光检测器及光接收机.ppt

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光纤通信技术第五章
王建萍
信息光电子研究所
清华大学电子工程系
光源
调制器
驱动电路
放大器
光电二极管
判决器
光纤
光纤
中继器
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，恢复光载波所携带的原信号。
光接收机
判
决
器
时钟恢复
光信号
光电
变换
前置
放大
主放
大器
均衡
滤波
输出
性能指标:接收灵敏度、
误码率或信噪比
对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。
线性通道
前端
AGC电路
时钟提取与数据再生
（CDR）
第五章 光检测器及光接收机
光检测器
光接收机
光接收机的噪声特性
光接收机的灵敏度
光接收机的性能评估
单击此处添加副标题
光检测器
光电转换器件
要求: 高效率、低噪声、宽带
原理：光吸收
在半导体材料上，当入射光子能量h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—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，称为光电流，其电流大小Ip与入射光功率Pin成比例：
R—光电检测器的响应度（A/W）
入射光
半导体
PN光电二极管(1)
2
1
工作原理：入射光从P侧进入，在耗尽区光吸收产生的电子－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。
响应时间：由光功率输入转化为光电流输出，有一定时间迟后，其值主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间。
PN光电二极管(2)
带宽受限的主要因素:产生的光电流中存在扩散分量，它与耗尽区外的光吸收有关。载流子作扩散运动的时延将使检测器输出电流脉冲后沿的托尾加长，影响光电二极管的响应速度。
解决方法：减小P,N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P,N区吸收的光能--PIN
考虑漂移和扩散运动时PN光电二极管对矩形脉冲的响应
扩散分量的存在导致光电二极管瞬态响应失真
PIN光电二极管(1)
在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大耗尽区宽度w，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的要求。由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导体(Intrinsic)，因此这种结构称为PIN光电二极管。
I区高阻抗,电压基本都落在I区
PIN光电二极管及反偏时各层的场分布
PIN光电二极管(2)
InGaAs PIN 光电二极管的结构
双异质结结构：
N区和P区：InP，对>920nm的光透明；
I区: InGaAs； =1300~1600nm 强烈吸收
量子效率
入射光功率Pin中含有大量光子，能转换为光电流的光子数和入射总光子数之比称为量子效率.
产生的电子－空穴对的个数
入射的光子数
在光电二极管的应用中，100个光子会产生30到95个电子－空穴对，因此检测器的量子效率范围为30%~95%。为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得可以吸收大部分的光子。但是，耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越(across)反向偏置结的时间就越长。由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷。