第7-光检测器.ppt

,通信原理(第6版),单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光接收机简介,光接收机的组成,光接收机分为模拟光接收机和数字光接收机两种,数字光接收机框图,数字光接收机分为光电检测器、前置放大器、主放大器、AGC电路、均衡器、判决再生和时钟提取七个部分,光接收机也可以分为三部分：光检测器和前置放大器合起来称为接收机前端，是光接收机的核心；主放大器、均衡滤波器和自动增益控制组成光接收机的线性通道；判决器、译码器和时钟恢复组成光接收机的判决、再生部分,光接收机的性能指标,光接收机主要的性能指标是误码率（,BER,）、灵敏度以及动态范围,误码率是码元被错误判决的概率，可以用在一定的时间间隔内，发生差错的码元数和在这个时间间隔内传输的总码元数之比来表示,接收机灵敏度的定义为：在满足给定能的误码率指标条件下，最低接收的平均光功率,P,min,。在工程上常用,dBm,来表示，即,接收机的最低输出光功率（用,dBm,来描述）和最大允许输入光功率（用,dBm,来描述）之差（,dB,）就是光接收的动态范围,P,max,和,P,min,为保证系统误码率指标条件下，接收机允许的最大接收光功率和最小接收光功率,光检测器,光检测器是光接收机的核心。,光检测器的功能：把光信号转换为电信号。,6,光检测器,光检测器的重要特性,响应度 谱响应 上升时间,响应度是检测器的输出电流与入射光功率的比值,谱响应指检测器响应度与波长之间的相应关系,上升时间是在入射光呈阶跃变化的条件下,检测器的输出电流从最大值的,10%,上升到,90%,所用的时间,9,11,图,7.1,光检测器的上升时间,输入功率波形 检测器输出的电流波形,13,图,7.2,真空光电二极管,真空光电二极管,入射光子 发射电子,阴极 阳极,真空光电二极电管,:,由封装于真空管内的光电阴极和阳极构成。当入射光线穿过光窗照到光阴极上时，由于外光电效应，光电子就从极层内发射至真空。在电场的作用下，光电子在极间作加速运动，最后被高电位的阳极接收，在阳极电路内就可测出光电流，其大小取决于光照强度和光阴极的灵敏度等因素。,光电倍增管,光电倍增管由真空管壳内的光电阴极、阳极以及位于其间的若干个倍增极构成。工作时在各电极之间加上规定的电压。当光或辐射照射阴极时，阴极发射光电子，光电子在电场的作用下逐级轰击次级发射倍增极，在末级倍增极形成数量为光电子的,10,2,10,6,倍的次级电子。众多的次级电子最后为阳极收集，在阳极电路中产生可观的输出电流。,14,15,图,7.3,光电倍增管,入射光子 倍增电极,阴极,阳极,二次发射电子,16,半导体光电二极管,当入射光作用在,PN,结时，光子能量大于或等于带隙能量时，价带的电子通过受激吸收跃迁至导带，形成电子,-,空穴对。当电路闭合时，这些自由载流子的定向流动形成（光）电流。施加反向偏压可以增强光电流。,PN,光电二极管,PIN,光电二极管,雪崩光电二极管（,APD,）,17,PN 结光电二极管,工作原理：当有光照射,PN,结的一边，,P,侧通过吸收光产生电子空穴对，并在内建电场作用下，分别漂移到,N,侧和,P,侧，产生比例与照射光功率的电流流动。,在势垒区外也被吸收，只有势垒区内被吸收的光才能产生光生电流。,18,19,图,7.4,pn,结光电二极管的结构。,(a),反向偏置二极管,(b),pn,结,(c),能级图,电子,能量 自由空穴,的产生 价带,结区,导带 自由电子的产生,一个入射光子经过,p,层以后在结区被吸收。吸收的能量激发一个束缚电子从价带越过带隙到达导带。电子成为自由载流子，能够自由运动。同时，一个空穴留在价带上由电子空出的位置。