Light Detector And Light Detector And Light ReceiverLight Receiver光检测器和光接收机光检测器和光接收机光纤通信第四章光纤通信第四章光源调制器调制器驱动电路驱动电路放大器光电二极 管判决器光纤光纤光纤光纤中继器中继器光接收机是光纤通信系统的重要组成部光接收机是光纤通信系统的重要组成部 分，其作用是将光信号转换回电信号，分，其作用是将光信号转换回电信号， 恢复光载波所携带的原信号。恢复光载波所携带的原信号。光接收机光接收机光信号光信号光电光电 变换变换前置前置 放大放大主放主放 大器大器均衡均衡 滤波滤波判判 决决 器器时钟恢复时钟恢复输出输出AGCAGC电路电路性能指标性能指标: :接收灵敏度、接收灵敏度、误码率或信噪比误码率或信噪比前端前端时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生 （CDRCDR）线性通道线性通道对信号进行高增益放大与整形，对信号进行高增益放大与整形， 提高信噪比，减少误码率。提高信噪比，减少误码率。前 言n发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅 幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了。n光接收机的作用就是检测经过传输后的微 弱光信号，并放大、整形、再生成原输入 信号。n它的主要器件是利用光电效应把光信号转 变为电信号的光电检测器。n对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快 、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的 光敏面应与光纤芯径匹配。n用半导体材料制成的光电检测器正好满足 这些要求。4.1 4.1 光检测器的工作原理光检测器的工作原理4.2 4.2 光检测器的特性参数光检测器的特性参数4.3 4.3 光接收机光接收机4.4 4.4 光收发合一模块光收发合一模块第四章第四章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机Light DetectorLight Detector光源调制器调制器驱动电路驱动电路放大器光电二极 管判决器光纤光纤光纤光纤中继器中继器光接收机是光纤通信系统的重要组成部光接收机是光纤通信系统的重要组成部 分，其作用是将光信号转换回电信号，分，其作用是将光信号转换回电信号， 恢复光载波所携带的原信号。恢复光载波所携带的原信号。光接收机光接收机nExternal Photoelectric Effect(外部光电效应)： 金属表面通过吸收入射光子流的能量从而释 放电子，形成光生电流真空光电二极管 和光电倍增管nInternal Photoelectric Effect(内部光电效应)： 半导体结型器件通过吸收入射光子产生自由 电荷载流子（电子和空穴）PN结光电二 极管，PIN结光电二极管，雪崩光电二极管4.1 4.1 光检测器的工作原理光检测器的工作原理1 1ResponsivityResponsivity 响应度响应度n n光检测器的输出电流与入射光功率之比称为光检测器的输出电流与入射光功率之比称为 响应度响应度。n 单位：安培每瓦单位：安培每瓦/ /伏特每瓦伏特每瓦光检测器的主要性能指标l l在入射光功率呈阶跃变化的条件下，检在入射光功率呈阶跃变化的条件下，检 测器的输出电流从最大值的测器的输出电流从最大值的10%10%上升到上升到 90%90%所用时间。所用时间。2. Rise Time 上升时间tr输入功率波形检测器输出的电流波形Vacuum photodiode 真空光电二极管阴极阳极发射电子入射光子Vacuum photodiode真空光电二极管Vacuum photodiode单个电子从阴极逃逸需要一个最低的能量值，称为功函数 (Work Function)，入射光子的能量必须大于此值才能产生光致 电子发射。光子能量hv大于功函数时，电子可以吸收光子而逸出，否则 不论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任何一种材 料制作的光电二极管都有截止波长(Cutoff wavelength )C： (um)光波长大于这个值时，入射光子没有足够的能量激励检测器 ，因而不能被检测到，波长小于这个值时，光子能量超过功 函数，能被检测到。n例1，铯是一种常见的光致发光材料，其功 函数为1.9eV,计算其截止波长。n光波长小于这个值时，光子能量超过功函数， 才能被铯阴极检测到。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电子数与入射光子数之比，即检测电流正 比于光功率Quantum Efficiency 量子效率在光电二极管的应用中，在光电二极管的应用中，100100个光子会产生个光子会产生3030到到9595个电个电 子空穴对，因此检测器的量子效率范围为子空穴对，因此检测器的量子效率范围为30%95%30%95% 。Photomultiplier （PMT） 光电倍增管阴极阳极二次发射 电子入射光子 倍增电极Photomultiplier每个倍增电极的增益(Gain)指每个入射电子所产生的 二次发射电子数的平均值。通常在26之间。 假设每个倍增电极的增益为，总的增益为：通过外电路的电流为：n例2，假定一个光电倍增管有9个倍增电极， 每个倍增电极的增益为5，计算此光电倍增 管的电流放大倍数。Photomultiplier光电倍增管产生内部增益(Internal Gain)，可以 在不显著降低信噪比的情况下放大信号，而放 大器的外部增益（External Gain）一般会引入 噪声，降低信噪比。 光电倍增管响应速度很快，不到1ns。 缺点：成本高，体积大，重量大，需要一个能 提供数百伏偏置电压的电压源。