光檢測器和光接收機

1、光檢測器和光接收機第1頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一光電轉(zhuǎn)換器件要求: 高效率、低噪聲、寬帶原理：光吸收在半導(dǎo)體材料上，當(dāng)入射光子能量h超過帶隙能量時，每當(dāng)一個光子被半導(dǎo)體吸收就產(chǎn)生一個電子空穴對。在外加電壓建立的電場作用下，電子和空穴就在半導(dǎo)體中渡越并形成電流流動，稱為光電流，其電流大小Ip與入射光功率Pin成比例：R光電檢測器的響應(yīng)度（A/W）入射光半導(dǎo)體光檢測器光檢測器的工作原理第2頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一偏置電壓外界的光子(也就是光)射入半導(dǎo)體，分離出電子和空穴，這些自由的載流子的流動形成電流，外部的電壓(反向偏壓)會增強這種效果。

2、 PN光電二極管光檢測器的工作原理第3頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一 光生載流子在外加負(fù)偏壓和內(nèi)建電場的作用下，在外電路中出現(xiàn)了光電流，從而在電阻R上有信號電壓輸出。這樣就實現(xiàn)了輸出電壓跟隨輸入光信號變化的光電轉(zhuǎn)換作用。 負(fù)偏壓：P接負(fù)，N接正。由圖可見，外加負(fù)偏壓產(chǎn)生的電場方向與內(nèi)建電場方向一致，有利于耗盡區(qū)的加寬。（耗盡區(qū)的加寬可以改善光電檢測器響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率） hEg 或 920nm的光透明；I區(qū): InGaAs； =13001600nm 強烈吸收PIN光電二極管光檢測器的工作原理第9頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一雪崩光電二極管APDP

3、IN:1個光子最多產(chǎn)生一對電子-空穴對,無增益APD:利用電離碰撞, 1個光子產(chǎn)生多對電子-空穴對,有增益工作過程：入射光-一對電子-空穴對(一次光生電流)-與晶格碰撞電離-多對電子-空穴對(二次光生電流）吸收外電場加速增加了一個附加層，倍增區(qū)或增益區(qū)，以實現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生二次電子空穴對。耗盡層仍為I層，起產(chǎn)生一次電子空穴對的作用。光檢測器的工作原理第10頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一倍增系數(shù) M = IM / IP IM-平均輸出電流， IP-一次光生電流 IM M IP MRPin 倍增系數(shù)M與電離系數(shù)及增益區(qū)厚度有關(guān)。光檢測器的工作原理APD光電二極管在反向偏置電壓

4、過大時，會出現(xiàn)雪崩擊穿。APD管使用時必須注意保持工作電壓低于雪崩擊穿電壓，以免損壞器件。雪崩光電二極管APD第11頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一光檢測器的比較參數(shù)符號單位SiGeInGaAs波長范圍nm4001100800165011001700響應(yīng)度RA/W0.40.60.40.50.750.95暗電流IDnA110505000.52.0上升時間rns0.51.00.10.50.050.5帶寬BGHz0.30.70.53.01.02.0偏置電壓VBV55105Si、Ge、InGaAs pin光電二極管的通用工作特性參數(shù)光檢測器的工作原理第12頁，共56頁，2022年

5、，5月20日，4點9分，星期一光檢測器的比較參數(shù)符號單位SiGeInGaAs波長范圍nm4001100800165011001700雪崩增益M20400502001040暗電流IDnA0.11505001050M=10上升時間rns0.120.50.80.10.5增益帶寬積MBGHz10040021020250偏置電壓VBV15040020402030Si、Ge、InGaAs 雪崩光電二極管的通用工作特性參數(shù)光檢測器的工作原理第13頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一光檢測器的比較在短距離的應(yīng)用中，工作在850nm的Si器件對于大多數(shù)鏈路是個相對比較廉價的解決方案。在長距離的

6、鏈路常常需要工作在1310nm和1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。APD檢測器與PIN檢測器相比，具有載流子倍增效應(yīng)，其探測靈敏度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度補償電路。要視具體應(yīng)用場合而選定。光檢測器的工作原理第14頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一第4章光檢測器和光接收器光檢測器的工作原理 光檢測器的特性參數(shù)光 接 收 機光收發(fā)合一模塊第15頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一光檢測器的特性參數(shù)光檢測器性能參數(shù)1量子效率入射光（功率為Pin）中含有大量光子，能轉(zhuǎn)換為光生電流的光子數(shù)和入射的總光子數(shù)之比稱為量子效率。在光電二極管的應(yīng)用

7、中，100個光子會產(chǎn)生30到95個電子空穴對，因此檢測器的量子效率范圍為30%95%。為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區(qū)的厚度，使得可以吸收大部分的光子。但是，耗盡區(qū)越厚，光生載流子漂移渡越(across)反向偏置結(jié)的時間就越長。由于載流子的漂移時間又決定了光電二極管的響應(yīng)速度，所以必須在響應(yīng)速度和量子效率之間采取折衷。第16頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一2響應(yīng)度光檢測器的光電流與入射光功率之比稱為響應(yīng)度對于給定的波長，響應(yīng)度是一個常數(shù)，但是當(dāng)考慮的波長范圍較大時，它就不是常數(shù)了?？紤]到APD光檢測器的雪崩效應(yīng)，它的響應(yīng)度可表示為對于PIN，R的典型值范圍是0.51

