光檢測器光檢測器與光接收機第四章主要內容光檢測器工作原理光電二極管的工作特性光接收機光接收機的噪聲數字接收機的靈敏度光電二極管（PD）光檢測器利用光電效應實現。PN勢壘耗盡層光子進入PN結，價帶的電子受激吸收將被激發(fā)到導帶，產生一對光生載流子，受內建電場的作用，光生載流子的電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，載流子移動到外部電路形成光電流?！?.1光檢測器工作原理外光電效應內光電效應真空光電二極管半導體光電二極管1、半導體光電二極管光生電流包括：漂移電流--耗盡區(qū)的光生載流子在電場作用下運動形成的電流擴散電流擴散電流----P區(qū)的光生載流子形成的電流N區(qū)的光生載流子形成的電流光檢測器:檢測通過光纖傳來的光信號將光功率轉換為電流輸出。增加PN結的反偏耗盡層加偏置電壓的好處：加大耗盡區(qū)的寬度，加強漂移電流的影響，減少擴散電流的比例，提高響應速度。同時，提高了電光轉換效率。但增加有限。另一種加大耗盡層的方法是引入本征半導體（I型半導體）增大漂移電流的方法2、PIN光電二極管結構：PN結之間加了一層本征半導體（I層）PIN特點：I區(qū)的耗盡區(qū)很寬，入射光很容易產生光生電子空穴對，形成漂移電流；提高了響應速度。另外，I區(qū)的吸收系數小，因而光電轉化效率高。一、結構及特點在p區(qū)和n區(qū)之間插入I區(qū)，增加了耗盡區(qū)的寬度，使得大部分的入射光在耗盡區(qū)被吸收，因此大部分的載流子也在此區(qū)域內產生。耗盡區(qū)的高電場使得電子-空穴對迅速分開并在反向偏置的結區(qū)中向兩端流動，然后在邊界處被收集，從而在外電路中形成電流。吸收系數被吸收的光功率產生的光電流光功率衰減w耗盡區(qū)寬度由于吸收系數取決于光波長，因此，特定的半導體材料只能應用在有限的波長范圍內。光吸收系數與波長的關系曲線?當外加的反向偏壓比PIN情況下高得多時，這個電壓幾乎都降到P結上。特別是在高阻的PN結附近，電場強度可高達105V/m，已經高出碰撞電離的電場。2）雪崩光電二極管(APD)的工作原理約100V—150V高反向偏置電場分布入射光功率產生的電子空穴對經過高場區(qū)時不斷被加速而獲得很高的能量，這些高能量的電子或空穴在運動過程中與價帶中的束縛電子碰撞，使晶格中的原子電離，產生新的電子空穴對。新的電子空穴對受到同樣加速運動，又與原子碰撞電離，產生電子空穴對，稱為二次電子空穴對。如此重復，使強電場區(qū)域中的電子和空穴成倍的增加，載流子和反向光生電流迅速增大，產生雪崩現象,這個物理過程稱為雪崩倍增效應。高電場光一次電子§4.2光電二極管的工作特性

光電二極管的主要特性參數包括響應度、量子效率、響應帶寬、APD的倍增系數及噪聲等。1、量子效率式中e是電子電荷，h是普朗克常數。2、響應度：響應度表征了光電二極管的能量轉換效率R的單位為A／W。

波長λ的單位取μm響應度隨波長增加而增大。例InGaAs的量子效率大約為90％，波長為1300nm，求響應度。3、APD光電二極管中所有載流子產生的倍增因子M雪崩增益后輸出電流的平均值未倍增時的初級光電流加在PN結的有效電壓雪崩電壓適配因子，與材料及結構有關m4、光電檢測器的噪聲

