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1、光检测器和光接收机第1页，共56页，编辑于2022年，星期四光电转换器件光电转换器件要求要求:高效率、低噪声、宽带高效率、低噪声、宽带原理：光吸收原理：光吸收在半导体材料上，当入射光子能量在半导体材料上，当入射光子能量h 超过带隙能量时，每当一个光超过带隙能量时，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，场作用下，电子和空穴就在半导体中渡越并形成电流流动，称为称为光电流光电流，其电流大小，其电流大小Ip与入射光功率与入射光功率Pin成比例：成比例：RR光电检测器的光电
2、检测器的光电检测器的光电检测器的响应度响应度响应度响应度（A/WA/W）入射光入射光入射光入射光半导体半导体半导体半导体光检测器光检测器光检测器的光检测器的光检测器的光检测器的工作原理工作原理工作原理工作原理第2页，共56页，编辑于2022年，星期四偏置电压外界的光子外界的光子外界的光子外界的光子(也就是光也就是光也就是光也就是光)射入射入射入射入半导体，分离出电子和空穴，半导体，分离出电子和空穴，半导体，分离出电子和空穴，半导体，分离出电子和空穴，这些自由的载流子的流动形这些自由的载流子的流动形这些自由的载流子的流动形这些自由的载流子的流动形成电流，外部的电压成电流，外部的电压成电流，外部的
3、电压成电流，外部的电压(反向反向反向反向偏压偏压偏压偏压)会增强这种效果。会增强这种效果。会增强这种效果。会增强这种效果。PNPN光电二极管光电二极管光检测器的光检测器的光检测器的光检测器的工作原理工作原理工作原理工作原理第3页，共56页，编辑于2022年，星期四 光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现了光电流，从而在电阻出现了光电流，从而在电阻R R上有信号电压输出。这样就实现了上有信号电压输出。这样就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用。输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用。负偏压：负偏压：P P接负，接负
4、，N N接正。由图可见，外加负偏压产生的电场方接正。由图可见，外加负偏压产生的电场方向与内建电场方向一致，有利于耗尽区的加宽。（耗尽区的加宽可向与内建电场方向一致，有利于耗尽区的加宽。（耗尽区的加宽可以改善光电检测器响应速度和转换效率）以改善光电检测器响应速度和转换效率）hEg 或或 920nm920nm的光透明；的光透明；的光透明；的光透明；I I区区区区:InGaAs:InGaAs；=13001600nm =13001600nm 强强强强烈吸收烈吸收烈吸收烈吸收PINPIN光电二极管光电二极管光检测器的光检测器的光检测器的光检测器的工作原理工作原理工作原理工作原理第9页，共56页，编辑于2
5、022年，星期四雪崩光电二极管雪崩光电二极管APDAPD PIN:PIN: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：工作过程：工作过程：入射光入射光入射光入射光-一对一对一对一对电子电子电子电子-空穴对空穴对空穴对空穴对(一次光生电流一次光生电流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与晶格碰撞电离与晶格碰撞电离-多多多多对对对对电子电子电子电子-空穴对空穴对空穴对空穴对(二次光生电流）二次光生电流）二次光生电流
6、）二次光生电流）吸收吸收吸收吸收外电场加速外电场加速外电场加速外电场加速增加了一个附加增加了一个附加增加了一个附加增加了一个附加层，倍增区或增层，倍增区或增层，倍增区或增层，倍增区或增益区，以实现碰益区，以实现碰益区，以实现碰益区，以实现碰撞电离产生二次撞电离产生二次撞电离产生二次撞电离产生二次电子空穴对。电子空穴对。电子空穴对。电子空穴对。耗尽层仍为耗尽层仍为耗尽层仍为耗尽层仍为I I层，起产生一层，起产生一层，起产生一层，起产生一次电子空穴次电子空穴次电子空穴次电子空穴对的作用。对的作用。对的作用。对的作用。光检测器的光检测器的光检测器的光检测器的工作原理工作原理工作原理工作原理第10页，