n n半导体光电二极管体积小，重量轻，灵敏度半导体光电二极管体积小，重量轻，灵敏度 高，响应速度快，在几伏的偏置电压下即可高，响应速度快，在几伏的偏置电压下即可 工作。工作。n nPNPN型光电二极管型光电二极管n nPINPIN型光电二极管型光电二极管n n雪崩型（雪崩型（APDAPD）光电二极管）光电二极管4.1 Semiconductor Photodiode 半导体光电二极管n假如入射光子的能量超过禁带能量 Eg，耗尽区 (PN结的结区也就是中间势垒所在区域，没有 自由电子)每次吸收一个光子，将产生一个电子 空穴对，发生受激吸收。光探测原理-受激吸收n n光电转换器件光电转换器件n n原理：光吸收原理：光吸收n n在半导体材料上，当入射光子能量在半导体材料上，当入射光子能量h hf f超过带隙能量超过带隙能量 时，每当一个光子被半导体吸收就产生一个电子时，每当一个光子被半导体吸收就产生一个电子 空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电子和空空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电子和空 穴就在半导体中渡越并形成电流流动，称为穴就在半导体中渡越并形成电流流动，称为光电流光电流 。入射光入射光半导体半导体PN型光电二极管检测原理说明n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 附近基本上没有载流子，称为耗尽区。当 光束入射到PN结上，且光子能量hf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。 PN结光电检测原理简单的 PN 结光电二极管具有两个主 要的缺点。n首先，它的响应速度很慢。n其次，它的量子效率很低，响应度很低。4.1.1 PIN4.1.1 PIN光电二极管光电二极管 结构：结构：P+P+和和N N型半导体材料之间插入了一型半导体材料之间插入了一 层层掺杂浓度很低的半导体材料掺杂浓度很低的半导体材料（如（如SiSi），）， 记为记为I I，称为，称为本征区本征区。4.1.1 PIN4.1.1 PIN光电二极管光电二极管 工作原理：工作原理：入射光从入射光从P P侧进入，在耗尽区侧进入，在耗尽区 光吸收产生的电子空穴对在内建电场作光吸收产生的电子空穴对在内建电场作 用下分别向左右两侧运动，产生光电流用下分别向左右两侧运动，产生光电流。4.1.1 PIN4.1.1 PIN光电二极管光电二极管n n载载载载流子在耗尽区的漂移流子在耗尽区的漂移时间时间时间时间n nPNPN结耗尽区可等效成结耗尽区可等效成电容电容：n n耗尽区宽度耗尽区宽度w w越窄，电容越大，电路的越窄，电容越大，电路的 RCRC时间常数也越大，不利于高速数据传时间常数也越大，不利于高速数据传 输。输。4.1.1 PIN4.1.1 PIN光电二极管光电二极管带宽受限的主要因素带宽受限的主要因素: : 产生的光电流中存在产生的光电流中存在 扩散分量，它与耗尽扩散分量，它与耗尽 区外的光吸收有关。区外的光吸收有关。 载流子作扩散运动的载流子作扩散运动的 时延将使检测器输出时延将使检测器输出 电流脉冲后沿的拖尾电流脉冲后沿的拖尾 加长，影响光电二极加长，影响光电二极 管的响应速度。管的响应速度。解决方法解决方法：减小：减小P,NP,N区厚度，增加耗尽区的宽度区厚度，增加耗尽区的宽度 ，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少P,NP,N 区吸收的光能区吸收的光能考虑漂移和扩散运动时考虑漂移和扩散运动时PNPN光电二极管对矩形脉冲的响应光电二极管对矩形脉冲的响应扩散分量的存在扩散分量的存在 导致光电二极管导致光电二极管 瞬态响应失真瞬态响应失真n雪崩光电二极管（APD）是利用雪崩倍增效 应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。nAPD的结构设计，使它能承受高的反向偏压 ，从而在 PN 结内部形成一个高电场区。nAPD能提供内部增益n工作速度高 已广泛应用于光通信系统中4.1.2 Avalanche Photodiodes4.1.2 Avalanche Photodiodes 雪崩光电二极管雪崩光电二极管APDAPDAvalanche PhotodiodesAvalanche Photodiodes PIN:PIN:1 1个光子最多产生一对电子个光子最多产生一对电子- -空穴对空穴对, ,无增益无增益 APD:APD:利用电离碰撞利用电离碰撞, , 1 1个光子产生多对电子个光子产生多对电子- -空穴对空穴对, , 有增益有增益 工作过程：工作过程：入射光入射光-一对一对电子电子- -空穴对空穴对( (一次光生电流一次光生电流)-)- -与晶格碰撞电离与晶格碰撞电离-多多对对电子电子- -空穴对空穴对( (二次二次 光生电流）光生电流）吸收吸收外电场加速外电场加速Avalanche PhotodiodesAvalanche Photodiodes增加了一个附增加了一个附 加层，倍增区加层，倍增区 或增益区，以或增益区，以 实现碰撞电离实现碰撞电离 产生二次电子产生二次电子 空穴对。空穴对。耗尽层仍为耗尽层仍为I I 层，起产生层，起产生 一次电子一次电子 空穴对的作空穴对的作 用。用。APDAPD倍增系数倍增系数n n倍增系数倍增系数 M M = = I IM M / I/ IP P n nI IMM光电二极管雪崩后输出电流光电二极管雪崩后输出电流n n I IP P未倍增时的初始光电流未倍增时的初始光电流n n倍增系数倍增系数MM与电离率及增益区厚度有关。与电离率及增益区厚度有关。n n电离系数电离系数n 和和 分别为分别为电子电离率电子电离率与与空穴电离率空穴电离率( (载流载流 子在漂移的单位距离内平均产生的电子子在漂移的单位距离内平均产生的电子空穴对空穴对 数数) )。n n当当 时，仅有电子参与雪崩过程，时，仅有电子参与雪