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1、第4章 光检测器与光接收机1 1 光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是：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。光接收机通常由光接收机通常由光检测器光检测器、前置放大器前置放大器、主放大器主放大器和和滤滤波器波器等组成，在数字光接收机中，还要增加等组成，在数字光接收机中，还要增加判决、时钟提取判决、时钟提取和和自动增益控制自动增益控制(AGC)等电路。等电路。本章介绍本章介绍:1、光接收机总体介绍、光接收机总体介绍 2、光检测器原理、结构与特性；、光检测器原理、结构与特性；第4章 光
2、检测器与光接收机2 2 3 3、讨讨论论接接收收机机前前端端的的噪噪声声特特性性、模模拟拟及及数数字字接接收收机机的的性性能能，如如信噪比或误码率、接收灵敏度等；信噪比或误码率、接收灵敏度等；4 4、分析各种接收机前置放大器特性及典型应用电路；、分析各种接收机前置放大器特性及典型应用电路；5 5、介绍数字接收机重要指标：误码率和接收灵敏度。、介绍数字接收机重要指标：误码率和接收灵敏度。3 3光电检测器光电检测器(光电二极管或雪崩光电二极管光电二极管或雪崩光电二极管)对光信号解调，将光信对光信号解调，将光信号转换为电信号。号转换为电信号。图4.1 直接检测数字光接收机框图 光电检测器的输出电流信
3、号很小，必须由光电检测器的输出电流信号很小，必须由低噪声前置放大器低噪声前置放大器进行放进行放大。大。光电检测器和前置放大器构成光接收机前端，其性能是决定接收灵光电检测器和前置放大器构成光接收机前端，其性能是决定接收灵敏度的主要因素。敏度的主要因素。4 4主放大器与均衡滤波器主放大器与均衡滤波器构成接收机的线性通道，构成接收机的线性通道，对信号进行高增益对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。放大与整形，提高信噪比，减少误码率。判决器和时钟恢复电路判决器和时钟恢复电路对信号进行再生对信号进行再生。如果在发送端进行了线路编。如果在发送端进行了线路编码，在接收端则应有相应的译码电路。码
4、，在接收端则应有相应的译码电路。光接收机性能优劣的主要技术标志是：光接收机性能优劣的主要技术标志是：接收灵敏度接收灵敏度、误码率或信噪比误码率或信噪比、带宽和动态范围带宽和动态范围 降低输入端噪声、提高灵敏度、降低误码率是光接收机理论的中心降低输入端噪声、提高灵敏度、降低误码率是光接收机理论的中心问题。问题。5 54.1 4.1 光电二极管光电二极管 光电二极管光电二极管光检测器是两种半导体光电二极管：光检测器是两种半导体光电二极管：PIN PIN 光电二极管光电二极管 APD APD 雪崩光电二极管雪崩光电二极管4.1.1 4.1.1 光检测器的物理基础光检测器的物理基础 当入射到检测器上的
5、光子能量（当入射到检测器上的光子能量（hvhv）等于或大于半导体材料的带隙宽）等于或大于半导体材料的带隙宽度时，价带中的电子吸收了光子能量而跃迁到导带，产生自由的电子度时，价带中的电子吸收了光子能量而跃迁到导带，产生自由的电子空空穴对。在外电路中产生电流，即光生电流穴对。在外电路中产生电流，即光生电流I IP P：（）（）式中，式中，R为光检测器的响应度，单位为为光检测器的响应度，单位为A/W。6 61.量子效率量子效率 光电二极管的量子效率光电二极管的量子效率 表示入射光子转换成光电子的效率，表示入射光子转换成光电子的效率，它定义为单位时间内产生的电子数与入射光子数之比，即它定义为单位时间内
6、产生的电子数与入射光子数之比，即 (4.1.2)(4.1.2)7 7(4.1.3)(4.1.3)式中式中为为mm，可，可见见响应度随波长增加而增大。但光子能量响应度随波长增加而增大。但光子能量hvhv低于带隙低于带隙能量能量EgEg时，上式失效时，上式失效 ，00。2.响应度响应度 量子效率量子效率与波长与波长的关系起因于半导体材料的吸收系数的关系起因于半导体材料的吸收系数()()。当入射光通过宽度为当入射光通过宽度为w w的平板半导体材料时，的平板半导体材料时，透射光功率：透射光功率：Pt=exp(-w)Pin Pt=exp(-w)Pin 吸收光功率：吸收光功率：Pab=Pin-Pt=Pab