7、共56页，编辑于2022年，星期四倍增系数倍增系数倍增系数倍增系数 M=IM/IP IM-平均输出电流，平均输出电流，IP-一次光生电流一次光生电流 IM M IP MRPin 倍增系数倍增系数M与电离系数及增益区厚度有关。与电离系数及增益区厚度有关。光检测器的光检测器的光检测器的光检测器的工作原理工作原理工作原理工作原理APD光电二极管在反向偏置电压过大时，会出现雪崩击穿。光电二极管在反向偏置电压过大时，会出现雪崩击穿。APD管使用时必须注意保持工作电压低于雪崩击穿电压，管使用时必须注意保持工作电压低于雪崩击穿电压，以免损坏器件。以免损坏器件。雪崩光电二极管雪崩光电二极管APDAPD第11页
8、，共56页，编辑于2022年，星期四光检测器的比较光检测器的比较参数符号单位SiGeInGaAs波长范围nm4001100800165011001700响应度RA/W0.40.60.40.50.750.95暗电流IDnA110505000.52.0上升时间rns0.51.00.10.50.050.5带宽BGHz0.30.70.53.01.02.0偏置电压VBV55105SiSi、GeGe、InGaAs InGaAs pinpin光电二极管的通用工作特性参数光电二极管的通用工作特性参数光电二极管的通用工作特性参数光电二极管的通用工作特性参数光检测器的光检测器的光检测器的光检测器的工作原理工作原理
9、工作原理工作原理第12页，共56页，编辑于2022年，星期四光检测器的比较光检测器的比较参数符号单位SiGeInGaAs波长范围nm4001100800165011001700雪崩增益M20400502001040暗电流IDnA0.11505001050M=10上升时间rns0.120.50.80.10.5增益带宽积MBGHz10040021020250偏置电压VBV15040020402030SiSi、GeGe、InGaAs InGaAs 雪崩光电二极管的通用工作特性参数雪崩光电二极管的通用工作特性参数雪崩光电二极管的通用工作特性参数雪崩光电二极管的通用工作特性参数光检测器的光检测器的光检测
10、器的光检测器的工作原理工作原理工作原理工作原理第13页，共56页，编辑于2022年，星期四光检测器的比较光检测器的比较 在短距离的应用中，工作在在短距离的应用中，工作在在短距离的应用中，工作在在短距离的应用中，工作在850nm850nm的的的的SiSi器件对于大器件对于大器件对于大器件对于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。多数链路是个相对比较廉价的解决方案。多数链路是个相对比较廉价的解决方案。多数链路是个相对比较廉价的解决方案。在长距离的链路常常需要工作在在长距离的链路常常需要工作在在长距离的链路常常需要工作在在长距离的链路常常需要工作在1310nm1310nm和和和和1550nm1550
11、nm窗口，所以常用基于窗口，所以常用基于窗口，所以常用基于窗口，所以常用基于InGaAsInGaAs的器件。的器件。的器件。的器件。APDAPD检测器与检测器与检测器与检测器与PINPIN检测器相比，具有载流子倍增效检测器相比，具有载流子倍增效检测器相比，具有载流子倍增效检测器相比，具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。和温
12、度补偿电路。要视具体应用场合而选定。光检测器的光检测器的光检测器的光检测器的工作原理工作原理工作原理工作原理第14页，共56页，编辑于2022年，星期四第第4 4章章 光检测器和光接收器光检测器和光接收器光检测器的工作原理光检测器的工作原理 光检测器的特性参数光检测器的特性参数光光 接接 收收 机机光收发合一模块光收发合一模块第15页，共56页，编辑于2022年，星期四光检测器的光检测器的光检测器的光检测器的特性参数特性参数特性参数特性参数光检测器性能参数光检测器性能参数1 1 1 1量子效率量子效率量子效率量子效率入射光（功率为入射光（功率为P Pinin）中含有大量光子，能转换为光生电流）
13、中含有大量光子，能转换为光生电流的光子数和入射的总光子数之比称为量子效率。的光子数和入射的总光子数之比称为量子效率。在光电二极管的应用中，在光电二极管的应用中，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个光子会产生个光子会产生3030到到到到9595个电子空穴对，个电子空穴对，个电子空穴对，个电子空穴对，因此检测器的量子效率范围为因此检测器的量子效率范围为因此检测器的量子效率范围为因此检测器的量子效率范围为30%95%30%95%。为了得到较高的量子为了得到较高的量子为了得到较高的量子为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，效率，必须加大耗尽区的厚度