8、.0A/W。APD光檢測器的響應(yīng)度在0.75130之間光檢測器的特性參數(shù)光檢測器性能參數(shù)第17頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一3響應(yīng)光譜光檢測器的特性參數(shù)光檢測器性能參數(shù)對確定的半導(dǎo)體檢測材料，只有波長小于截止波長的光才能被檢測到，并且探測器的量子效率隨著波長的變化而變化，這種特性被稱做響應(yīng)光譜。第18頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一Si：C=1.06m，使用范圍：0.51.0 mGe： C=1.6m，使用范圍：1.11.6 mInGaAs： C=1.6m，使用范圍：1.11.6 m光檢測器的特性參數(shù)光檢測器性能參數(shù)在短波長段，材料的吸收吸收系數(shù)變得

9、很大，因此光子在接近光檢測器的表面就被吸收了，電子空穴對的壽命極短，結(jié)果載流子在由光檢測器電路收集以前就已經(jīng)復(fù)合了。第19頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一半導(dǎo)體材料Si禁帶寬度Eg/eV1.17波長 /nm1067Ge0.7751610GaAs1.424876InP1.35924AlGaAs1.421.92879650InGaAs0.751.2416641006InGaAs0.751.351664924光檢測器的特性參數(shù)光檢測器性能參數(shù)常用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度和對應(yīng)的波長第20頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一4響應(yīng)時間是用來反映光檢測器對瞬變或高速調(diào)

10、制光信號響應(yīng)能力的參數(shù)?？梢杂霉鈾z測器輸出脈沖的上升時間和下降時間來表示。一般光檢測器的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)中給出的是上升時間，對于PIN管而言，通常上升時間tr 7， BER10E-12通常:2.5Gb/s系統(tǒng)的接收靈敏度對應(yīng)于BER=10E-9；10Gb/s系統(tǒng)的接收靈敏度對應(yīng)于BER=10E-10；光接收機的技術(shù)指標(biāo)光接收機第46頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一接收機靈敏度PIN光接收機的靈敏度：M=1，且熱噪聲占優(yōu)勢APD光接收機的靈敏度靈敏度最高時的最佳M值為：光接收機光接收機的技術(shù)指標(biāo)第47頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一光接收機靈敏度的惡化實際

11、光發(fā)送機發(fā)出的光信號并非理想比特流，并在光纖傳輸過程中可能變形。在這種非理想條件下，與僅考慮接收機噪聲而導(dǎo)出的靈敏度值相比，接收機要求的最小平均光功率增大了，這個增量稱為功率代價，也稱靈敏度惡化。其影響因素很多。光接收機光接收機的技術(shù)指標(biāo)第48頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一810Gb/s 80km G.652光纖傳輸實驗-誤碼特性功率代價光接收機的技術(shù)指標(biāo)光接收機第49頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一第4章光檢測器和光接收器光檢測器的工作原理 光檢測器的特性參數(shù)光 接 收 機光收發(fā)合一模塊第50頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一

12、光收發(fā)合一模塊涉及到好多電接口知識和光接口知識，有興趣的同學(xué)可以查閱相關(guān)的資料。第51頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一掌握光檢測器的工作原理。掌握PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管的工作原理。掌握評價光檢測器的性能指標(biāo)。了解光檢測器的噪聲特性。掌握數(shù)字光接收機的基本組成 部分及其作用。掌握誤碼率和靈敏度的基本概念。了解光收發(fā)合一模塊。本 章 小 結(jié)第52頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一1、通過分析p-n結(jié)來分析半導(dǎo)體光電二極管實現(xiàn)光電檢測的機制。2、比較PN型PD、PIN型PD、以及APD的優(yōu)缺點。3、什么是誤碼率？如何改善它？P112：4.8

13、4.11作業(yè)本節(jié)結(jié)束，謝謝！第53頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一眼圖 眼圖是指利用實驗的方法估計和改善（通過調(diào)整）傳輸系統(tǒng)性能時在示波器上觀察到的一種圖形。觀察眼圖的方法是：用一個示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然后調(diào)整示波器掃描周期，使示波器水平掃描周期與接收碼元的周期同步，這時示波器屏幕上看到的圖形像人的眼睛，故稱 為 “眼圖”。從“眼圖”上可 以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲的影響，從而估計系統(tǒng)優(yōu)劣程度。另外也可以用此圖形對接收濾波器的特性加以調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_和改善系統(tǒng)的傳輸性能。第54頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一眼圖 的 “眼睛” 張開的大小反映著碼間串?dāng)_的強弱。 “眼睛”張的 越大，且眼圖越端正，表示碼間串?dāng)_越?。环粗硎敬a間串?dāng)_越大。 當(dāng)存在噪聲時，噪聲將疊加在信號上，觀察到的眼圖的線跡會變得模糊不清。若同時存在碼間串?dāng)_ ， “眼睛”將 張開得更小。與無碼間串?dāng)_時的眼圖相比，原來清晰端正的細(xì)線跡，變成了比較模糊的帶狀線，而且不很端正。噪聲越大，線跡越寬，越模糊；碼間串?dāng)_越大，眼圖越不端正。第55頁，共56頁，2022年，5月20日，4點9分，星期一（ 1 ）最佳抽樣時刻應(yīng) 在 “眼睛” 張開最大的時刻。（ 2 ）對定時誤差的靈敏度可由眼圖斜邊的斜率決定。斜率越大，對定時誤差就越靈敏。（ 3 ）在抽樣時刻上，眼圖上下兩分支陰