7、=Pin-Pt=1-exp(-w)1-exp(-w)PinPin。由于每个被吸收的光子产生一电子由于每个被吸收的光子产生一电子-空穴对，则量子效率空穴对，则量子效率又可表又可表示为示为 8 8(4.1.4)(4.1.4)式中：式中：P Pabab为吸收功率，为吸收功率，P Pinin为入射光功率；为入射光功率；(入入)为材料的吸收系数，其为材料的吸收系数，其大小与材料性质有关，且是波长的函数。大小与材料性质有关，且是波长的函数。显然，显然，=0=0时，时，=0=0；w1w1时，时，11 光检测器有两种基本类型：光电导检测器和光电压检测器。光检测器有两种基本类型：光电导检测器和光电压检测器。图图
8、4.24.2所示具有欧姆接触的同质结半导体平板是一种简单的光电导检所示具有欧姆接触的同质结半导体平板是一种简单的光电导检测器。半导体材料的电导率很低，当没有入射光时，电流很小；测器。半导体材料的电导率很低，当没有入射光时，电流很小；当入射光照射时，产生了电子当入射光照射时，产生了电子空穴，增大了电导率，并使电流与空穴，增大了电导率，并使电流与入射光功率成比例增大。入射光功率成比例增大。9 9图4.2 光电导检测器 光电压检测器基于无光照射时阻止电流流动的内建电场工作，由吸光电压检测器基于无光照射时阻止电流流动的内建电场工作，由吸收光产生的电子收光产生的电子空穴对越过内建电场，形成电流流动。空穴
9、对越过内建电场，形成电流流动。1010 反偏反偏PNPN结是一种简单的结是一种简单的光电压检测器光电压检测器，具有高灵敏度和快速响应速率，具有高灵敏度和快速响应速率，在光波系统得到普遍应用。在光波系统得到普遍应用。图4.4 PN光电二极管的工作原理（a）通常，一反偏通常，一反偏 PN PN 结由一个称为耗尽区的区域组成。由于反向电压作结由一个称为耗尽区的区域组成。由于反向电压作用，区内完全没有自由载流子，但有一个高的内建电场阻止电子从用，区内完全没有自由载流子，但有一个高的内建电场阻止电子从N N区流区流到到P P区区(空穴从空穴从P P区流到区流到N N区区)。1111 当有光照射当有光照射
10、PNPN结的一边，结的一边，如图如图4.44.4所示所示P P侧，就通过吸侧，就通过吸收光而产生了电子收光而产生了电子空穴对，空穴对，并在高的内建电场作用下，并在高的内建电场作用下，耗尽区内产生的电子耗尽区内产生的电子空穴空穴分别向相反的方向加速，漂分别向相反的方向加速，漂移到移到N N侧和侧和P P侧，产生了比例侧，产生了比例于照射光功率的电流流动。于照射光功率的电流流动。图4.4PN光电二极管的工作原理(a)反偏PN结及其耗尽区；(b)PN结内的光功率变化；(c)能带图及由耗尽区内外漂移和扩散导致的载流子运动。1212 这样，一个反偏这样，一个反偏PNPN结就构成了光电检测器，并称为结就构
11、成了光电检测器，并称为PNPN光电二极管。光电二极管。对这种简单的光电二极管作一些改进，就可使这种光电二极管的性对这种简单的光电二极管作一些改进，就可使这种光电二极管的性能得到很大的提高。能得到很大的提高。现有两种改进方案已在光波系统中得到广泛应用：现有两种改进方案已在光波系统中得到广泛应用：一种称为一种称为PINPIN光电二极管；光电二极管；另一种称为雪崩光电二极管另一种称为雪崩光电二极管(APD)(APD)。下面分别对这三类（下面分别对这三类（PNPN、PINPIN、APDAPD）光电二极管进行讨论。）光电二极管进行讨论。13134.1.2 PN4.1.2 PN光电二极管光电二极管 如图如
12、图4.44.4所示，入射光从所示，入射光从 P P侧进入，在耗尽区内、外被吸收，在耗尽侧进入，在耗尽区内、外被吸收，在耗尽区内产生的电子区内产生的电子空穴对，并在内建场的作用下分别向两侧运动，产生空穴对，并在内建场的作用下分别向两侧运动，产生光电流，其值为光电流，其值为 由光功率输入转换为光电流输出，有一时间迟后，其值主要决定了载由光功率输入转换为光电流输出，有一时间迟后，其值主要决定了载流子通过耗尽区的渡越时间：流子通过耗尽区的渡越时间：trtr=w/v=w/vs s 其中，其中，w w为耗尽区宽度，为耗尽区宽度，v vs s为平均漂移速度，典型值为为平均漂移速度，典型值为w10m,w10m
13、,vs=vs=cm/s,cm/s,trtr100ps100ps，很小，因而，很小，因而PNPN光电二极管能检测光电二极管能检测1Gb/s1Gb/s的数字的数字光脉冲。光波系统应用要求光照射产生光电流的响应时间越短越好。光脉冲。光波系统应用要求光照射产生光电流的响应时间越短越好。1414 PNPN光电二极管的限制因素是在产生的光电流中存在扩散分量，它与光电二极管的限制因素是在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。耗尽区外的光吸收有关。例如，在例如，在P P区产生的电子漂移到区产生的电子漂移到N N区以后先扩散到耗尽区边界，在区以后先扩散到耗尽区边界，在N N区产生的空穴也扩散到耗
