第3章 光發(fā)射和光接收

1、第3章 光發(fā)射和光接收第3章 光發(fā)射和光接收n3.1光源與光發(fā)射機(jī)光源與光發(fā)射機(jī)n3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)光電檢測(cè)器和光接收機(jī)3.1光源與光發(fā)射機(jī)n光纖通信對(duì)光源的要求 光纖中傳輸?shù)墓馐怯晒庠串a(chǎn)生的。 （1）發(fā)射波長(zhǎng)要求和光纖的傳輸窗口一致。 （2）適當(dāng)?shù)墓β逝c高的耦合效率。 （3）調(diào)制容易、線性好、帶寬大。 （4）窄的光譜寬度。 （5）可靠連續(xù)工作。 目前，在光纖通信系統(tǒng)中所用的光源主要是半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管。3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性1.激光器的組成原理激光器的組成原理結(jié)構(gòu)組成：由工作物質(zhì)、激勵(lì)能源和諧振腔三個(gè)基本部分組成的工作物質(zhì)（增益介質(zhì)）:是產(chǎn)生

2、光輻射的物質(zhì)，它具備產(chǎn)生所需光輻射的能級(jí)結(jié)構(gòu).光與物質(zhì)的相互作用：受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性1.激光器的組成原理激光器的組成原理光與物質(zhì)的相互作用：受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射自發(fā)輻射光hv=E2-E1E2E1E2E1(a) 自發(fā)輻射入射光hv=E2-E1E2E1E2E1(b) 受激吸收入射光hv=E2-E1E2E1E2E1(c) 受激輻射受激輻射光hv=E2-E1入射光hv=E2-E13.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性1.激光器的組成原理激光器的組成原理激勵(lì)能源：即泵浦源是使增益介質(zhì)的粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)分布的能源。在物質(zhì)中電子通

3、常盡可能占據(jù)低能級(jí)，換句話說(shuō)就是低能級(jí)的電子數(shù)目大于高能級(jí)上的電子數(shù)目，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)的正常分布。正常分布時(shí)，高能級(jí)上的電子較少，難以實(shí)現(xiàn)光輻射。因此，只有通過(guò)外部能源將物質(zhì)中的電子從低能級(jí)激勵(lì)到高能級(jí)使高能級(jí)的電子數(shù)目比低能級(jí)上的電子數(shù)目多，即實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，才能實(shí)現(xiàn)光輻射。3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性1.激光器的組成原理激光器的組成原理光學(xué)諧振腔：光學(xué)諧振腔對(duì)光輻射的方向和頻率進(jìn)行選擇。具備工作物質(zhì)和泵浦源就具備光輻射的條件，但要使輻射的光是激光，還必須有光學(xué)諧振腔。光學(xué)諧振腔通過(guò)光的干涉作用實(shí)現(xiàn)對(duì)光波長(zhǎng)的選擇，增益介質(zhì)對(duì)選擇的波長(zhǎng)的光進(jìn)行放大，從而輸出頻譜窄、方

4、向性強(qiáng)的激光3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性1.激光器的組成原理激光器的組成原理縱模：諧振腔的這種頻率（波長(zhǎng)）選擇作用，使激光器的輸出波長(zhǎng)（頻率）呈現(xiàn)一系列分立值，把這些波長(zhǎng)（頻率）稱為縱模，它是由諧振腔的諧振（干涉）作用決定的，即光在諧振腔振蕩一周，其光程為半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍：222nLq2nLq3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性1.激光器的組成原理激光器的組成原理閾值條件：要建立起自激振蕩，光在諧振腔內(nèi)傳輸一周由增益介質(zhì)引起的功率放大應(yīng)大于由各種原因造成的功率損失 P(2L) P(0) P(2L) = P(0) e(G-i) 2L R1R2 211ln21RR

