第四章光电检测优秀PPT.ppt

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1、第四章光电检测第一页，本课件共有167页光电探测器凡是光辐射量转换为电量（电压或电流）的光探测器，都称为光电探测器。光电探测器的物理效应包括：1、光子效应2、光热效应第二页，本课件共有167页光子效应单个的光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。1、光子效应对光波频率表现出选择性。2、响应速度比较快。第三页，本课件共有167页光热效应探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度升高，温度上升的结果由使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。1、光热效应对光波频率没有选择性。2、响应速度比较慢。第四页，本课件共有16

2、7页外光电效应光电发射效应在光照射下,电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应,亦称光电发射效应。它是在1887年由德国科学家赫兹发现的。基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍培管等。众所周知,每个光子具有的能量为第五页，本课件共有167页逸出功A也称功函数,是一个电子从金属或半导体表面逸出时克服表面势垒所需作的功,其值与材料有关,还和材料的表面状态有关。若逸出电子的动能为,则由能量守恒定律有式中,m为电子的静止质量,m=9.109110-31kg;v0为电子逸出物体时的初速。上式即为爱因斯坦光电效应方程式。由该式可知:第六页，本课件共有167页(1)光电效应能否产生，取决于光子的能量是否

3、大于该物质表面的电子逸出功。这意味着每一种物质都有一个对应的光频阀值,称为截至频率（对应的光波长称为临界波长。光的频率小于截至频率，光子的能量不足以使物体的电子逸出,因而小于截至频率的光，光强再大也不会产生光电发射。反之，入射光频率高于截至频率，即使光强微弱也会有电子发至射出来。第七页，本课件共有167页(2)若入射光的光频为v，光功率为P，则每秒钟到达的光子数为p/h。假设这些光子中只有一部分()能激发电子，则入射光在光电面激发的光电流密度为式中，是量子效率，定义为光强生成的载流子数与入射光子数之比，它是波长的函数，并与光电面的反射率、吸收系数、发射电子的深度、表面的亲和力等因素有关；e为电

4、子电荷量。第八页，本课件共有167页(3)光电子逸出物体表面具有初始动能。因此光电管即使未加阳极电压，也会有光电流产生。为使光电流为零，必须加负的截止电压，而截止电压与入射光的频率成正比。第九页，本课件共有167页内光电效应光电导效应光伏效应第十页，本课件共有167页1.光电导效应入射光强改变物质导电率的物理现象，叫光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有。这是由于在入射光作用下，电子吸收光子能量，从价带激发到导带，过渡到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，致使导带的电子和价带的空穴浓度增大，引起材料电阻率减小。为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E0应大于禁带宽度Eg，如图4.1

5、所示，即光的波长应小于某一临界波长0。第十一页，本课件共有167页式中,Eg以电子伏(eV)为单位(1eV=1.601019J),c为光速(m/s)。0也称为截止波长。根据半导体材料不同的禁带宽度可得相应的临界波长。图4.1能带图第十二页，本课件共有167页图4.2光电导元件工作示意图第十三页，本课件共有167页图4.2为光电导元件工作示意图。图中光电导元件与偏置电源及负载电阻RL串联。当光电导元件在一定强度的光的连续照射下,元件达到平衡状态时,输出的短路电流密度为式中,为内光量子效率(为光强生成的载流子数与入射光子数之比),c为多数载流子的迁移率,c为多数载流子寿命,d为两电极间距。可以看出

6、,i0在波长决定之后与P成正比,在P一定时,与光波长成正比。第十四页，本课件共有167页2.光生伏特效应光光生生伏伏特特效效应应就就是是半半导导体体材材料料吸吸收收光光能能后后，在在PN结结上上产产生生电电动动势势的的效效应应。P型半导体内有许多多余的空穴，N型半导体内有许多过剩的电子，当N型半导体和P型半导体结合在一起时，由于热运动，N型半导体中的电子越过交界面填补了P型半导体中的空穴，也可以说P型半导体中的空穴越过交界面复合了N型半导体中的电子。第十五页，本课件共有167页图2.3PN结产生光生伏特效应第十六页，本课件共有167页PN结用作整流时，其电压电流特性如图4.4中的曲线(1)所示

7、。这时外加电压U(以正方向为正)与电流Id的关系为式中，Id为没有光照时的暗电流，Is为反向饱和暗电流，k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度。当光照射到PN结上时，由于光生伏特效应产生的短路电流I0与光电导效应相类似，即第十七页，本课件共有167页图4.4PN结的电压电流特性第十八页，本课件共有167页这个电流与前式所示电流方向相反，所以流经结点的电流是二者之差,即由此可见，当有光照射时，电压-电流特性向下方平行移动，如图4.4中的曲线(2)所示。当I=0时，对U求解,得开路电压为如果入射光较弱，I01)是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数。设F=gx，APD的均方量子噪声电流应为i2q=2eIPB