14、，效率，必须加大耗尽区的厚度，效率，必须加大耗尽区的厚度，使得可以吸收大部分的光使得可以吸收大部分的光使得可以吸收大部分的光使得可以吸收大部分的光子。但是，子。但是，子。但是，子。但是，耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越(across)(across)反向偏反向偏反向偏反向偏置结的时间就越长。置结的时间就越长。置结的时间就越长。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由于载流子的漂移时间又决定了光电二由于载流子的漂移时间又决定了光电二由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在极管
15、的响应速度，所以必须在极管的响应速度，所以必须在极管的响应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取响应速度和量子效率之间采取响应速度和量子效率之间采取响应速度和量子效率之间采取折衷。折衷。折衷。折衷。第16页，共56页，编辑于2022年，星期四2 2 2 2响应度响应度响应度响应度光检测器的光电流与入射光功率之比称为响应度光检测器的光电流与入射光功率之比称为响应度对于给定的波长，响应度是一个常数，但是当考虑的波对于给定的波长，响应度是一个常数，但是当考虑的波长范围较大时，它就不是常数了长范围较大时，它就不是常数了。考虑到考虑到APDAPD光检测器的雪崩效应，它的响应度可表示为光检测器的雪崩效
16、应，它的响应度可表示为对于对于PINPIN，R R的典型值范围是的典型值范围是0.51.0A/W0.51.0A/W。APDAPD光检测器的响应度在光检测器的响应度在0.750.75130130之间之间光检测器的光检测器的光检测器的光检测器的特性参数特性参数特性参数特性参数光检测器性能参数光检测器性能参数第17页，共56页，编辑于2022年，星期四3 3 3 3响应光谱响应光谱响应光谱响应光谱光检测器的光检测器的光检测器的光检测器的特性参数特性参数特性参数特性参数光检测器性能参数光检测器性能参数对确定的半导体检测材料，对确定的半导体检测材料，只有波长小于截止波长的只有波长小于截止波长的光才能被检
17、测到，并且探光才能被检测到，并且探测器的量子效率随着波长测器的量子效率随着波长的变化而变化，这种特性的变化而变化，这种特性被称做响应光谱。被称做响应光谱。第18页，共56页，编辑于2022年，星期四SiSi：C C=1.06=1.06 mm，使用范围：，使用范围：，使用范围：，使用范围：0.51.0 0.51.0 mmGeGe：C C=1.6=1.6 mm，使用范围：，使用范围：，使用范围：，使用范围：1.11.6 1.11.6 mmInGaAsInGaAs：C C=1.6=1.6 mm，使用范围：，使用范围：，使用范围：，使用范围：1.11.6 1.11.6 mm光检测器的光检测器的光检测器
18、的光检测器的特性参数特性参数特性参数特性参数光检测器性能参数光检测器性能参数在短波长段，材料的吸收在短波长段，材料的吸收在短波长段，材料的吸收在短波长段，材料的吸收吸收系数变得很大，因此吸收系数变得很大，因此吸收系数变得很大，因此吸收系数变得很大，因此光子在接近光检测器的表光子在接近光检测器的表光子在接近光检测器的表光子在接近光检测器的表面就被吸收了，电子空面就被吸收了，电子空面就被吸收了，电子空面就被吸收了，电子空穴对的寿命极短，结果载穴对的寿命极短，结果载穴对的寿命极短，结果载穴对的寿命极短，结果载流子在由光检测器电路收流子在由光检测器电路收流子在由光检测器电路收流子在由光检测器电路收集以
19、前就已经复合了。集以前就已经复合了。集以前就已经复合了。集以前就已经复合了。第19页，共56页，编辑于2022年，星期四半导体材料Si禁带宽度Eg/eV1.17波长/nm1067Ge0.7751610GaAs1.424876InP1.35924AlGaAs1.421.92879650InGaAs0.751.2416641006InGaAs0.751.351664924光检测器的光检测器的光检测器的光检测器的特性参数特性参数特性参数特性参数光检测器性能参数光检测器性能参数常用半导体材料的禁带宽度和对应的波长常用半导体材料的禁带宽度和对应的波长第20页，共56页，编辑于2022年，星期四4 4 4