5、LGi3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性2.半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的基本構(gòu)成：半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)：PN結(jié)結(jié)區(qū)半導(dǎo)體材料的能帶：導(dǎo)帶、價(jià)帶和中間的禁帶禁帶寬度：用Eg表示。導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的電子躍遷：輻射出的光子的能量不小于EgchhvEgcghcE3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性2.半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)：PN結(jié)結(jié)區(qū)半導(dǎo)體材料的能帶：導(dǎo)帶、價(jià)帶和中間的禁帶禁帶寬度：用Eg表示。導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的電子躍遷：輻射出的光子的能量不小于EgchhvEgcghcE3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激

6、光器（LD）及其特性2.半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)泵浦源：電源。當(dāng)給PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)的結(jié)區(qū)可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，具備了實(shí)現(xiàn)光放大的條件諧振腔：由PN結(jié)的兩個(gè)自然解理面形成的。半導(dǎo)體材料的自然解理面是光滑的平面，是天然的鏡面，兩個(gè)自然解理面構(gòu)成光學(xué)諧振腔3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性2.半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)當(dāng)PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)區(qū)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，此時(shí)發(fā)生光輻射，并在傳輸過(guò)程中，一邊損耗，一邊放大。當(dāng)放大大于損耗時(shí)，在光學(xué)諧振腔的多次反射進(jìn)行頻率選擇后，可以對(duì)特定的光頻率建立起穩(wěn)定的振蕩，并輸出穩(wěn)定的光功率。放大消耗的

7、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)由泵浦源電源來(lái)補(bǔ)給。當(dāng)電源補(bǔ)給不足時(shí)，損耗大于放大，振蕩難以建立，不能形成穩(wěn)定的激光輸出，輸出的是沒(méi)有經(jīng)過(guò)頻率選擇的透射光。3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性2.半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)同質(zhì)結(jié)：結(jié)區(qū)外的半導(dǎo)體材料是同種半導(dǎo)體材料異質(zhì)結(jié)：結(jié)區(qū)和結(jié)區(qū)外材料不是同一種材料。單異質(zhì)結(jié)：N區(qū)與結(jié)區(qū)半導(dǎo)體材料相同，而結(jié)區(qū)和P區(qū)的半導(dǎo)體材料是不同的雙異質(zhì)結(jié)：結(jié)區(qū)與P區(qū)和N區(qū)的半導(dǎo)體材料均不相同。3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性3.半導(dǎo)體激光器的基本特性半導(dǎo)體激光器的基本特性半導(dǎo)體激光器的P-I特性：反映了半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)化效率當(dāng)注入電流大于

8、閾值電流后，輸出光功率隨注入電流增加而快速增加，發(fā)射出的是激光；當(dāng)注入電流小于閾值電流，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的是光譜很寬、相干性很差的自發(fā)輻射光3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性3.半導(dǎo)體激光器的基本特性半導(dǎo)體激光器的基本特性半導(dǎo)體激光器的光譜特性： 半導(dǎo)體激光器IIth時(shí)，輸出的是激光。隨著注入電流的增大，模式競(jìng)爭(zhēng)，功率集中在幾個(gè)主要的縱模上，注入電流越大，光功率主要集中，縱模數(shù)量越少，邊模抑制比SMSR（Side-Mode Suppression Ratio）會(huì)越大。3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性3.半導(dǎo)體激光器的基本特性半導(dǎo)體激光器的基本特性邊模抑制比SM

9、SR：最大的縱模（主縱模）的峰值功率與次最大的縱模（邊模）的峰值功率之比的分貝數(shù)中心波長(zhǎng)：光譜中的主縱模的峰值功率處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)譜寬與線寬：整個(gè)譜的半高全寬；主縱模的半高全寬。3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性3.半導(dǎo)體激光器的基本特性半導(dǎo)體激光器的基本特性溫度特性：對(duì)P-I特性的影響；對(duì)光譜的影響3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性3.半導(dǎo)體激光器的基本特性半導(dǎo)體激光器的基本特性調(diào)制特性：半導(dǎo)體激光器內(nèi)調(diào)制是用調(diào)制信號(hào)控制注入電流來(lái)實(shí)現(xiàn)光功率隨調(diào)制信號(hào)變化而變化的目的電光延遲：若要傳輸?shù)男盘?hào)頻率很高時(shí)，半導(dǎo)體激光器輸出的光信號(hào)則可能跟不上電信號(hào)的變化，一是光信號(hào)相