14、尽区边界，扩散运动比漂移运动慢得多，这部区产生的空穴也扩散到耗尽区边界，扩散运动比漂移运动慢得多，这部分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拖尾加长，分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拖尾加长，影响光电二极管的响应速度。影响光电二极管的响应速度。当缩短当缩短P P区和区和N N区的宽度，增加耗尽区的宽度，使大部分入射光功率区的宽度，增加耗尽区的宽度，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，也可降低扩散的影响。在耗尽区吸收，也可降低扩散的影响。1515图4.5考虑漂移和扩散运动时PN光电二极管对矩形光脉冲的响应 图图4.54.5显示，扩散分量显示，扩散分量的存在将导致光电
15、二极的存在将导致光电二极管瞬态响应的失真。管瞬态响应的失真。1616图4.4 PN光电二极管的工作原理(4-1-2 PIN光电二极管的工作原理动画示意图)4.1.3 PIN4.1.3 PIN光电二极管光电二极管 在在pn结的中间插入一层本结的中间插入一层本征半导体材料：征半导体材料：增大耗尽层的宽度增大耗尽层的宽度 w 减小载流子扩散运动的影响减小载流子扩散运动的影响 提高响应速度。提高响应速度。这种结构称为这种结构称为PINPIN光电二光电二极管极管。（4-1-1PIN光电二极管结构及场强分布动画示意图)1717 通过插入中间层增大耗尽层宽度通过插入中间层增大耗尽层宽度w w，达到了减小扩散
16、分量的目的，而，达到了减小扩散分量的目的，而且也有利于提高响应度且也有利于提高响应度 R R 和量子效率和量子效率。但是过大的耗尽区宽度将延长载流子通过耗尽区的漂移时间，导致响但是过大的耗尽区宽度将延长载流子通过耗尽区的漂移时间，导致响应变慢，因此要根据具体情况合理折衷选取。应变慢，因此要根据具体情况合理折衷选取。采用双异质结设计能显著提高采用双异质结设计能显著提高PINPIN光电二极管的性能，类似于半导体光电二极管的性能，类似于半导体激光器，激光器，I I层夹在另一种半导体的层夹在另一种半导体的P P层和层和N N层中间，其带隙的选取使光仅在层中间，其带隙的选取使光仅在中间中间I I层吸收。
17、层吸收。通常用于光波系统的通常用于光波系统的 PIN PIN 光电二极管采用光电二极管采用InGaAsInGaAs作为中间层，用作为中间层，用InP InP 作为作为 P P 层和层和 N N 层的覆盖层，图层的覆盖层，图4.6(b)4.6(b)给出了这种给出了这种InGaAs PINInGaAs PIN光电二极管光电二极管的结构。的结构。1818图4.6 PIN光电二极管的工作原理 (a)PIN光电二极管及在反偏时各层的场分布；(b)InGaAs PIN光电二极管的结构。1919在中间在中间 InGaAs InGaAs 层，层，在在 1.3 1.31.6m1.6m范范围内有很强围内有很强的吸
18、收的吸收 由于光子仅在耗尽区内吸收，完全消除了扩散分量，采用几微米厚的由于光子仅在耗尽区内吸收，完全消除了扩散分量，采用几微米厚的 InGaAs,InGaAs,量子效率可接近量子效率可接近100%100%这种这种 InGaAs 光电二极管广泛用于光电二极管广泛用于 1.3 和和 1.5m 的光接收机中。的光接收机中。图4.6 PIN光电二极管的工作原理2020 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)结构如图结构如图6.76.7所示，该管结构设计上能承受所示，该管结构设计上能承受高反向偏压，在高反向偏压，在PNPN结内部形成一高电场区结内部形成一高电场区(3103105 5V Vcm)
19、cm)，入射光，入射光功率产生的电子功率产生的电子空穴经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，空穴经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使这些高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使晶格中的原子电离，产生新的电子晶格中的原子电离，产生新的电子空穴对。空穴对。新产生的电子新产生的电子空穴受到同样加速运动，又与原子碰撞电离，产空穴受到同样加速运动，又与原子碰撞电离，产生电子生电子空穴对，称为二次电子空穴对，称为二次电子空穴对。空穴对。如此重复，使载流子和反向电流迅速增大，这个物理过程与光电如此重复，使载流子和反向电流迅速增