暗電流噪聲

量子噪聲

熱噪聲

入射光子激發(fā)的電子空穴的隨機性產生的電流PIN在反偏情況下，沒有外來的光時產生的電流電阻的熱噪聲

量子（散粒）噪聲的產生是由于光信號入射到光檢測器上時，光電子的產生和收集過程具有統(tǒng)計特性。光電效應產生的光生載流子數是隨機起伏的，該統(tǒng)計過程服從泊松分布。量子噪聲的譜密度為常數對于pin對于APDB：接收機帶寬（1）量子噪聲PINM2(過剩)噪聲系數光檢測器電阻的均方熱噪聲電流為：K：玻耳茲曼常數T：絕對溫度（3）對于光電探測器電阻的熱噪聲5、檢測器響應時間P(t)I(t)當檢測器受到階躍光脈沖照射時，響應時間可以用檢測器輸出脈沖的上升時間和下降時間來表示光電二極管光電流的響應時間主要取決于以下三個因素：1．耗盡區(qū)的光載流子的渡越時間；2．耗盡區(qū)外產生的光載流子的擴散時間；3．光電二極管以及與其相關的電路的RC時間常數。渡越時間t由載流子漂移速度v和耗盡區(qū)寬度w決定一般情況下，耗盡區(qū)的電場足夠高，載流子都可以達到它們的散射極限速度。典型的Si光電二極管的耗盡區(qū)寬度為10um，極限響應時間為0.1ns。光脈沖照射PD下,光電流的響應時間。如果光電二極管的電容較大，那它的響應時間就會受到負載電阻RL和光電二極管結電容所構成的RC時間常數所限制。如果耗盡區(qū)寬度太窄，則非耗盡材料產生的任何載流子在被吸收之前不得不擴散到耗盡區(qū)。所以窄耗盡區(qū)的器件會有明顯不同的慢速和快速響應分量。低電容、耗盡區(qū)寬度的光電二極管對矩形輸入脈沖的響應的上升與下降時間與輸入脈沖比較一致。

Si、Ge、InGaAspin光電二極管的通用工作特性參數參數符號單位SiGeInGaAs波長范圍響應度暗電流上升時間帶寬偏置電壓nmA/WnAnsGHzV400～11000.4～0.61～100.5～1.00.3～0.75800～16500.4～0.550～5000.1～0.50.5～3.05～101100～17000.75～0.950.5～2.00.05～0.51.0～2.05

Si、Ge、InGaAs雪崩光電二極管的通用工作特性參數M·B參數符號單位SiGeInGaAs波長范圍雪崩增益暗電流上升時間增益帶寬積偏置電壓nm－nAnsGHzV400～110020～4000.1～10.1～2100～400150~400800～165050～20050～5000.5～0.82～1020～401100～170010～4010～500.1～0.520～25020~30M§4.3光接收機

光接收機的任務：從接收到帶有附加噪聲及失真的微弱光信號中恢復出攜帶的信息。光纖通信系統(tǒng)有模擬和數字兩大類光接收機也有數字接收機和模擬接收機兩種形式。光接收機的輸出特性綜合反映了整個光纖通信系統(tǒng)的性能。1、數字光接收機組成光檢測器前置放大器主放大器均衡器數字信號恢復、時鐘線路譯碼接口偏置電路自動增益控制線性通道線性通道主要完成對信號的線性放大，以滿足判決電平的要求。接收機的前端包括反向偏壓下的光電二極管和前置放大器。數字信號和時鐘恢復電路。接收機前端

2、光接收機前端接收機前端等效電路：放大電路的輸入電容為Ca輸入電阻為Ra光電二極管的串聯電阻Rs，總電容Cd作用：是將光纖線路末端耦合到光電二極管的光比特流轉換為時變電流，然后進行預放大，以便后級作進一步處理。要求：一臺性能優(yōu)良的光接收機，應具有無失真地檢測和恢復微弱信號的能力，這首先要求光接收機具有：

前端應有低噪聲；高靈敏度；足夠的帶寬。前端的設計有3種不同的方案低阻抗前端高阻抗前端跨阻抗前端低阻抗前端低阻抗前端從頻帶要求出發(fā)選擇光檢測器的負載電阻RL，使其滿足Δf為碼速率所要求的前端帶寬；Ct=Cj+Cs+Ca；Cj---為光電二極管的結電容；Cs---為光電二極管和前置放大器引線的雜散電容；Ca---為前置放大器的輸入電容。低阻抗前端優(yōu)點：電路簡單，不需要或只需要很少的均衡，前置級的動態(tài)范圍也較大。低阻抗前端缺點：靈敏度較低，噪聲比較高。

(1)低阻抗前端

（2）高阻抗前端

高阻抗前端優(yōu)點：

噪聲低，靈敏度高。

高阻抗前端缺點：帶寬窄，需要增加均衡網絡，對頻響特性進行補償，電路結構復雜，動態(tài)范圍小。（3）跨(互)阻抗前端

跨阻抗前端將負載電阻連接為反相放大器的反饋電阻，因而又稱互阻抗前端?；プ杩骨岸耸且粋€性能優(yōu)良的電流—電壓轉換器，即使RL很高，而負反饋使有效輸入阻抗降低了G倍，從而使其帶寬比高阻抗前端增加了G倍.優(yōu)點：動態(tài)范圍大，頻帶寬、噪聲低、靈敏度高。3、光接收機的線性通道

光接收機的線性通道由高增益放大器和低通濾波器（或均衡器

）組成。自動增益控制(AGC)放大器：將放大器的平均輸出電壓限制在固定電平而不隨輸入平均光功率而變。低通濾波器（或均衡器

）：使電壓脈沖整形，降低噪聲，控制可能出現的碼間串擾(ISI)。接收機噪聲正比于接收機帶寬，為降低噪聲，采用帶寬Δf小于比特率B的低通濾波器。接收機帶寬主要由線性通道的低通濾波器決定。