10、對(duì)于電信號(hào)有明顯的延遲。3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性3.半導(dǎo)體激光器的基本特性半導(dǎo)體激光器的基本特性張弛振蕩：光信號(hào)與電信號(hào)的變化規(guī)律不同，即發(fā)生失真，光信號(hào)出現(xiàn)振蕩。3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性3.半導(dǎo)體激光器的基本特性半導(dǎo)體激光器的基本特性碼型效應(yīng)：對(duì)數(shù)字信號(hào)而言，當(dāng)電光延遲時(shí)間與電調(diào)制速率對(duì)應(yīng)的碼元持續(xù)時(shí)間相近時(shí)，會(huì)使“0”碼后的第一個(gè)“1”碼脈沖寬度變窄，幅度變小，嚴(yán)重時(shí)使單個(gè)“1”碼丟失，這種現(xiàn)象即“碼型效應(yīng)”。3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體激光器（LD）及其特性3.半導(dǎo)體激光器的基本特性半導(dǎo)體激光器的基本特性 調(diào)制帶寬：調(diào)制帶寬大小與張弛振

11、蕩頻率有關(guān)，可近似表示為Rf233dB3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）及其特性1.半導(dǎo)體發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體發(fā)光二極管由工作物質(zhì)、泵浦源構(gòu)成。工作物質(zhì)：PN結(jié)結(jié)區(qū)的半導(dǎo)體材料。 泵浦源：電源。 當(dāng)給PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)的結(jié)區(qū)可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，具備了實(shí)現(xiàn)光放大的條件。從構(gòu)成原理上講，半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管的區(qū)別在于光學(xué)諧振腔3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）及其特性1.半導(dǎo)體發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體發(fā)光二極管的工作原理：當(dāng)PN結(jié)加正向電壓時(shí)，此時(shí)發(fā)生光輻射，并在傳輸過(guò)程中，一邊損耗，

12、一邊放大。損耗包括內(nèi)部損耗和端面透射損耗，放大則會(huì)消耗反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)。放大消耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)由泵浦源電源來(lái)補(bǔ)給。由于沒(méi)有光學(xué)諧振腔，建立不起穩(wěn)定的自激振蕩，也就是邊輻射邊輸出，輸出的光是沒(méi)有經(jīng)過(guò)頻率選擇的透射光，同時(shí)也不能形成有效的受激輻射，發(fā)生光輻射主要是自發(fā)輻射。3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）及其特性1.半導(dǎo)體發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)圖面發(fā)光二極管：發(fā)光面與PN結(jié)的結(jié)平面平行邊發(fā)光二極管：發(fā)光面與PN結(jié)的結(jié)平面垂直3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）及其特性2.半導(dǎo)體發(fā)光二極管的基本特性半導(dǎo)體發(fā)光二極管的基本特性 半導(dǎo)體

13、發(fā)光二極管的P-I特性特點(diǎn)：沒(méi)有閾值、線性好，溫度特性好。 3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）及其特性2.半導(dǎo)體發(fā)光二極管的基本特性半導(dǎo)體發(fā)光二極管的基本特性 半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管的光譜特性 3.1光源與光發(fā)射機(jī)n半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）及其特性2.半導(dǎo)體發(fā)光二極管的基本特性半導(dǎo)體發(fā)光二極管的基本特性 半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管的調(diào)制特性 半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管的帶寬與結(jié)區(qū)載流子壽命有關(guān)。LED的光功率3dB調(diào)制帶寬f3dB與載流子壽命c(diǎn)的關(guān)系為 cf233dB3.1光源與光發(fā)射機(jī)n光發(fā)射機(jī)及其性能參數(shù)1.光調(diào)制原理光調(diào)制原理 討論數(shù)字信號(hào)直接強(qiáng)度調(diào)制的調(diào)制原理 3.1光源與光發(fā)射機(jī)n光發(fā)射機(jī)及其

