光探测和光接收机.ppt

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1、光探测和光接收机现在学习的是第1页，共51页本章内容本章内容n对光检测器的基本要求对光检测器的基本要求nPN结光电检测原理结光电检测原理nPIN光电二极管光电二极管nAPD雪崩光电二极管雪崩光电二极管nMSM光电探测器光电探测器n单行载流子光电探测器单行载流子光电探测器n波导光电探测器波导光电探测器n数字光接收机数字光接收机现在学习的是第2页，共51页对光检测器的基本要求对光检测器的基本要求1.在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光检测器能输出尽可能大的光电流。，光检测器能输出尽可能大的光电流。2.波长响应要和光

2、纤的三个低损耗窗口兼容。波长响应要和光纤的三个低损耗窗口兼容。3.有足够高的响应速度和足够的工作带宽。有足够高的响应速度和足够的工作带宽。4.产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。5.光电转换线性好，保真度高。光电转换线性好，保真度高。6.工作性能稳定，可靠性高，寿命长。工作性能稳定，可靠性高，寿命长。7.功耗和体积小，使用简便。功耗和体积小，使用简便。现在学习的是第3页，共51页光纤通信常用的光电检测器光纤通信常用的光电检测器n半导体材料半导体材料nPIN光电二极管光电二极管nAPD雪崩光电二极管雪崩光电二极管现在学习的是第4页，

3、共51页PN结光电检测原理结光电检测原理现在学习的是第5页，共51页耗尽区：耗尽区：由于扩散电流和漂移电流方向相反，在平衡状态下两由于扩散电流和漂移电流方向相反，在平衡状态下两种电流相等，使得总电场为零，等效于空间电荷区的电阻阻种电流相等，使得总电场为零，等效于空间电荷区的电阻阻值很大，载流子数目很少，称其为耗尽区。值很大，载流子数目很少，称其为耗尽区。电子和空穴的扩散运动PN结界面 内部电场 漂移运动 耗尽区、扩散区 如果光子的能量大于或等于带隙( hf Eg )当入射光作用在PN结时 发生受激吸收、光生载流子 在耗尽层 形成漂移电流。 内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动扩散电流

4、形成与漂移电流同向的在耗尽层两侧热运动 半导体材料的光电效应？半导体材料的光电效应？现在学习的是第6页，共51页PN结光电二极管结构结光电二极管结构入入射射光光hvEgSiO2P+h+e-+ERIpVoutW抗抗反反射射膜膜电电极极电电极极耗耗尽尽区区Pin空空穴穴h+e-电电子子负负载载电电阻阻RIp光光生生电电流流输输出出电电压压L LL LN(a) 反反向向偏偏置置的的 PN 结结, ,当当光光入入射射时时, ,光光生生电电子子空空穴穴对对分分别别向向N N区区和和P P区区漂漂移移，在在外外电电路路产产生生光光生生电电流流W= = m几几现在学习的是第7页，共51页PN结光电二极管工作

5、原理结光电二极管工作原理n当当PN结加上反向电压后，在入射光的作用下，由于受激吸收结加上反向电压后，在入射光的作用下，由于受激吸收过程生成的电子过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，在闭合外电路中形成光生电流的器件。当入射光功率变化时，在闭合外电路中形成光生电流的器件。当入射光功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。加反向电压？加反向电压？入射光？入射光？光生载流子？光生载流子？光生电流？光生电流？现在学习的是第8页，共51页镀抗反射膜以减少反射光强度镀抗反射膜以减

6、少反射光强度2n入射光反射光透射光ABd3n1n23nn抗反射膜1n器件表面5 , 3 , 142mnmd反射光的相位差？反射光的相位差？反射光的幅度？反射光的幅度？厚度？厚度？折射率？折射率？312nnn 现在学习的是第9页，共51页光电二极管的特性光电二极管的特性inpPIR /PPininIqIhfPhfPq产生的电子 空穴对的个数入射光子数24. 1hfqR1.响应度响应度R2.量子效率量子效率现在学习的是第10页，共51页3.截止波长截止波长c4.响应速度响应速度 光生载流子的漂移时间、扩散时间、光生载流子的漂移时间、扩散时间、RC时间常数时间常数)(24. 1eVEEhcggc现在