20、 4响应时间响应时间响应时间响应时间是用来反映光检测器对瞬变或高速调制光信号响应能力的参数。是用来反映光检测器对瞬变或高速调制光信号响应能力的参数。可以用光检测器输出脉冲的上升时间和下降时间来表示。可以用光检测器输出脉冲的上升时间和下降时间来表示。一般光检测器的产品技术指标中给出的是上升时间，对于一般光检测器的产品技术指标中给出的是上升时间，对于PINPIN管而言，通常上升时间管而言，通常上升时间t tr 1nsr 7Q7Q7Q7，BER10E-12 BER10E-12 BER10E-12 BER10E-12通常通常通常通常:2.5Gb/s2.5Gb/s2.5Gb/s2.5Gb/s系统的接收灵
21、敏度系统的接收灵敏度系统的接收灵敏度系统的接收灵敏度对应于对应于对应于对应于BER=10E-9BER=10E-9BER=10E-9BER=10E-9；10Gb/s10Gb/s10Gb/s10Gb/s系统的接收灵敏度对应系统的接收灵敏度对应系统的接收灵敏度对应系统的接收灵敏度对应于于于于BER=10E-10BER=10E-10BER=10E-10BER=10E-10；光接收机的技术指标光接收机的技术指标光接光接光接光接收机收机收机收机第46页，共56页，编辑于2022年，星期四接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度PINPINPINPIN光接收机的灵敏度：光接收机的灵敏度：光接收机的灵
22、敏度：光接收机的灵敏度：M=1M=1M=1M=1，且热噪声占优势，且热噪声占优势，且热噪声占优势，且热噪声占优势APDAPDAPDAPD光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度灵敏度最高时的最佳灵敏度最高时的最佳灵敏度最高时的最佳灵敏度最高时的最佳M M M M值为：值为：值为：值为：光接光接光接光接收机收机收机收机光接收机的技术指标光接收机的技术指标第47页，共56页，编辑于2022年，星期四 光接收机灵敏度的恶化光接收机灵敏度的恶化光接收机灵敏度的恶化光接收机灵敏度的恶化实际光发送机发出的光信号并非理想比特流，并在光纤传实际光发送机发出的光信号并非理想比特流，并在光
23、纤传输过程中可能变形。在这种非理想条件下，与仅考虑接收输过程中可能变形。在这种非理想条件下，与仅考虑接收机噪声而导出的灵敏度值相比，接收机要求的最小平均光机噪声而导出的灵敏度值相比，接收机要求的最小平均光功率增大了，这个增量称为功率增大了，这个增量称为功率代价功率代价功率代价功率代价，也称也称灵敏度恶化灵敏度恶化灵敏度恶化灵敏度恶化。其影响因素很多。其影响因素很多。光接光接光接光接收机收机收机收机光接收机的技术指标光接收机的技术指标第48页，共56页，编辑于2022年，星期四8 10Gb/s 80km G.652光纤传输实验光纤传输实验-误码特性误码特性功率代价功率代价功率代价功率代价光接收机
24、的技术指标光接收机的技术指标光接光接光接光接收机收机收机收机第49页，共56页，编辑于2022年，星期四第第4 4章章 光检测器和光接收器光检测器和光接收器光检测器的工作原理光检测器的工作原理 光检测器的特性参数光检测器的特性参数光光 接接 收收 机机光收发合一模块光收发合一模块第50页，共56页，编辑于2022年，星期四光收发合一模块光收发合一模块涉涉及及到到好好多多电电接接口口知知识识和和光光接接口口知知识识，有有兴兴趣趣的的同同学学可可以以查查阅阅相关的资料。相关的资料。第51页，共56页，编辑于2022年，星期四掌握光检测器的工作原理。掌握光检测器的工作原理。掌握掌握PINPIN光电二
25、极管和光电二极管和APDAPD雪崩光电二极管的工作原理。雪崩光电二极管的工作原理。掌握评价光检测器的性能指标。掌握评价光检测器的性能指标。了解光检测器的噪声特性。了解光检测器的噪声特性。掌握数字光接收机的基本组成掌握数字光接收机的基本组成 部分及其作用。部分及其作用。掌握误码率和灵敏度的基本概念。掌握误码率和灵敏度的基本概念。了解光收发合一模块。了解光收发合一模块。本本 章章 小小 结结第52页，共56页，编辑于2022年，星期四1 1 1 1、通过分析、通过分析、通过分析、通过分析p-np-np-np-n结来分析半导体光电二极管实现光电检测的机制。结来分析半导体光电二极管实现光电检测的机制。