14、性能參數(shù)2.光發(fā)射機(jī)的組成原理光發(fā)射機(jī)的組成原理組成框圖及各部分的作用：光源完成電光轉(zhuǎn)換調(diào)制電路是完成把電信號(hào)以適當(dāng)?shù)姆绞郊虞d在光源上的作用?？刂齐娐?。APC完成對(duì)發(fā)射機(jī)的發(fā)送光功率的自動(dòng)控制，對(duì)各種因素（除信號(hào)自身原因外）造成的發(fā)送光功率變化進(jìn)行調(diào)整，使發(fā)送光功率保持穩(wěn)定。ATC是完成對(duì)光源溫度的自動(dòng)控制，確保光源工作溫度保持恒定。 3.1光源與光發(fā)射機(jī)n光發(fā)射機(jī)及其性能參數(shù)2.光發(fā)射機(jī)的組成原理光發(fā)射機(jī)的組成原理驅(qū)動(dòng)電路：由三部分組成： T1和T2管組成電流開(kāi)關(guān)， A點(diǎn)和B點(diǎn)互為反相信號(hào)， 即A為高電平時(shí)B為低電平，B為高電平時(shí)A為低電平，三極管T1和T2是輪流截止和導(dǎo)通的，避免了載流子恢

15、復(fù)時(shí)間的影響，因而可工作于更高的速率；恒流源提供T1和T2管導(dǎo)通時(shí)的電流，可以保持總電源電流不變，所以電源電流噪聲?。籐D的偏置電流由T3管提供。3.1光源與光發(fā)射機(jī)n光發(fā)射機(jī)及其性能參數(shù)2.光發(fā)射機(jī)的組成原理光發(fā)射機(jī)的組成原理自動(dòng)功率控制電路（APC）： 由PIN、運(yùn)放和T3管組成。 D節(jié)點(diǎn)電流方程：12fRRPINRIIII1212fARr e fRCRfVIRVIRVIR3.1光源與光發(fā)射機(jī)n光發(fā)射機(jī)及其性能參數(shù)2.光發(fā)射機(jī)的組成原理光發(fā)射機(jī)的組成原理自動(dòng)功率控制電路（APC）：當(dāng)LD輸出功率減小時(shí)，PIN探測(cè)電流會(huì)減小，那么VC增加，T3集電極電流會(huì)增加，從而使LD輸出功率增加，實(shí)現(xiàn)L

16、D輸出功率穩(wěn)定 12()refACfPINVVVRIRR3.1光源與光發(fā)射機(jī)n光發(fā)射機(jī)及其性能參數(shù)2.光發(fā)射機(jī)的組成原理光發(fā)射機(jī)的組成原理自動(dòng)溫度控制電路（ATC）：由橋電路、運(yùn)放、VT管和半導(dǎo)體制冷器組成。橋電路：由R1、R2、R3和熱敏電阻Rt組成，運(yùn)算放大器A的兩端與橋的兩對(duì)端相接 3.1光源與光發(fā)射機(jī)n光發(fā)射機(jī)及其性能參數(shù)2.光發(fā)射機(jī)的組成原理光發(fā)射機(jī)的組成原理根據(jù)設(shè)定控制溫度，選擇或調(diào)節(jié)橋臂電阻使橋達(dá)到平衡，此時(shí)橋的兩端a、b兩點(diǎn)電位相同，運(yùn)算放大器A輸出為零，串接在三極管VT發(fā)射極的制冷器（TEC）沒(méi)有電流流過(guò)。 3.1光源與光發(fā)射機(jī)n光發(fā)射機(jī)及其性能參數(shù)2.光發(fā)射機(jī)的組成原理光發(fā)

17、射機(jī)的組成原理當(dāng)溫度高于設(shè)定控制溫度時(shí)，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻阻值下降，電橋平破壞，b點(diǎn)電位低于a點(diǎn)電位，運(yùn)算放大器A的輸出端電位上升，即VT基極電位升高，流過(guò)TEC電流增大，制冷端溫度降低，熱沉和半導(dǎo)體激光器溫度也隨之降低，從而形成溫度負(fù)反饋，達(dá)到溫度穩(wěn)定。 3.1光源與光發(fā)射機(jī)n光發(fā)射機(jī)及其性能參數(shù)3.光發(fā)射機(jī)性能參數(shù)光發(fā)射機(jī)性能參數(shù)（1）平均發(fā)送光功率 光發(fā)射機(jī)的平均發(fā)送光功率是指當(dāng)光發(fā)射機(jī)輸出“0”、“1”等概率的光信號(hào)時(shí)，光發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)功率的平均值。若光發(fā)射機(jī)輸出全“1”信號(hào)時(shí)的光功率為P(1)，而光發(fā)射機(jī)輸出全“0”信號(hào)時(shí)的光功率為P(0)，則平均發(fā)送光功率P 單位用毫瓦（mW