7、学习的是第11页，共51页常用半导体材料的禁带宽度与截止波长常用半导体材料的禁带宽度与截止波长现在学习的是第12页，共51页PN结光电二极管的缺点结光电二极管的缺点n耗尽区窄耗尽区窄n结电容或耗尽区电容较大结电容或耗尽区电容较大n响应速度慢响应速度慢n光电转换效率低光电转换效率低 现在学习的是第13页，共51页PIN光电二极管光电二极管入入射射光光hvEgSiO2P+h+e-+EIpVout抗抗反反射射膜膜电电极极电电极极耗耗尽尽区区Pin输输出出电电压压RL反反向向偏偏置置的的PIN,因因耗耗尽尽区区较较宽宽, ,可可以以吸吸收收绝绝大大多多数数光光生生电电子子和和空空穴穴对对, ,使使量量

8、子子效效率率提提高高I-SiWN+Vr-RLCdIpVout空空穴穴h+e-电电子子负负载载电电阻阻RIp光光生生电电流流L LW= = m550EVr/WCdP PI IN N管管分分布布电电容容在在 P 和和 N 层之间加入了一个层之间加入了一个 I 层，作为耗尽层。层，作为耗尽层。I 层的宽度较宽层的宽度较宽，约有（，约有（5 50） m，吸收系数很小，易进入材料内部吸收绝大多，吸收系数很小，易进入材料内部吸收绝大多数光子，使光生电流增加。数光子，使光生电流增加。现在学习的是第14页，共51页PIN光电二极管工作原理光电二极管工作原理 当当PN结加上反向电压后，入射光主要在耗尽区被吸收，

9、结加上反向电压后，入射光主要在耗尽区被吸收，在耗尽区产生光生载流子在耗尽区产生光生载流子(电子电子-空穴对空穴对)。在耗尽区电场作。在耗尽区电场作用下，电子向用下，电子向N区漂移，空穴向区漂移，空穴向P区漂移，产生光生电动势区漂移，产生光生电动势。在远离。在远离PN结的地方，因没有电场的作用，电子空穴作扩散结的地方，因没有电场的作用，电子空穴作扩散运动，产生扩散电流。因运动，产生扩散电流。因I层宽，又加了反偏压，空间电荷区（层宽，又加了反偏压，空间电荷区（耗尽层）加宽，绝大多数光生载流子在耗尽层内进行高效、高耗尽层）加宽，绝大多数光生载流子在耗尽层内进行高效、高速漂移，产生漂移电流。这个漂移电

10、流远远大于扩散电流，所速漂移，产生漂移电流。这个漂移电流远远大于扩散电流，所以以PIN光电二极管的灵敏度高。在回路的负载上出现电流，就光电二极管的灵敏度高。在回路的负载上出现电流，就将光信号转变为了电信号。将光信号转变为了电信号。现在学习的是第15页，共51页PIN光电二极管的波长响应曲线光电二极管的波长响应曲线6008001000120014001600180000.20.40.60.81.090%70%50%30%10%InGaAsPGeInGaAsSi(nm)波长波长( )R响响应应度度量子效率量子效率现在学习的是第16页，共51页几种半导体材料的吸收系数随波长的变化几种半导体材料的吸收

11、系数随波长的变化现在学习的是第17页，共51页PIN输出电流和反向偏压的关系输出电流和反向偏压的关系击穿电压击穿电压现在学习的是第18页，共51页APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管SiO2P+h+e-ERIpVout电极电极电电极极耗尽区耗尽区入射光入射光hvEgL L(a)雪崩光电二雪崩光电二极管（APD极管（APD）的结构）的结构WN+Vr-P E( )x0 0各区电场分布,各区电场分布,雪崩发生在P区，雪崩发生在P区，吸收发生在 区吸收发生在 区(b)x吸收区吸收区雪崩区雪崩区 EN+ Ph+e-雪崩区雪崩区(a)离子碰撞过程释放电子空穴对，离子碰撞过程释放电子空穴对，导致雪崩导致雪崩晶

12、格晶格现在学习的是第19页，共51页APD光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理nAPD的光敏面被光子照射之后，光子被吸收而产生电子的光敏面被光子照射之后，光子被吸收而产生电子-空空穴对。这些电子穴对。这些电子-空穴对经过空穴对经过高电场区高电场区之后，初始电子之后，初始电子(一次一次电子电子)在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶体原子相碰撞，使晶体原子电离，产生新的电子子和晶体原子相碰撞，使晶体原子电离，产生新的电子-空穴空穴对，这个过程称为对，这个过程称为碰撞电离碰撞电离。碰撞电离所产生的电子称为二次电。碰撞电离所产生的电子称