自由电荷载流子就是以这样的方式通过吸收光子产生的。自由电荷的定向运动在外电路产生了电流。,限制因素：光生电流中的扩散分量，光信号在势垒区外吸收所致。,p,区光生电子和,n,区光生空穴的扩散相当慢，因此扩散电流分量引起时间响应畸变。,克服方法：通过减小,p,区和,n,区厚度减小扩散时间和吸收电能来增大势垒区宽度。,有两种改进方案已在光波系统中得到广泛应用,:,PIN,光电二极管,雪崩光电二极管（,APD,，,Avalanche Photodiode,）,21,22,图,7.5 PIN,光电二极管的结构,本征层,结构：在,PN,结中间夹一层掺杂浓度很低的本征半导体（,I,层）。,工作原理：由于,I,层很厚具有较高电阻，电压基本上落在该区，使势垒区宽度增加，减小扩散运动影响，提高了响应速度。,在中间,InGaAs,层，在,1.3m,1.65m,范围内有很强的吸收。,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,InGaAs,，量子效率可接近,100%,。,长波长波段：,InGaAs,短波长波段：,Si,24,26,图,7.7,硅光电二极管的电流,-,电压特性曲线,电流电压特性,光电二极管电压,光电二极管电流,光电导区域 光伏特区域,27,图,7.8 (a),简单的,PIN,电路,(b),电路特性的图形表示,响应速度,PIN,光电二极管的响应速度受到渡越时间，,即自由电荷穿越耗尽层时间的限制。,较高的反向电压可以减小渡越时间。,器件的电容也会限制响应速度。,28,29,图,7.10 PIN,光电二极管的等效电路,30,图,7.11,电流,-,电压转换器,电流,-,电压转换器,31,图,7.12,在电流,-,电压转换器中，二极管感受的垂直负载线,二极管电压,光功率,负载线,二极管电流,为了获得更高响应度，采用,APD,光电二极管。,工作原理：当光入射到,PN,结时，光子被吸收产生的一次电子,-,空穴对在高电场区获得足够能量而加速运动，使晶格原子电离，产生的二次电子,-,空穴对再和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增。,32,结构：对,p,区、,n,区进行了重掺杂，并在,I,区和,n,区之间引入另一层,p,区作为碰撞电离区，即增益区（倍增区），以产生二次电子空穴对。,区：耗尽区，产生一次电子空穴对。,P,区：增益区，通过雪崩倍增效应，实现光电流放大,33,34,图,7.13,拉通型雪崩光电二极管的结构,电子,-,空穴对的产生 倍增区,耗尽区,拉通型,APD,器件结构：,p,+,pn,+,。,“拉通”,:,反偏压增大到雪崩击穿电压的,90-95%,时，耗尽层刚好“拉通”到几乎是本征的,区。,在工作条件下，虽然,区比,p,区宽得多，其电场也比高场区弱得多，但足以使载流子保持一定的漂移速度，在较宽的区内只需短暂的渡越时间。,这种将吸收区与倍增区溶为一体、而倍增区与漂移区分开的结构特点，使,APD,既得到内部增益，又可以得到高的量子效率和响应速度。,拉通型雪崩光电二极管是以完全耗尽的方式工作的。光经,n+,区进入器件，被吸收后产生电子,-,空穴对，达到,pn,结处，需要电场的加速，通过倍增机理而发生倍增。,在,区中，电场使产生的电子,-,空穴对分开。最终在外面的电路上产生光电流，并在负载电阻上产生电压降。,光电二极管中产生的所有载流子的倍增系数,M,为：,M=I,m,/I,p,I,M,为有倍增时的总输出电流,I,p,为无倍增时的光电流。,PIN,二极管特点：,结构简单，可靠性高。电压低，使用方便。量子效率高。噪声小。带宽较高。,APD,二极管特点：,灵敏度高。高增益。高电压，结构复杂。噪声大。,42,判决，再生过程,