光检测器和光接收机ppt课件.ppt

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1、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 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当一个光子被半导体吸收就产生一个电子空穴对。在外空穴对。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

2、并形成电流流动，称为光电流光电流，其电流大小，其电流大小Ip与入射光功与入射光功率率Pin成比例：成比例：inpRPI光检测器光检测器偏置电压PNPN光电二极管光电二极管 光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电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，从而在电阻路中出现了光电流，从而在电阻R R上有信号电压输出。这样就上有信号电压输出。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。实现了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，N N接正。由图可见，外加负偏压产生的接正。由图可见，外加负偏压产生的电场方向与内建电场方

3、向一致，有利于耗尽区的加宽。（耗电场方向与内建电场方向一致，有利于耗尽区的加宽。（耗尽区的加宽可以改善光电检测器响应速度和转换效率）尽区的加宽可以改善光电检测器响应速度和转换效率） hEg 或或 hc/ Eg (=c/) 当入射光子的能量小于当入射光子的能量小于E Eg g时，不论入射光多强，光电效时，不论入射光多强，光电效应也不会发生。应也不会发生。所以光电效应必须满足：所以光电效应必须满足：PNPN光电二极管光电二极管PNPN光电二极管光电二极管PNPN光电二极管光电二极管trdtwv耗尽区耗尽区的宽度的宽度载流子的平载流子的平均漂移速度均漂移速度PINPIN光电二极管光电二极管大部分光子

4、在大部分光子在I I区被吸收，从而增加了量子效率；区被吸收，从而增加了量子效率；同时，扩散电流却很小。同时，扩散电流却很小。PINPIN光检测器反向偏压可光检测器反向偏压可以取较小的值，因为其耗尽区厚度基本上是由以取较小的值，因为其耗尽区厚度基本上是由I I区区的宽度决定的。的宽度决定的。I I区的宽度也不是越宽越好，宽度区的宽度也不是越宽越好，宽度w w越大，载流子在越大，载流子在耗尽区的漂移时间就越长，对带宽的限制也就越大，耗尽区的漂移时间就越长，对带宽的限制也就越大，故需综合考虑。故需综合考虑。由于不同半导体材料对不同波长的光吸收系数不同，由于不同半导体材料对不同波长的光吸收系数不同，所

5、以本征区的宽度选取也各不相同，带宽和使用的光所以本征区的宽度选取也各不相同，带宽和使用的光波段范围不同。波段范围不同。PINPIN光电二极管光电二极管PINPIN光电二极管光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管APDAPD1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 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。APD光电二极

6、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VBV55105光检测器的

7、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VBV15040020402030光检测器的比较光检测器的比较第第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光检测器性能参数光检测器性能参数入射光（功率为入射光（功率为P Pi

8、nin）中含有大量光子，能转换为光生电流）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。hPqI/inP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inPPIR 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应，它的响应度可表示为PINAPDMRhMqR对于对于PINPIN，R R的典型值范围是的典型值

9、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之间之间光检测器性能参数光检测器性能参数gEhcgEhc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。光检测器性能参数光检测器性能参数半导体材料Si禁带宽度Eg/eV1.17波长 /nm1067Ge0.7751610GaAs1.42487

10、6InP1.35924AlGaAs1.421.92879650InGaAs0.751.2416641006InGaAs0.751.351664924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

11、言，通常上升时间t tr r 1ns 1ns；对于；对于APDAPD管而言，该值小于管而言，该值小于0.5 ns0.5 ns。是指光检测器上无光入射时的电流。是指光检测器上无光入射时的电流。温度越高，受温度激发的电子数量越多，暗电流越大。温度越高，受温度激发的电子数量越多，暗电流越大。暗电流最终决定了能被检测到的最小光功率，也就是光暗电流最终决定了能被检测到的最小光功率，也就是光电二极管的灵敏度。电二极管的灵敏度。光检测器性能参数光检测器性能参数第第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

12、收发合一模块光收发合一模块光接收机光接收机光接收机的前端光接收机的前端要视具体应用场合而定。要视具体应用场合而定。 PIN光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工作电压，响应速度快。的工作电压，响应速度快。 APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵敏最大的优点是它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和温度补偿电路。度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。 从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用PIN光光电二极管作光探测器。电二极管作光探测器。的主要作用是保持探

13、测的电信号不失真的主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管(FET)。PIN/FET和和APD/FET。光接收机的前端光接收机的前端 根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案： 低阻抗前端低阻抗前端 高阻抗前端高阻抗前端 跨（互）阻抗前端跨（互）阻抗前端光接收机的前端光接收机的前端光接收机的前端光接收机的前端光接收机的线性通道光接收机的线性通道判决再生与时钟提取判决再生与时钟提取 判决、再生过程判决、再生过程判决再生与时钟提取判决再生与时钟提取光接收机的噪声特性光接