20、大，这个物理过程与光电倍增管类似，称为雪崩倍增效应。倍增管类似，称为雪崩倍增效应。4.1.4 4.1.4 APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管 2121(4-1-3 雪崩光电二极管光电转换原理动画示意图)图4.7 APD光电二极管的工作原理(a)APD光电二极管及在反偏时各层的场分布；(b)拉通型APD结构。2222 雪崩过程倍增了一次光电流，使之得到放大，可用倍增增益雪崩过程倍增了一次光电流，使之得到放大，可用倍增增益 M M 表示表示定义倍增增益为定义倍增增益为 M MI Ie eI I0 0 式中，式中，I I0 0为一次光电流，为一次光电流，I Ie e 为倍增输出电流的平均值。为倍增输
21、出电流的平均值。APD APD与与PINPIN光电二极管的不同主要表现在增加了一个附加层，以实现碰光电二极管的不同主要表现在增加了一个附加层，以实现碰撞电离产生二次电子撞电离产生二次电子空穴对，在反偏时夹在空穴对，在反偏时夹在I I层和层和N N层间的层间的P P层中存在高层中存在高电场。电场。该层称为倍增区或增益区，耗尽层仍为该层称为倍增区或增益区，耗尽层仍为I I层，起产生一次电子层，起产生一次电子空穴空穴的作用。的作用。2323电流增益或倍增因子电流增益或倍增因子 M M 定义为定义为(4.1.9)(4.1.9)式中式中，k kA A=h h/e e ，碰撞电离系数；，碰撞电离系数；h与
22、与e 分别为空穴和电子碰撞分别为空穴和电子碰撞电离系数电离系数。由于光生电流的倍增增益，因而由于光生电流的倍增增益，因而APDAPD光电二极管的响应度亦增加光电二极管的响应度亦增加M M倍，即倍，即 （）（）2424 为为了了使使载载流流子子获获得得高高能能量量以以产产生生雪雪崩崩效效应应，雪雪崩崩区区需需建建立立高高电电场，因此场，因此APDAPD工作时的偏置电压较高，达几百伏。工作时的偏置电压较高，达几百伏。例例如如，对对于于SiSi材材料料，在在0.850.85 m m附附近近，为为了了获获得得高高的的量量子子效效率率，耗耗尽尽层层厚厚达达30305050 m m。要要在在这这么么宽宽的
23、的区区域域内内建建立立雪雪崩崩效效应应，偏偏置置电电压高达压高达500V500V以上，这对使用十分不利。以上，这对使用十分不利。为为了了降降低低偏偏置置电电压压，须须设设法法使使雪雪崩崩过过程程仅仅发发生生在在很很薄薄的的区区域域内内，即即仅仅在在该该区区域域内内才才有有雪雪崩崩所所需需的的高高电电场场(3(3 10105 5V Vcm)cm)，其其余余区区域域的的电场则较低电场则较低(约约1101104 4V Vcmcm)。2525 按按这这种种设设想想设设计计的的APDAPD就就是是 所所 谓谓 拉拉 通通(reach(reachthrough)through)型或型或RAPDRAPD。这
24、这种种APDAPD的的工工作作电电压压约约200V200V，其中，其中50V50V降在倍增区。降在倍增区。图6.9 Si-RAPD结构示意图及电场分布（4-1-4雪崩光电二极管RAM-APD的结构）2626表表4.1 两种典型光两种典型光电电二极管的主要参数二极管的主要参数管型管型管型管型参数参数参数参数InGaAs-PINInGaAs-PINInGaAs-InGaAs-APDAPD工作波工作波工作波工作波长长长长()/)/mm1.301.301.551.551.551.55量子效率（量子效率（量子效率（量子效率（）/%/%757560607575响响响响应应应应度（度（度（度（R R）/(A/W)/(A/W)0.780.780.780.780.940.94暗暗暗暗电电电电流（流（流（流（Id Id）/nA/nA0.10.10.10.12020截止截止截止截止频频频频率率率率(fc)/GHz(fc)/GHz2.02.02.02.03.03.0电电电电容容容容(Ct)/pF(Ct)/pF1.11.11.11.10.50.5典型典型典型典型应应应应用用用用622Mb/s622Mb/s系系系系统统统统622Mb/s622Mb/s系系系系统统统统2.5Gb/s2.5Gb/s系系系系统统统统2727