18、）、微瓦（W）(1)(0)2PPP3.1光源與光發(fā)射機(jī)n光發(fā)射機(jī)及其性能參數(shù)3.光發(fā)射機(jī)性能參數(shù)光發(fā)射機(jī)性能參數(shù)（1）平均發(fā)送光功率 分貝毫（dBm）的定義是相對(duì)于1毫瓦的分貝數(shù)，用公式表示為 )( 1)(lg10)(mWmWPdBmP3.1光源與光發(fā)射機(jī)n光發(fā)射機(jī)及其性能參數(shù)3.光發(fā)射機(jī)性能參數(shù)光發(fā)射機(jī)性能參數(shù)（2）消光比反映光發(fā)射機(jī)光“1”和光“0”區(qū)分度的參數(shù)，其定義為光發(fā)射機(jī)輸出全“0”信號(hào)時(shí)的光功率為P(0)與光發(fā)射機(jī)輸出全“1”信號(hào)時(shí)的光功率為P(1)的比值的分貝數(shù)，用公式表示為 注意功率單位 (0)10lg( )(1)PEXTdBP3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光纖通信對(duì)光電檢測(cè)

19、器的要求 （1）在系統(tǒng)工作波長(zhǎng)上對(duì)一定的入射光功率能）在系統(tǒng)工作波長(zhǎng)上對(duì)一定的入射光功率能輸出盡可能大的光電流。輸出盡可能大的光電流。 （2）具有較快的光電響應(yīng)速度，以用于高速光）具有較快的光電響應(yīng)速度，以用于高速光纖通信系統(tǒng)。纖通信系統(tǒng)。 （3）具有良好的線性度，以確保光電轉(zhuǎn)換過(guò)程）具有良好的線性度，以確保光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中的信號(hào)失真盡可能小。中的信號(hào)失真盡可能小。 （4）引入的噪聲盡可能的小，以便獲得較高的）引入的噪聲盡可能的小，以便獲得較高的信噪比，有利于信號(hào)復(fù)原。信噪比，有利于信號(hào)復(fù)原。 （5）具有較小的體積和較長(zhǎng)的工作壽命等。）具有較小的體積和較長(zhǎng)的工作壽命等。3.2 光電檢測(cè)器和光接收

20、機(jī)n光電檢測(cè)器類型 1.光電檢測(cè)器功能和類型光電檢測(cè)器功能和類型 光電檢測(cè)器的功能：將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。輸入到光電檢測(cè)器的信號(hào)是光信號(hào)，由光電檢測(cè)器輸出的是光電流。完成光電轉(zhuǎn)換功能的器件：光電陰極管、光敏電阻、光電三極管、光電池和光電二極管等。光纖通信用光電檢測(cè)器主要有PIN光電二極管和APD光電二極管。3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光電檢測(cè)器類型 2.PIN光電二極管光電二極管 PIN光電二極管是在高摻雜濃度的P型和N型兩層半導(dǎo)體材料之間加入一層摻雜濃度極低的本征半導(dǎo)體材料（稱為I層）而形成的PN結(jié)結(jié)型器件。P層和N層較薄，I層很寬，在P層外表面中心區(qū)域有一鍍?cè)鐾改さ墓饷裘妫斎牍馐峭ㄟ^(guò)光