14、收机的噪声特性 光接收机的噪声将影响信噪比光接收机的噪声将影响信噪比SNRSNR和通信质量。和通信质量。主要来自光电探测器和前置放大器的噪声。分主要来自光电探测器和前置放大器的噪声。分为两类：为两类：和和。光接收机的噪声特性光接收机的噪声特性光接收机的噪声特性光接收机的噪声特性光接收机的噪声特性光接收机的噪声特性光接收机的噪声特性光接收机的噪声特性光接收机的噪声特性光接收机的噪声特性 22/pIfFnRkTfRPqPRSNRLinin)/(4)(222f光接收机的噪声特性光接收机的噪声特性 22)4/(innLPRfkTFRSNR)(222hPffhPfqRPSNRinininBhPhENin

15、pp/BNfSNRp2光接收机的噪声特性光接收机的噪声特性 fFRkTfIRPFqMMRPISNRnLdinAinTsp)/( 4)(2)(22222222)4/(innLPRMfkTFRSNR)(22hPfFfqFRPSNRinAAin光接收机的噪声特性光接收机的噪声特性光接收机的技术指标光接收机的技术指标接收机工作于接收机工作于某一误码率某一误码率所要求的所要求的最小平均接收光功率。灵敏度是光接收机的重要最小平均接收光功率。灵敏度是光接收机的重要指标，描述了其准确检测光信号的能力。指标，描述了其准确检测光信号的能力。 接收机判决电路接收机判决电路 错误确定一个比错误确定一个比 特的概率。特

16、的概率。二进制信号的误码概率二进制信号的误码概率I1I0光接收机的技术指标光接收机的技术指标I1I0二进制信号的误码概率二进制信号的误码概率光接收机的技术指标光接收机的技术指标二进制信号的误码概率二进制信号的误码概率I1I0光接收机的技术指标光接收机的技术指标二进制信号的误码概率二进制信号的误码概率I1I0光接收机的技术指标光接收机的技术指标)2()2(410011IIerfcIIerfcBERDD0101100011IIIBERQIIIIDDD最小，此时时，2)2/exp()2(212QQQerfcBER0101IIQ光接收机的技术指标光接收机的技术指标光接收机的技术指标光接收机的技术指标/

17、MQfFqRQPTArRQPTPINr/)()1()/2()(2AoptAAPDrkMkQRfqP2/12/12/1)() 1(fQqkkfQqkMoptATATA光接收机的技术指标光接收机的技术指标 实际光发送机发出的光信号并非理想比特流，并实际光发送机发出的光信号并非理想比特流，并在光纤传输过程中可能变形。在这种非理想条件在光纤传输过程中可能变形。在这种非理想条件下，与仅考虑接收机噪声而导出的灵敏度值相比，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功率增大了，这个增量接收机要求的最小平均光功率增大了，这个增量称为称为，也称也称。其影响因素很。其影响因素很多。多。光接

18、收机的技术指标光接收机的技术指标-20.5-20.0-19.5-19.0-18.5-18.0-17.5-17.0-16.5-16.0-15.510-20.5-20.0-19.5-19.0-18.5-18.0-17.5-17.0-16.5-16.0-15.51010-410-510-610-710-810-910-108-ch after 80kmback-to-back1558.161557.351556.56 1555.761554.931554.151553.341552.54back-to-backBit Error RateReceived Optical Power(dBm)光接收机

19、的技术指标光接收机的技术指标第第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光收发合一模块光收发合一模块涉及到好多电接口知识和光接口知识，有兴趣的同学可涉及到好多电接口知识和光接口知识，有兴趣的同学可以查阅相关的资料。以查阅相关的资料。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。

20、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 结结作业作业本节结束，谢谢！本节结束，谢谢！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波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫在接收滤波器的输出端，

21、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，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。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。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

22、。 “ “眼睛眼睛”张张的的 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。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。若同时存在码间串扰糊不清。若同时存在码间串扰 ， “ “眼睛眼睛”将将 张开得更小。与无码间张开得更小。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。噪声越大，线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，线，而且不很端正。噪声越大，

23、线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，眼图越不端正。眼图越不端正。（ 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。斜率越大，对定时）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。误差就越灵敏。（ 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）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。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）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。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。（ 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）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要的影响。的大小对提取定时信息有重要的影响。返回返回