5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 5.1 半导体光检测器原理、半导体光检测器原理、 结构及特性结构及特性 5.2 数字光接收机数字光接收机 第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 5.1 半导体光检测器原理、结构及特性半导体光检测器原理、结构及特性 光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，它的作用是把光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复为原传输的信号。光接收机的组成框图如图5.1所示，它由光检测器、低噪声前置放大器、主放大器、均衡器以及滤波器等组成。 第第5 5章章 光检测器及光接收

2、机光检测器及光接收机 图5.1 光接收机组成框图 光 检 测 器光 信 号电 信 号前 置放 大 器主 放 大 器均 衡 器滤 波 器第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 光检测器用于将接收到的光信号转换成电信号。由于从光纤中传过来的光信号一般都很微弱，因此对光检测器的基本要求是:（1）在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；（2）具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；（3）具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；（4）具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；（5）具有较小的体积、较长的工作寿命等。第第5

3、 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 光检测器产生的光电流是非常微弱的，必须由前置放大器进行低噪声放大，因此前置放大器的噪声对放大器输出的信号影响非常大。主放大器、均衡器以及滤波器对信号进行进一步放大及整形，以提高系统性能。本章首先介绍光电检测器的原理及特性，然后介绍数字光接收机的组成及特性。 第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 5.1.1 PN结的光电效应 光电二极管（PD）是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，由光电二极管作成的光检测器的核心是PN结的光电效应。当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近载流子基本上耗

4、尽形成耗尽区。当光束入射到PN结上，且光子能量hv大于半导体材料的带隙Eg时，价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子空穴对。 第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 在耗尽区，在内建电场的作用下电子向N区漂移，空穴向P区漂移，如果PN结外电路构成回路，就会形成光电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电信号。当入射光子能量小于Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足gcghEhcE(5.1) (5.2) 即存在 第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 c为产生光电效应的入射光的最大波长，称为截止波长。

5、以Si为材料的光电二极管,c=1.06m;以Ge为材料的光电二极管，c=1.60m。 利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极管。但这种光电二极管结构简单，无法降低暗电流和提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合做光纤通信的检测器。第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 5.1.2 PIN光电二极管 1. PIN光电二极管的结构 如图5.2所示，PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。由于I层吸收系数很小，入射光可以很容易地进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子空穴对，

6、因此大幅度提高了光电转换效率。另外，I层两侧的P层、N层很薄，光生载流子的漂移时间很短，大大提高了器件的响应速度。第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 图5.2 PIN光电二极管结构 P+增 透 膜光电 极电 极(a)NPI电 极(b)第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 2. PIN光电二极管的特性 PIN光电二极管的主要特性包括波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度及噪声特性等。 1)波长响应范围 由式（5.2）可知，不同半导体材料存在着上限波长即截止波长。当入射波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大降低。因此，半导体光电检测器只可以对一定波长范围的光

7、信号进行有效的光电转换，这一波长范围就是波长响应范围。由于半导体材料对光的吸收，光在材料中按指数率衰减，因此经过长度d的材料的光功率为第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 式中，是材料对光的吸收系数，其单位为长度单位的倒数。称1/为光的穿透深度。半导体材料的吸收系数与波长有关。半导体材料的吸收作用随波长减小而迅速增强，即随波长减小而变大。图5.3为光纤通信中用作光检测器的几种材料的吸收系数随波长的变化情况。( )(0)adP dPe(5.3) 第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 图5.3 用作光检测器的几种导体材料的吸收 系数随波长的变化情况 0.4波长 /

8、m105GeGaAsSi吸收系数 (cm1)In0.70Ga0.30As0.64P0.36In0.53Ga0.47As1041031021010.60.81.01.21.41.61.8第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 半导体材料的吸收系数与波长有关。半导体材料的吸收作用随波长减小而迅速增强，即随波长减小而变大。图5.3为光纤通信中用作光检测器的几种材料的吸收系数随波长的变化情况。 从图中可以看出，当波长很短时，材料的吸收系数很大，这样，光在半导体材料表层即被吸收殆尽。在表层产生的光生载流子要扩散到耗尽层才能产生光生电流，而在表层为零电场扩散区，扩散速度很慢，在光生载流子还没

9、有到达耗尽层时就大量被复合掉了，使得光电转换效率在波长很短时大大下降。第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 综上所述，检测某波长的光时要选择合适材料作成的光检测器。首先，材料的带隙决定了截止波长要大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。其次，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。SiPIN光电二极管的波长响应范围为0.51m，GePIN和InGaAsPIN光电二极管的波长响应范围约为11.7m。第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 2)响应度 响应度是描述光检测器能量转换效率的一个参量。它定义为pinIRI(5.4) 其中，Pin为入射

10、到光电二极管上的光功率；Ip为所产生的光电流。它的单位为A/W。第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 3)量子效率 量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即= 光电转换产生的有效电子空穴对数 入射光子数 /0/pinIehfRPhfe(5.5) 第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 其中,e为电子电荷，其值为1.610-19 C。所以有 式中,单位取m。可见，光电检测器的响应度随波长的增大而增大。图5.4为PIN光电二极管的响应度、量子效率与波长的关系。可以看出，响应度、量子效率随着波长的变化而变化。 为提高量

11、子效率，必须减少入射表面的反射率，使入射光子尽可能多地进入PN结；同时减少光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区内被充分吸收。 1.24eRhf(5.6) 第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 图 5.4波长 / m1.00响应度 /(A/W)10%30%50%InGaAs70%GeSi量子效率90%0.80.60.40.200.70.91.11.31.51.71.8第第5 5章章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机 4) 响应速度 响应速度是光电检测器的另一个重要参数，通常用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。光电二极管在接收机中使用时通常由偏置电路