13、为二次电子子-空穴对，这些电子空穴对，这些电子-空穴对在高速电场运动时又被加速空穴对在高速电场运动时又被加速，又可能碰撞电离其他原子，如此多次碰撞，产生连锁反，又可能碰撞电离其他原子，如此多次碰撞，产生连锁反应，使载流子数量迅速增加，反向电流迅速增大，形成应，使载流子数量迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪雪崩倍增崩倍增效果。效果。现在学习的是第20页，共51页平均雪崩增益平均雪崩增益MpMIIM初始的光生电流平均值倍增后的总输出电流的 M与电子和空穴的电离率有关，随半导体材料的不同而不同与电子和空穴的电离率有关，随半导体材料的不同而不同，同时随高电场区强度的增大而增大。，同时随高电场区强度的增

14、大而增大。现在学习的是第21页，共51页APD增益与偏压及温度的关系增益与偏压及温度的关系现在学习的是第22页，共51页本征响应带宽（频域角度）本征响应带宽（频域角度）电场区的宽度载流子的漂移速度WVWVfdddB44. 03载流子在电场区的渡越时间载流子在电场区的渡越时间上升时间上升时间tr定义定义：输入阶跃光功率时，探测器输出光电流最大值：输入阶跃光功率时，探测器输出光电流最大值的的10%到到90%所需的时间。所需的时间。trdBf35. 03现在学习的是第23页，共51页APD的本征响应带宽的本征响应带宽MfedB213e为等效渡越时间，它与空穴和电子的电离系数为等效渡越时间，它与空穴和

15、电子的电离系数比值有关。比值有关。现在学习的是第24页，共51页光电二极管的实际响应带宽光电二极管的实际响应带宽dLdBCRf213二极管的结电容负载电阻dLCR现在学习的是第25页，共51页APD 波长响应曲线波长响应曲线6008001000 1200140016001800124710010357050403020InGaAsGeSi(nm)波长波长( )R响响应应度度 Si半导体材料半导体材料的空穴和电子的碰的空穴和电子的碰撞电离系数比值为撞电离系数比值为0.22现在学习的是第26页，共51页三种探测器产品的典型参数三种探测器产品的典型参数nP183 表5.2.1现在学习的是第27页，共

16、51页MSM光电探测器光电探测器（MSM, Metal-Semiconductor-Metal）+ +_ _有源区有源区金属电极金属电极 m1优点：优点：结电容小，带宽大，制造容易结电容小，带宽大，制造容易缺点：缺点：响应度低响应度低光电转换原理相同光电转换原理相同现在学习的是第28页，共51页单行载流子探测器单行载流子探测器(UTC-PD)I导带价带吸收层电极P电极N电子空穴PN+h在在PIN光电二极管中，对光电流作出光电二极管中，对光电流作出贡献的包括电子和空穴两种载流子。贡献的包括电子和空穴两种载流子。InGaAs 扩散阻挡层电子收集层价带电子电极PP 掺 吸收层加速电子空穴IPInP+

17、导带电极NN+h只有电子充当载流子，空穴不参与导只有电子充当载流子，空穴不参与导电，电子的迁移率远高于空穴，因而电，电子的迁移率远高于空穴，因而其载流子渡越时间比其载流子渡越时间比PIN的小。的小。现在学习的是第29页，共51页现在学习的是第30页，共51页现在学习的是第31页，共51页波导光电探测器（波导光电探测器（WG-PD）入射光吸收层PIN(a) PIN-PD吸收层(c) WG-PD边入射光电探测器边入射光电探测器面入射光电探测器面入射光电探测器PIN的响应速度受到的响应速度受到PN结结RC数值、数值、I 吸收层厚度和载流子渡越时间等的限制。吸收层厚度和载流子渡越时间等的限制。可解除量

18、子效率与响应速可解除量子效率与响应速度之间的制约关系度之间的制约关系现在学习的是第32页，共51页分支波导探测器分支波导探测器(Tapered WG-PD)吸收层(e) Tapered WD-PD单模波导(多模波导)光匹配层n1n2n3n1n2n3PD 长吸收区L单模波导光经过光匹配层进入 吸收层PD(f)折射率现在学习的是第33页，共51页边入射平面折射波导边入射平面折射波导RF UTC-PD现在学习的是第34页，共51页数字光接收机数字光接收机均衡均衡滤波滤波信号光信号光光探光探测器测器电压电压供给供给光电变换和前放光电变换和前放前放前放主放主放自动增自动增益控制益控制线性放大线性放大判决