當Δf＜B時，電脈沖展寬超過了規(guī)定的比特時隙，將可能干擾相鄰比特時隙的檢測，引起碼間串擾，濾波器設計時應避免產生這種現象。均衡器的作用是消除放大器、光纖等部件引起的信號波形失真，經過均衡器以后的波形成為有利于判決的波形，使碼間干擾減小到最小。經過均衡以后的波形，在本碼判決時刻，波形的瞬時值應為最大值。而這個本碼波形的拖尾在鄰碼判決時刻的瞬時值應為零。信道特性均衡多級網絡的噪聲噪聲系數放大器的噪聲系數輸入端的信號和噪聲功率輸出端的信號和噪聲功率4、數據恢復電路

光接收機的數據恢復部分的任務是把線性通道輸出的模擬信號恢復成數字信號。由三部分組成：時鐘提取電路取樣判決電路數字信號波形成型電路取樣判決電路為了重建數字信號，則要判定每個碼元是“0”還是“1”，這首先要確定判決時刻。為此，要從升余弦信號中提取準確的時鐘信號，并經過適當移相后，在最佳時刻對升余弦信號取樣，然后將取樣幅度與判決閾值進行比較，確定碼元是“0”還是“1”，從而把升余弦波形恢復重建成原傳輸的數字信號。最佳取樣時間相應于在“1”和“0”信號電平相差最大的位置，可由眼圖決定，它由不同比特電脈沖頂部疊加而成。非歸零碼(NRZ)數字光接收的眼圖噪聲和時間抖動導致的半張半閉退化眼圖，最佳取樣時間相應于眼睛睜開最大處的時間。

理想眼圖4.4光接收機的信噪比在光纖通信系統(tǒng)中，通常要求光電二極管能檢測出微弱的光信號。為了得到較高的信噪比，可以采取以下措施：為了檢測到最小可能的信號，必須對光檢測器和它隨后的放大器電路進行最優(yōu)化設計，以此來保證一定的信噪比。光接收機輸出端的信噪比S/N定義為光檢測器必須要有很高的量子效率，以產生較大的信號功率；使光檢測器和放大器噪聲保持盡可能低的值。放大器輸入端的信噪比為：光檢測器前置放大器主放大器均衡器數字信號恢復、時鐘線路譯碼接口取樣判決器輸入端的信噪比放大器增益G噪聲系數NF取樣判決器放大器增益G噪聲系數NF=1取樣判決器取樣判決器輸入端的噪聲功率取樣判決器輸入端的噪聲功率4.5數字接收機的靈敏度數字接收機的靈敏度當數字接收機的輸出信號質量-----誤碼率達到質量要求時，數字接收機接收的最小光功率靈敏度和誤碼率有關誤碼率和信號的失真和信號中的噪聲有關誤碼率（BER：biterror）:誤碼率=傳輸中的誤碼/所傳輸的總碼數是衡量通信系統(tǒng)傳輸數據精確性的指標。

誤碼率與通話質量（PCM）誤碼率通話質量10－6感覺不到干擾10－5在低話音電平范圍內感覺輕微干擾10－4在低話音電平范圍內有個別“咯咯”聲10－3在低話音電平范圍內都感覺有干擾10－2強烈干擾，聽懂程度明顯下降0.5幾乎聽不懂“1”碼出現的概率為P(1);“0”碼出現的概率為P(0);接收機把“0”碼誤判為“1”碼的概率為P(1/0);接收機把“1”碼誤判為“0”碼的概率為P(0/1);誤碼率為：BER=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)經過線路編碼，數字信號序列中“0”碼和“1”碼出現的概率各為1/2一、接收機誤碼率BER={P(1/0)+P(0/1)}/2設光纖通信系統(tǒng)傳輸的數字序列中，100BER={P(1/0)+P(0/1)}/2P(1/0)?P(0/1)?理想無噪聲時：實際有噪聲時：如果“0”碼出現時，信號電流的概率密度為如果“1”碼出現時，信號電流的概率密度為設判決門限電流為BER={P(1/0)+P(0/1)}/2對于噪聲方差為，均值為的高斯白噪聲，概率密度函數為誤差函數BER={P(1/0)+P(0/1)}/2100一般“0”信號對應于二、靈敏度例：一光接收機采用PIN-PD要使誤碼率求靈敏度。解：Q=6例：一光接收機采用PIN-PD數字信號速率只考慮熱噪聲，求靈敏度。要使誤碼率解：Q=6.5靈敏度的量子極限在