21、敏面進(jìn)入P層和I層而被吸收的。3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光電檢測(cè)器類型 2.PIN光電二極管光電二極管 光電二極管是在反向偏壓下使用的，圖給出了反向偏壓下的場(chǎng)分布。電場(chǎng)主要分布在本征層，光被吸收也主要是在本征層，形成的光生載流子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)形成光電流，減小了載流子的渡越時(shí)間，從而提高了器件的響應(yīng)速度。同時(shí)，光在電場(chǎng)區(qū)域被吸收，可以降低載流子的復(fù)合幾率，有利于提高響應(yīng)度。3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光電檢測(cè)器類型 3.APD雪崩光電二極管雪崩光電二極管 光電檢測(cè)器在一定輸入光功率下獲得的光電流越大則性能越優(yōu)越。對(duì)PIN光電二極管而言，即使是光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1，一個(gè)光子最多只能轉(zhuǎn)換為一對(duì)

22、電子空穴對(duì)。如果一個(gè)光子最終能轉(zhuǎn)換為更多對(duì)的電子空穴對(duì)，那無(wú)疑會(huì)獲得更大的光生電流，APD雪崩光電二極管就有這種作用，和PIN光電二極管相比，APD光電二極管相當(dāng)于具有電流增益。3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光電檢測(cè)器性能參數(shù) 1.響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)度和量子效率 響應(yīng)度是表征光電檢測(cè)器光電轉(zhuǎn)換能力的參數(shù)，用R表示，其定義為量子效率也可表征光電檢測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換能力，用表示，其定義為PinIRP單位時(shí)間內(nèi)入射光子數(shù)載流子對(duì)數(shù)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光生3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光電檢測(cè)器性能參數(shù) 1.響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)度和量子效率 量子效率和響應(yīng)度都是用來(lái)表征光電檢測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換能力的，二者的關(guān)系

23、為RehcRehvhvPeIinP/3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光電檢測(cè)器性能參數(shù) 2.響應(yīng)速度響應(yīng)速度 響應(yīng)速度是指它的光電轉(zhuǎn)換速度，它由載流子的渡越時(shí)間決定。影響渡越時(shí)間的因素包括： （1）從光入射到產(chǎn)生光生載流子的時(shí)間； （2）光生載流子在零電場(chǎng)區(qū)的擴(kuò)散時(shí)間； （3）光生載流子在電場(chǎng)區(qū)的漂移時(shí)間。3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光電檢測(cè)器性能參數(shù) 2.響應(yīng)速度響應(yīng)速度 響應(yīng)速度是指它的光電轉(zhuǎn)換速度，它由載流子的渡越時(shí)間決定。影響渡越時(shí)間的因素包括： （1）從光入射到產(chǎn)生光生載流子的時(shí)間； （2）光生載流子在零電場(chǎng)區(qū)的擴(kuò)散時(shí)間； （3）光生載流子在電場(chǎng)區(qū)的漂移時(shí)間。3.2 光電檢測(cè)器和光接

24、收機(jī)n光電檢測(cè)器性能參數(shù) 2.響應(yīng)速度響應(yīng)速度 渡越時(shí)間越短，響應(yīng)速度就越快，因此，縮短渡越時(shí)間首先要減小光電檢測(cè)器的厚度，特別是零電場(chǎng)區(qū)的厚度；其次是增加載流子的渡越速度。光電檢測(cè)器在反向偏壓時(shí)，其電場(chǎng)區(qū)的比例增加，對(duì)載流子加速的電場(chǎng)也在增強(qiáng)，有利于減小渡越時(shí)間。因此，光電檢測(cè)器通常都在反偏下工作。3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光電檢測(cè)器性能參數(shù) 3.APD的倍增系數(shù)的倍增系數(shù) APD的倍增系數(shù)M定義為式中，IP為培增后的光電流，I0為倍增前的光電流，又稱一次電流。對(duì)PIN而言，由于沒(méi)有電流增益，所以可以看做倍增系數(shù)為10PIMI3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光電檢測(cè)器性能參數(shù) 4.暗電流暗