8、g2+x式中，x为附加噪声指数。第一百二十六页，本课件共有167页同理，APD暗电流产生的均方噪声电流应为：i2d=2eIdBg2+x附加噪声指数x与器件所用材料和制造工艺有关。SiAPD的x=0.30.5，GeAPD的x=0.81.0，InGaAsAPD的x=0.50.7。当g=1时，得到的结果和PIN相同。第一百二十七页，本课件共有167页3)温度特性当温度变化时，原子的热运动状态发生变化，从而引起电子、空穴电离系数的变化，使得APD的增益也随温度而变化。随着温度的升高，倍增增益下降。为保持稳定的增益，需要在温度变化的情况下进行温度补偿。第一百二十八页，本课件共有167页光电倍增管光电倍增

9、管光电倍增管是典型的光电子发射型探测器，其主要特点是：灵敏度高，稳定性好，响应速度快以及噪声小；但结构复杂，工作电压高和体积大。它是电流放大器件，具有很高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测。第一百二十九页，本课件共有167页光电倍增管(PMT)一般由光电阴极、倍增极、阳极和真空管壳组成，如下图所示。图中K为光阴极，D是倍增级，A是阳极，U是极间电压、称为分级电压。分级电压为百伏量级分级电压之和为总电压，总电压为千伏量级。从阴极到阳极，各级间形成逐级递增的加速电场。第一百三十页，本课件共有167页阴极在光照下发射光电子，光电子被极间电场加速聚焦，从而以足够高的速度轰击倍增级。倍增级在高速电子

10、轰击下产生二次电子发射，使电子数目增加若干倍。如此逐级倍增，使电子数目大量增加。最后，电子被阳极收集形成阳极电流。当光信号变化时，阴极发射的光电子数目相应变化，由于各倍增级的倍增因子基本不变，所以阳极电流随光信号变化。第一百三十一页，本课件共有167页阳极电流Ip随入射光功率PS的变化规律是，开始阶段是线性增长，当PS大到一定值时，IP增加缓慢，出现饱和现象。这是由于光阳极受强光照射后发射电子的速率过高，阴极内部来不及重新补充电子，致使灵敏度下降(出现疲劳效应)。在轻度疲劳时，若停止工作一段时间，可以恢复正常工作能力。但是太强的光照射会使光电倍增管损坏。所以，在使用时切在使用时切忌过强的光照射

11、。忌过强的光照射。光电倍增管的噪声主要是散粒噪声和负载电阻产生的热光电倍增管的噪声主要是散粒噪声和负载电阻产生的热噪声。噪声。第一百三十二页，本课件共有167页光接收机数字光接收机的组成如下图所示，主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。第一百三十三页，本课件共有167页数字光接收机组成框图第一百三十四页，本课件共有167页1.光检测器光检测器光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。对光检测器的要求如下：(1)波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85m、1.31m和1.55m)兼

12、容；第一百三十五页，本课件共有167页(2)响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；(3)噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；(4)性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。第一百三十六页，本课件共有167页2.放大器放大器前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前放可供选择。主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制(AGC)，以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和

13、AGC决定着光接收机的动态范围第一百三十七页，本课件共有167页3.均衡和再生均衡和再生均衡的目的是对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。第一百三十八页，本课件共有167页4.光电集成接收机光电集成接收机下图中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片上。不论是硅(Si)还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使

14、集成电路的工作带宽超过2GHz，甚至达到10GHz。第一百三十九页，本课件共有167页光电集成接收机第一百四十页，本课件共有167页一、噪声特性1.数字光接收机的噪声源接收机中，影响接收机灵敏度的主要因素是信号检测和放大系统中的各种噪声。这些噪声的分布如下图所示。这些噪声可分为散弹噪声和热噪声两大类。散弹噪声包括光检测器的量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD的倍增噪声；热噪声包括负载电阻上的热噪声和放大电路中产生的噪声。具体的噪声均方值形式类似于PIN噪声特性中的表示。第一百四十一页，本课件共有167页接收机的噪声及其分布第一百四十二页，本课件共有167页2.数字光接收机的噪声特性的分析方

15、法噪声是一种随机过程，应采取随机过程的分析方法。用概率密度和概率分布函数来表示随机过程的统计特性。下图示出光接收机的噪声等效模型，由光检测器和放大器两部分组成。第一百四十三页，本课件共有167页光接收机的噪声等效模型第一百四十四页，本课件共有167页放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型，根据放大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算。常用三种类型前置放大电路示于下图。第一百四十五页，本课件共有167页接收机的前置级放大电路(a)双极型晶体管；(b)场效应管；(c)跨阻型第一百四十六页，本课件共有167页双极型晶体管(BJT)前置放大器：场效应管(FET)前置放大器第一百四十七页，本课件共有1