19、判决电路电路时钟时钟恢复恢复数据恢复数据恢复数据数据输出输出现在学习的是第35页，共51页光电转换和前置放大器（光接收机的核心）光电转换和前置放大器（光接收机的核心）信号光信号光光探光探测器测器电压电压供给供给光电变换和前放光电变换和前放前放前放电压信号预放大时变光生电流微弱光信号前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用现在学习的是第36页，共51页光接收机前置放大器等效电路光接收机前置放大器等效电路前放前放GID RLCT高阻型高阻型前放前放G RLIDCT 转移阻抗型转移阻抗型现在学习的是第37页，共51页

20、线性放大线性放大现在学习的是第38页，共51页柰奎斯特脉冲响应和升余弦均衡滤波器输出响应柰奎斯特脉冲响应和升余弦均衡滤波器输出响应h( )ff幅度tTT单个脉冲波形合成波形理想特性升余弦特性1T1T2 (c)升余弦均衡滤波器输出响应（a) NRZ 输入脉冲，=脉冲周期脉宽=T=1B升余弦均衡滤波器特性(b)=BT1tTT2T2T0is( ) t 2cos1outBffH现在学习的是第39页，共51页数据恢复数据恢复判决判决电路电路时钟时钟恢复恢复数据恢复数据恢复数据数据输出输出现在学习的是第40页，共51页选取最佳的判决时间选取最佳的判决时间 01010100 01011010 P tt发射信

21、号发射信号误码误码判决判决时刻时刻判决判决门限门限噪声噪声(a)在接收端探测到的在接收端探测到的带有噪声的信号带有噪声的信号 Str(b)(c)tDtDtDtDtDtDtDtD由于噪声叠加由于噪声叠加, ,“0 0 ”码，”码，在判决时刻变成在判决时刻变成使“1”码使“1”码经判决电路后产生了一个误码。经判决电路后产生了一个误码。IDI取样值取样值判决判决时刻时刻现在学习的是第41页，共51页眼图分析法眼图分析法a( )理想的眼图b( ) 因噪声恶化的眼图现在学习的是第42页，共51页光接收机的主要性能指标光接收机的主要性能指标1.噪声机理噪声机理2.信噪比信噪比3.误码率误码率4.接收灵敏度

22、接收灵敏度5.动态范围动态范围现在学习的是第43页，共51页光接收机噪声光接收机噪声n一部分是外部外部电磁干扰产生的，这部分噪声的危害可通过屏蔽或滤波加以消除。n另一部分是内部内部产生的，这部分噪声是在信号检测和放大过程这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。其主要来源是光检测器的噪声和前置放大器的噪声。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。现在学习的是第44页，共51页内部噪声内部噪声n暗电流

23、噪声暗电流噪声-无光照时产生无光照时产生n散粒噪声散粒噪声n热噪声热噪声的过剩噪声指数暗电流APD22222AdAddddFfIFqMAPDIfqIPINfIFqMAPDIfqIPINpAspps22222平均信号光电流放大器的噪声指数nLnBTFRfFTK42现在学习的是第45页，共51页总的均方噪声电流总的均方噪声电流LnBdpATsdLnBdpTsdRfFTKfIIFqMAPDRfFTKfIIqPIN4)(24)(2222222222现在学习的是第46页，共51页光接收机信噪比光接收机信噪比SNRLnBdinAinLnBdininRfFTKfIRPFqMPRMSNRAPDRfFTKfIR

24、PqPRSNRPIN4)(24)(2222222现在学习的是第47页，共51页误码率误码率BER)0/1 ()0() 1/0() 1 (PPPPBER传输的总码元数码元数一段时间内出现误码的通常数字光接收机要求通常数字光接收机要求 BER10-9现在学习的是第48页，共51页接收灵敏度接收灵敏度n定义为保证定义为保证BER为为10-9时，要求的最小平时，要求的最小平均接收光功率均接收光功率Pmin。)(1lg10mindBmmWPSr现在学习的是第49页，共51页灵敏度下降机理灵敏度下降机理功率代价10.0-400.07.06.04.02.0/dB0.000.200.150.100.05定时抖动现在学习的是第50页，共51页动态范围动态范围n定义为在保证系统的误码率指标的要求下，接收机最低输入定义为在保证系统的误码率指标的要求下，接收机最低输入光功率和最大允许输入光功率之差。光功率和最大允许输入光功率之差。)(lg10minmaxdBPPD 现在学习的是第51页，共51页