25、電流 暗電流是沒(méi)有信號(hào)光照射時(shí)光電檢測(cè)器的輸出的光電流，它包括體內(nèi)暗電流和表面暗電流。對(duì)于APD，體內(nèi)暗電流會(huì)受到倍增作用，而表面暗電流不會(huì)經(jīng)歷倍增過(guò)程。3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光電檢測(cè)器性能參數(shù) 5.光電檢測(cè)器的噪聲光電檢測(cè)器的噪聲 （1）PIN的噪聲 PIN的噪聲包括有量子噪聲和暗電流噪聲，其總均方噪聲電流可以表示為 = 2e (Ip+Id) B Ip為平均光電流，Id為暗電流平均值，B為帶寬3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光電檢測(cè)器性能參數(shù) 5.光電檢測(cè)器的噪聲光電檢測(cè)器的噪聲 （2）APD的噪聲 APD的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲和倍增噪聲。APD的倍增系數(shù)具有隨機(jī)性，倍增系數(shù)是

26、一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均的概念（應(yīng)該表示為）。APD的倍增噪聲就是由于倍增系數(shù)的這種隨機(jī)性而產(chǎn)生的。 在不考慮暗電流噪聲時(shí)APD倍增噪聲的功率密度可表示為 = 2e I0 2+x B I0為倍增前的光電流，x稱為APD的附加噪聲指數(shù)，其值一般在0.31的范圍之內(nèi)。3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光電檢測(cè)器性能參數(shù) 5.光電檢測(cè)器的噪聲光電檢測(cè)器的噪聲 （2）APD的噪聲 若考慮暗電流噪聲，則APD的總均方噪聲電流可表示為 = 2e Ids + (I0 + Idb) 2+x B Ids和Idb分別為表面暗電流和體內(nèi)暗電流。對(duì)PIN而言，=1，式（3.28）退化為（3.26）。3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光接

27、收機(jī)的組成原理和性能 1.光接收機(jī)組成原理光接收機(jī)組成原理 （1）基本功能 微弱信號(hào)的檢測(cè)。 從包含各種干擾的信號(hào)中恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。能夠檢測(cè)出微弱信號(hào)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須能夠從帶有各種干擾的微弱信號(hào)中恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)，才能實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)哪康?。原始?shù)據(jù)可以是數(shù)字信號(hào)，也可以是模擬信號(hào)，相應(yīng)的接收機(jī)就是數(shù)字接收機(jī)和模擬接收機(jī)。3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光接收機(jī)的組成原理和性能 1.光接收機(jī)組成原理光接收機(jī)組成原理 （2）解調(diào)方式 解調(diào)就是把調(diào)制在光波上的信號(hào)提取出來(lái)。最簡(jiǎn)單的檢測(cè)方式就是直接功率檢測(cè)，通過(guò)光電二極管直接將接收的信號(hào)恢復(fù)成基本調(diào)制信號(hào)。3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光接收機(jī)的組成原理和

28、性能 1.光接收機(jī)組成原理光接收機(jī)組成原理 光接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.15所示，包括光電檢測(cè)與前置放大、自動(dòng)增益控制（AGC）與均衡、判決再生電路等。主要包括光電檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、均衡器、自動(dòng)增益控制(AGC)電路、時(shí)鐘提取電路以及取樣判決器光 檢 測(cè) 器偏 壓 控 制前 置 放 大 器AGC電 路均 衡 器判 決 器時(shí) 鐘提 取再 生 碼 流主 放 大 器光 信 號(hào)3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光接收機(jī)的組成原理和性能 1.光接收機(jī)組成原理光接收機(jī)組成原理 由光電檢測(cè)器和前置放大器組成光接收機(jī)的前端部分，其主要功能是完成光電轉(zhuǎn)換和低噪聲放大信號(hào)到合適的程度。光電檢測(cè)器（APD或PIN）完成光電轉(zhuǎn)換功能，通常處于反向偏置，由偏壓控制電路控制。光電檢測(cè)器可以看成一個(gè)電流源和其結(jié)電容Cd并聯(lián)，等效電路如圖3.16所示，RL為負(fù)載電阻。3.2 光電檢測(cè)器和光接收機(jī)n光接收機(jī)的組成原理和性能 1.光接收機(jī)組成原理光接收機(jī)組成原理 高阻抗前端與跨阻抗前端：總輸入電容CT，包括Cd和前置放大