光检测和光接收机

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1、光纤通信与数字传输南京邮电大学通信与信息工程学院本章要点光接收机是光纤通信系统的主要组成部分，它的性能是整个光纤通信系统性能的综合反映。由光发送机发出的光信号在光纤线路中传输时，不仅会受到损耗的影响而造成幅度衰减，同时光纤色散和非线性效应等可能会引起脉冲波形展宽，由此造成的信号质量下降会增加接收机接收信号的难度，这些都对接收机的性能提出了较高的要求。光接收机的主要作用是将经光纤传输后幅度被衰减，波形被展宽的微弱光信号转变为电信号，并经放大处理，恢复为原来的信号。本章教学课时为4学时。24.1半导体光检测器件光检测器的作用是将光纤输出的微弱光信号转变为电信号，它是影响光接收机性能的重

2、要器件。光纤通信系统对光检测器的基本要求是：波长段内响应度或灵敏度要高具有足够的带宽和响应速度由检测器引入的附加噪声必须最低，暗电流、漏电流和并联电导必须最小较低的偏压或偏流，具有高可靠性和长寿命较小的几何尺寸，便于与光纤及其他电路组装3响应度响应度是表示光检测器能量转换效率的一个参数，是光检测器的平均输出电流与平均输入光功率之比。表示为RI/P(AW)(4-1)0p0式中：R——光检测器的响应度0I——光检测器的平均输出电流PP——入射在检测器光敏面上的平均光功率044.1.1光电二极管的工作原理最基本的半导体光检测器是由反向偏置的PN结构成的。自建场的作用使电子和空

3、穴产生了与扩散方向相反的漂移运动。在PN结界面附近形成了高电场的耗尽区。在耗尽区两边，电场场本基本为为0，称为扩散区。耗尽区和扩散区均为光子的吸收区，在入射光照射下，可以吸收光能量产生光生载流子。5图4-1PN结光电二极管RLPNhy扩散区耗尽区扩散区吸收区6图4-2PN结光电二极管工作原理a）PN结b）能带图7图4-3光生载流子慢扩散使响应变慢8反向偏压工作的光电二极管为了克服由于光生载流子扩散速度慢于漂移速度而引起的响应变慢现象，对光电二极管采用反向偏压。反向偏压增加了耗尽区的宽度，从而减少了光生电流中的扩散分量，同时增强的电场也会加快光生载流子的漂移速度，有利于加快光生载流子

4、的响应时间。94.1.2.光电二极管PIN在上述的光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很低的N型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称I层。因此这种结构称为PIN光电二极管。I层较厚，几乎占尽了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。光生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。10图4-4PIN光电二极管结构及各层电场分布11PIN光电二极管的主要特性截止

5、波长和吸收系数响应度和量子效率响应速度线性饱和暗暗流电流噪声12截止波长和吸收系数只有入射光子的能量hf大于半导体材料的禁带宽度E，g才能产生光电效应。因此对一种特定材料的检测器存在着一个下限频率f和相应的上限光波长λ。cchfE或写成cghc1.24/EcgEg式中h为普朗克常数，c为光速，波长λ单位为微米，禁带c宽度E单位为电子伏特。g可见，只有波长小于λ的光才能用由这种材料做成的器件检测。cλ称为器件的截止波长。c13穿透效应半导体的吸收作用随光波长的减小而迅速增强。即α随光波长减小而变大。因此光波长很短时，光在半导体表面就被吸收殆尽，使得光电转换效率很低。

6、这限制了半导体检测器在较短波长上的应用。由上分析可见：要检测某波长的入射光，必须要选择由适当材料做成的检测器。一方面由其禁带宽度决定的截止波长要大于入射光波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。另方另一方面面，吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。14响应度和量子效率响应度和量子效率是表示光电二极管能量转换效率的参数。若入射光功率为P时产生的光电流为I，则响应度R定义为：0p0RI/P0p0（A/w）（4-3）量子效率定义为光电转换产生的电子空穴对数Ip/eIphf（4-4）入射光子数P/hfPe00由4-3、4-4可知：eeR0(AW)（4-5）hfh

7、c式中e为电子电量，λ为光波长，h为普朗克常数，c为光速。15图4-5几种材料的PIN管R，η，λ的关系曲线016响应速度PIN光电二极管的响应速度可以用响应时间或截止频率来表示。响应时间取决于光检测电路的上升时间、载流子在耗尽层中的渡越时间和耗尽区外载流子的扩散时间。17线性饱和光检测器电路有一定的光功率检测范围。当入射光功率太大时，光电流和光功率将不成正比，从而产生非线性失真。随着输入光功率和输出电流的增大，检测电路中负载电阻上的压降增大，光光管电管上实际压降减小