光檢測器和光接收機(jī)

光檢測器和光接收機(jī)第1頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光電轉(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，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月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(qiáng)這種效果。PN光電二極管光檢測器的工作原理第3頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(shí)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）hν>Eg或λ<hc/Eg(∵λ=c/ν)當(dāng)入射光子的能量小于Eg時，不論入射光多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會發(fā)生。所以光電效應(yīng)必須滿足：PN光電二極管光檢測器的工作原理第4頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月PN光電二極管帶寬受限的主要因素:產(chǎn)生的光電流中存在擴(kuò)散分量，它與耗盡區(qū)外的光吸收有關(guān)。載流子作擴(kuò)散運(yùn)動的時延將使檢測器輸出電流脈沖后沿的拖尾加長，影響光電二極管的響應(yīng)速度?？紤]漂移和擴(kuò)散運(yùn)動時PN光電二極管對矩形脈沖的響應(yīng)擴(kuò)散分量的存在導(dǎo)致光電二極管瞬態(tài)響應(yīng)失真光檢測器的工作原理第5頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月PN光電二極管響應(yīng)時間：由光功率輸入轉(zhuǎn)化為光電流輸出，有一定時間遲后，其值主要決定于載流子通過耗盡區(qū)的渡越時間。耗盡區(qū)的寬度載流子的平均漂移速度光檢測器的工作原理解決方法：減小P,N區(qū)厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，使大部分入射光功率在耗盡區(qū)吸收，減少P,N區(qū)吸收的光能--PIN第6頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月PIN光電二極管在PN結(jié)間插入一層非摻雜或輕摻雜半導(dǎo)體材料，以增大耗盡區(qū)寬度w，達(dá)到減小擴(kuò)散運(yùn)動的影響，提高響應(yīng)度的要求。由于PN結(jié)中間插入的半導(dǎo)體材料近似為本征半導(dǎo)體(Intrinsic)，因此這種結(jié)構(gòu)稱為PIN光電二極管。I區(qū)高阻抗,電壓基本都落在I區(qū)PIN光電二極管及反偏時各層的場分布光檢測器的工作原理第7頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月大部分光子在I區(qū)被吸收，從而增加了量子效率；同時，擴(kuò)散電流卻很小。PIN光檢測器反向偏壓可以取較小的值，因?yàn)槠浜谋M區(qū)厚度基本上是由I區(qū)的寬度決定的。I區(qū)的寬度也不是越寬越好，寬度w越大，載流子在耗盡區(qū)的漂移時間就越長，對帶寬的限制也就越大，故需綜合考慮。由于不同半導(dǎo)體材料對不同波長的光吸收系數(shù)不同，所以本征區(qū)的寬度選取也各不相同，帶寬和使用的光波段范圍不同。光檢測器的工作原理PIN光電二極管第8頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月InGaAsPIN光電二極管的結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)：N區(qū)和P區(qū)：InP，對>920nm的光透明；I區(qū):InGaAs；