16、67页跨阻型前置放大器-双极型晶体管跨阻型前置放大器-场效应管第一百四十八页，本课件共有167页三种类型前置放大器的比较：(1)双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低，电路时间常数RC小于信号脉冲宽度T，因而码间干扰小，适用于高速率传输系统。(2)场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高，噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。(3)跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。第一百四十九页，本课件共有167页二、误码率由于噪声的存在，放大器输出的是一个随机过程，其取样值是随机变量，因此在判决时可能发生误判，把发射的“0”码误判为“1”码，或把“1”码

17、误判为“0”码。光接收机对码元误判的概率称为误码率(在二元制的情况下，等于误比特率，BER)，用较长时间间隔内，在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。第一百五十页，本课件共有167页码元被误判的概率，可以用噪声电流(压)的概率密度函数来计算。如下图所示，I1是“1”码的电流，I0是“0”码的电流。Im是“”码的平均电流，而“0”码的平均电流为0。D为判决门限值，一般取D=Im/2。第一百五十一页，本课件共有167页计算误码率的示意图第一百五十二页，本课件共有167页三、灵敏度灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。灵敏度Pr的定义是，在保证通信质量(限定误码率或信噪比)的条件下

18、，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm为单位。由定义得到(dBm)第一百五十三页，本课件共有167页灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号。那么，理想光接收机的灵敏度可以达到多少?影响光接收机的灵敏度有哪些因素?第一百五十四页，本课件共有167页1.理想光接收机的灵敏度理想光接收机的灵敏度假设光检测器的暗电流为零，放大器完全没有噪声，系统可以检测出单个光子形成的电子-空穴对所产生的光电流，这种接收机称为理想光接收机。它的灵敏度只受到光检测器的量子噪声的限制，因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要有光信号输入，就有量

19、子噪声存在。第一百五十五页，本课件共有167页首先考虑理想光接收机的误码率:Pe,01=0Pe,10=exp(-n)其中，n为一个码元的平均光子数。当“0”码和“1”码等概率出现时，误码率为Pe12exp(-n)第一百五十六页，本课件共有167页现在考虑理想光接收机的灵敏度。设传输的是非归零码(NRZ)，每个光脉冲最小平均光能量为Ed，码元宽度为Tb，一个码元平均光子数为n，那么光接收机所需最小平均接收功率为第一百五十七页，本课件共有167页上式中，因子2是“0”码和“1”码功率平均的结果，h=6.62810-34Js为普朗克常数，f=c/，f、分别为光频率和光波长，c为真空中的光速。利用Tb

20、=1/fb，fb为传输速率；并考虑光/电转换时的量子效率为。把这些关系代入上式，得到理想光接收机灵敏度：第一百五十八页，本课件共有167页第一百五十九页，本课件共有167页2.实际光接收机的灵敏度实际光接收机的灵敏度要计算灵敏度，首先必须求出总噪声的概率密度函数。光接收机的噪声特性、灵敏度随系统所用器件、电路的不同而不同，计算过程十分繁杂，具体计算过程和最后结果可参阅有关书籍。第一百六十页，本课件共有167页四、动态范围和自动增益控制在实际系统中，光接收机的输入光脉冲信号的功率由于通信距离的不同、线路衰减随温度以及发送光功率的变化而发生不同程度的变化，因此，光接收机应保证在不同输入条件下都可以

21、正常工作。这种光接收机能适应的输入光功率的变化范围称为动态范围，一般都要大于15dB。第一百六十一页，本课件共有167页同时，经过接收机放大器输出的信号，还需要定时再生出满足特定电平要求的数字脉冲信号，所以要求光接收机在不同的输入光功率信号下，经过放大器自动增益控制，使输出信号幅度恒定不变。即大的光信号功率输入时，减小其放大器的增益，反之增大放大器的增益，使输出达到恒定，以利于后续电路的处理。第一百六十二页，本课件共有167页显然，数字光接收机的灵敏度越高，其所需的增益越大。因为数字光接收机放大器是小信号放大器，所以其放大器的增益是相当大的。而这种放大器的大增益是通过多级放大器来实现的。第一百

22、六十三页，本课件共有167页自动增益控制电路原理框图如下图所示。数字光接收机的放大均衡输出经峰值检波，送入运算放大器，其输出分别控制APD的偏置电压和主放大器的增益可调部位，从而形成一个负反馈控制环路，自动改变数字光接收机放大器的增益，以达到始终保持其输出信号幅度不变的程度。第一百六十四页，本课件共有167页自动增益控制原理框图第一百六十五页，本课件共有167页其中对APD的控制是调整它的倍增因子，它是与主放大器的增益同步变化的，在主放大器为最大增益状态工作时，APD则以最佳倍增因子工作，相反则以小于其最佳倍增因子工作。第一百六十六页，本课件共有167页自动增益控制范围主要受前置放大器的限制，因为前置放大器的增益是不可变的。由于主放大器的增益变化范围是比较大的，因此它的增益可以变小到成为一个衰减器。对于采用PIN光检测器的数字光接收机放大器，其自动增益控制只对主放大器起作用。第一百六十七页，本课件共有167页