26、结来分析半导体光电二极管实现光电检测的机制。结来分析半导体光电二极管实现光电检测的机制。2 2 2 2、比较、比较、比较、比较PNPNPNPN型型型型PDPDPDPD、PINPINPINPIN型型型型PDPDPDPD、以及、以及、以及、以及APDAPDAPDAPD的优缺点。的优缺点。的优缺点。的优缺点。3 3 3 3、什么是误码率？如何改善它？、什么是误码率？如何改善它？、什么是误码率？如何改善它？、什么是误码率？如何改善它？P112P112P112P112：4.8 4.114.8 4.114.8 4.114.8 4.11作业作业本节结束，谢谢！本节结束，谢谢！第53页，共56页，编辑于202
27、2年，星期四眼图眼图 眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。观察眼图的方法是：用一个示波器跨接在接收滤器上观察到的一种图形。观察眼图的方法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称 为为“眼图眼图”。从。从“眼图眼图”上可上可 以观察出码间串扰和噪声的影响，
28、从而估计系以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小统优劣程度。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。码间串扰和改善系统的传输性能。第54页，共56页，编辑于2022年，星期四眼图眼图 的的“眼睛眼睛”张开的大小反映着码间串扰的强弱。张开的大小反映着码间串扰的强弱。“眼睛眼睛”张的张的 越大，越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。当存在噪声时，噪声将叠加在信号上，观察到的眼图的线迹会变得模糊不清。当存在噪声时，噪声
29、将叠加在信号上，观察到的眼图的线迹会变得模糊不清。若同时存在码间串扰若同时存在码间串扰 ，“眼睛眼睛”将将 张开得更小。与无码间串扰时的眼图相张开得更小。与无码间串扰时的眼图相比，原来清晰端正的细线迹，变成了比较模糊的带状线，而且不很端正。噪声比，原来清晰端正的细线迹，变成了比较模糊的带状线，而且不很端正。噪声越大，线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，眼图越不端正。越大，线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，眼图越不端正。第55页，共56页，编辑于2022年，星期四（1 1）最佳抽样时刻应）最佳抽样时刻应 在在“眼睛眼睛”张开最大的时刻。张开最大的时刻。（2 2）对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定
30、。斜率越大，对定时误差就越）对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。斜率越大，对定时误差就越灵敏。灵敏。（3 3）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。（4 4）眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平。）眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平。（5 5）在抽样时刻上，上下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各相应）在抽样时刻上，上下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。（6 6）对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相）对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重交的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要的影响。要的影响。返回返回第56页，共56页，编辑于2022年，星期四