=1300~1600nm強(qiáng)烈吸收PIN光電二極管光檢測器的工作原理第9頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月雪崩光電二極管APDPIN: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(shí)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，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月倍增系數(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，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光檢測器的比較參數(shù)符號單位SiGeInGaAs波長范圍nm400~1100800~16501100~1700響應(yīng)度RA/W0.4~0.60.4~0.50.75~0.95暗電流IDnA1~1050~5000.5~2.0上升時間rns0.5~1.00.1~0.50.05~0.5帶寬BGHz0.3~0.70.5~3.01.0~2.0偏置電壓VBV55~105Si、Ge、InGaAspin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，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光檢測器的比較參數(shù)符號單位SiGeInGaAs波長范圍nm400~1100800~16501100~1700雪崩增益M——20~40050~20010~40暗電流IDnA0.1~150~50010~50@M=10上升時間rns0.1~20.5~0.80.1~0.5增益帶寬積M?BGHz100~4002~1020~250偏置電壓VBV150~40020~4020~30Si、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，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月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(bǔ)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，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第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(jī)★光收發(fā)合一模塊第15頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月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。考慮到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0.5~1.0A/W。APD光檢測器的響應(yīng)度在0.75～130之間光檢測器的特性參數(shù)光檢測器性能參數(shù)第17頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月Si：C=1.06m，使用范圍：0.5~1.0mGe：C=1.6m，使用范圍：1.1~1.6mInGaAs：C=1.6m，使用范圍：1.1~1.6m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，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體材料Si禁帶寬度Eg/eV1.17波長/nm1067Ge0.7751610GaAs1.424876InP1.35924AlGaAs1.42~1.92879~650InGaAs0.75~1.241664~1006InGaAs0.75~1.351664~924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，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月4．響應(yīng)時間是用來反映光檢測器對瞬變或高速調(diào)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<1ns；對于APD管而言，該值小于0.5ns。5．暗電流是指光檢測器上無光入射時的電流。溫度越高，受溫度激發(fā)的電子數(shù)量越多，暗電流越大。暗電流最終決定了能被檢測到的最小光功率，也就是光電二極管的靈敏度。光檢測器的特性參數(shù)光檢測器性能參數(shù)第21頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第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(jī)★光收發(fā)合一模塊第22頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光接收機(jī)光信號光電變換前置放大主放大器均衡濾波判決器時鐘恢復(fù)輸出AGC電路性能指標(biāo):接收靈敏度、誤碼率或信噪比前端線性通道時鐘提取與數(shù)據(jù)再生（CDR）對信號進(jìn)行高增益放大與整形，提高信噪比，減少誤碼率。第23頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光接收機(jī)的前端前端：由光電二極管和前置放大器組成。作用：將耦合入光電檢測器的光信號轉(zhuǎn)換為時變電流，然后進(jìn)行預(yù)放大（電流－電壓轉(zhuǎn)換），以便后級作進(jìn)一步處理。是光接收機(jī)的核心。要求：低噪聲、高靈敏度、足夠的帶寬電信號光信號光電變換前置放大光接收機(jī)第24頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光檢測器的選擇：要視具體應(yīng)用場合而定。PIN光電二極管具有良好的光電轉(zhuǎn)換線性度，不需要高的工作電壓，響應(yīng)速度快。APD最大的優(yōu)點(diǎn)是它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(bǔ)償電路。從簡化接收機(jī)電路考慮，一般情況下多喜歡采用PIN光電二極管作光探測器。前置放大器的主要作用是保持探測的電信號不失真地放大和保證噪聲最小，一般采用場效應(yīng)晶體管(FET)。PIN/FET和APD/FET。光接收機(jī)的前端光接收機(jī)第25頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)不同的應(yīng)用要求，前端的設(shè)計(jì)有三種不同的方案：低阻抗前端高阻抗前端跨（互）阻抗前端光接收機(jī)前端的等效電路低阻抗前端從頻帶要求出發(fā)選擇偏置電阻RL優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，不需要或只需要很少的均衡，動態(tài)范圍較大缺點(diǎn)：靈敏度低，噪聲較高光接收機(jī)的前端光接收機(jī)第26頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月高阻抗前端盡量加大偏置電阻，把噪聲減至盡可能小的值優(yōu)點(diǎn)：噪聲較低缺點(diǎn)：動態(tài)范圍小、高頻分量損失太大,對均衡電路提出很高要求.多用于低速系統(tǒng).跨阻抗前端電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器（電流-電壓轉(zhuǎn)換器）優(yōu)點(diǎn)：寬頻帶（等效輸入電阻很?。?、低噪聲（反饋電阻可以取得很大）、靈敏度高、動態(tài)范圍大等綜合優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用。光接收機(jī)的前端光接收機(jī)第27頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光接收機(jī)的線性通道對主放輸出的失真數(shù)字脈沖進(jìn)行整形，使之成為有利于判決的碼間干擾最小的升余弦波形?？筛鶕?jù)輸入信號（平均值）大小自動調(diào)整放大器增益，使輸出信號保持恒定。用以擴(kuò)大接收機(jī)的動態(tài)范圍。提供高的增益，放大到適合于判決電路的電平。主放大器均衡濾波AGC電路光接收機(jī)第28頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月判決再生與時鐘提取任務(wù)：把線性通道輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號為確定是“1”或是“0”，需要對某時隙的碼元作出判決。若判決結(jié)果為“1”，則由再生電路產(chǎn)生一個矩形“1”脈沖；若判決結(jié)果為“0”，則由再生電路產(chǎn)生一個“0”。為了精確地確定“判決時刻”，需要從信號碼流中提取準(zhǔn)確的時鐘信息作為標(biāo)定，以保證與發(fā)送端一致。判決器時鐘恢復(fù)輸出光接收機(jī)第29頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月判決、再生過程最佳取樣時間相應(yīng)于“1”和“0”信號電平相差最大的位置，可由眼圖決定。光接收機(jī)判決再生與時鐘提取第30頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光接收機(jī)的噪聲特性光接收機(jī)的噪聲將影響信噪比SNR和通信質(zhì)量。主要來自光電探測器和前置放大器的噪聲。分為兩類：散粒噪聲和熱噪聲。光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：散粒噪聲光接收機(jī)第31頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：量子噪聲的產(chǎn)生是由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(jì)特性(泊松分布)。光電效應(yīng)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)是隨機(jī)起伏的，這是光檢測過程的基本特性，從而使當(dāng)其他條件都達(dá)到最佳化時，接收機(jī)靈敏度具有一個最低極限。光接收機(jī)光接收機(jī)的噪聲特性第32頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：暗電流噪聲：當(dāng)沒有光信號照射光檢測器時，外界的一些雜散光或熱運(yùn)動也會產(chǎn)生一些電子——空穴對，光檢測器還會產(chǎn)生一些電流，這種殘留電流稱為暗電流。光接收機(jī)光接收機(jī)的噪聲特性第33頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：漏電流噪聲：當(dāng)光檢測器表面物理狀態(tài)不完善和加有偏置電壓時，會引起很小的漏電流噪聲，但這種噪聲并非本征性噪聲，可通過光檢測器的合理設(shè)計(jì)，良好的結(jié)構(gòu)和嚴(yán)格的工藝降低。光接收機(jī)光接收機(jī)的噪聲特性第34頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：APD倍增噪聲：當(dāng)使用雪崩光電二極管時，倍增過程的隨機(jī)特性產(chǎn)生附加的噪聲。光接收機(jī)光接收機(jī)的噪聲特性第35頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：熱噪聲：是在有限溫度下，導(dǎo)電媒質(zhì)內(nèi)自由電子和振動離子間熱相互作用引起的一種隨機(jī)脈動。光接收機(jī)光接收機(jī)的噪聲特性第36頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月

PIN光接收機(jī)的信噪比SNR=平均信號功率/噪聲功率＝R為PIN響應(yīng)度，Pin為輸入光功率，RL為負(fù)載電阻，F(xiàn)n為放大器噪聲系數(shù)，為有效噪聲帶寬，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對溫度光接收機(jī)光接收機(jī)的噪聲特性第37頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月

在高阻抗或互阻抗前端中，散粒噪聲可以忽略，熱噪聲決定了接收機(jī)的性能，故：在散粒噪聲限制下時，每比特脈沖所含光子數(shù)為此時，光接收機(jī)光接收機(jī)的噪聲特性第38頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月

APD光接收機(jī)的信噪比在熱噪聲限制下：在散粒噪聲限制下：光接收機(jī)光接收機(jī)的噪聲特性第39頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)接收靈敏度：接收機(jī)工作于某一誤碼率所要求的最小平均接收光功率。靈敏度是光接收機(jī)的重要指標(biāo)，描述了其準(zhǔn)確檢測光信號的能力。誤碼率（BER）：

接收機(jī)判決電路錯誤確定一個比特的概率。噪聲引起誤碼的圖解說明光接收機(jī)第40頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月二進(jìn)制信號的誤碼概率I1I0光接收機(jī)光接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)第41頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月I1I0光接收機(jī)二進(jìn)制信號的誤碼概率光接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)第42頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月二進(jìn)制信號的誤碼概率I1I0光接收機(jī)光接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)第43頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月二進(jìn)制信號的誤碼概率I1I0光接收機(jī)光接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)第44頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月誤碼率為：BER取決于判決閾值ID，當(dāng)：光接收機(jī)光接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)第45頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月Q被廣泛用來說明接收機(jī)的特性。Q=6，BER=10E-9Q>7，BER<10E-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(jī)的技術(shù)指標(biāo)光接收機(jī)第46頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月接收機(jī)靈敏度PIN光接收機(jī)的靈敏度：M=1，且熱噪聲占優(yōu)勢APD光接收機(jī)的靈敏度靈敏度最高時的最佳M值為：光接收機(jī)光接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)第47頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光接收機(jī)靈敏度的惡化實(shí)際光發(fā)送機(jī)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(jī)噪聲而導(dǎo)出的靈敏度值相比，接收機(jī)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(jī)光接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)第48頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月810Gb/s80kmG.652光纖傳輸實(shí)驗(yàn)-誤碼特性功率代價光接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)光接收機(jī)第49頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第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(jī)★光收發(fā)合一模塊第50頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光收發(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，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jī)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