光检测器和光接收机.ppt

第4章 光检测器和光接收器,光检测器的工作原理 光检测器的特性参数 光 接 收 机 光收发合一模块,光电转换器件 要求: 高效率、低噪声、宽带 原理：光吸收 在半导体材料上，当入射光子能量h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并形成电流流动，称为光电流，其电流大小Ip与入射光功率Pin成比例：,R光电检测器的响应度（A/W）,光检测器,光检测器的 工作原理,偏置电压,外界的光子(也就是光)射入半导体，分离出电子和空穴，这些自由的载流子的流动形成电流，外部的电压(反向偏压)会增强这种效果。,PN光电二极管,光检测器的 工作原理,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R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。 负偏压：P接负，N接正。由图可见，外加负偏压产生的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）,hEg 或 hc/ Eg (=c/),当入射光子的能量小于Eg时，不论入射光多强，光电效应也不会发生。 所以光电效应必须满足：,PN光电二极管,光检测器的 工作原理,PN光电二极管,带宽受限的主要因素:产生的光电流中存在扩散分量，它与耗尽区外的光吸收有关。载流子作扩散运动的时延将使检测器输出电流脉冲后沿的拖尾加长，影响光电二极管的响应速度。,考虑漂移和扩散运动时PN光电二极管对矩形脉冲的响应,扩散分量的存在导致光电二极管瞬态响应失真,光检测器的 工作原理,PN光电二极管,响应时间：由光功率输入转化为光电流输出，有一定时间迟后，其值主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间。,耗尽区的宽度,载流子的平均漂移速度,光检测器的 工作原理,解决方法：减小P,N区厚度，增加耗尽区的宽度，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少P,N区吸收的光能-PIN,PIN光电二极管,在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大耗尽区宽度w，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的要求。由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导体(Intrinsic)，因此这种结构称为PIN光电二极管。,I区高阻抗,电压基本都落在I区,PIN光电二极管及反偏时各层的场分布,光检测器的 工作原理,大部分光子在I区被吸收，从而增加了量子效率； 同时，扩散电流却很小。PIN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I区 的宽度决定的。,I区的宽度也不是越宽越好，宽度w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， 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， 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。,光检测器的 工作原理,PIN光电二极管,InGaAs PIN 光电二极管的结构,双异质结结构： N区和P区：InP，对920nm的光透明； I区: InGaAs； =13001600nm 强烈吸收,PIN光电二极管,光检测器的 工作原理,雪崩光电二极管APD,PIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益 APD:利用电离碰撞, 1个光子产生多对电子-空穴对,有增益 工作过程：,光检测器的 工作原理,倍增系数 M = IM / IP IM-平均输出电流， IP-一次光生电流 IM M IP MRPin 倍增系数M与电离系数及增益区厚度有关。,光检测器的 工作原理,APD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， 以免损坏器件。,雪崩光电二极管APD,光检测器的比较,Si、Ge、InGaAs pin光电二极管的通用工作特性参数,光检测器的 工作原理,光检测器的比较,Si、Ge、InGaAs 雪崩光电二极管的通用工作特性参数,光检测器的 工作原理,光检测器的比较,在短距离的应用中，工作在850nm的Si器件对于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。 在长距离的链路常常需要工作在1310nm和1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。 APD检测器与PIN检测器相比，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。要视具体应用场合而选定。,光检测器的 工作原理,第4章 光检测器和光接收器,光检测器的工作原理 光检测器的特性参数 光 接 收 机 光收发合一模块,光检测器的 特性参数,光检测器性能参数,1量子效率,入射光（功率为Pin）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。,在光电二极管的应用中，100个光子会产生30到95个电子空穴对，因此检测器的量子效率范围为30%95%。为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得可以吸收大部分的光子。但是，耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越(across)反向偏置结的时间就越长。由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷。,2响应度,光检测器的光电流与入射光功率之比称为响应度,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。,考虑到APD光检测器的雪崩效应，它的响应度可表示为,对于PIN，R的典型值范围是0.51.0A/W。,APD光检测器的响应度在0.75130之间,光检测器的 特性参数,光检测器性能参数,3响应光谱,光检测器的 特性参数,光检测器性能参数,对确定的半导体检测材料， 只有波长小于截止波长的 光才能被检测到，并且探 测器的量子效率随着波长 的变化而变化，这种特性 被称做响应光谱。,Si：C=1.06m，使用范围：0.51.0 m Ge： C=1.6m，使用范围：1.11.6 m InGaAs： C=1.6m，使用范围：1.11.6 m,光检测器的 特性参数,光检测器性能参数,在短波长段，材料的吸收吸收系数变得很大，因此光子在接近光检测器的表面就被吸收了，电子空穴对的寿命极短，结果载流子在由光检测器电路收集以前就已经复合了。,光检测器的 特性参数,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,4响应时间,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。,一般光检测器的产品技术指标中给出的是上升时间，对于PIN 管而言，通常上升时间tr 1ns；对于APD管而言，该值小于 0.5 ns。,5暗电流,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。,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。,光检测器的 特性参数,光检测器性能参数,第4章 光检测器和光接收器,光检测器的工作原理 光检测器的特性参数 光 接 收 机 光收发合一模块,光接收机,光信号,光电 变换,前置 放大,主放 大器,均衡 滤波,判 决 器,时钟恢复,输出,AGC电路,性能指标:接收灵敏度、误码率或信噪比,前端,线性通道,时钟提取与数据再生 （CDR）,对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。,光接收机的前端,前端：由光电二极管和前置放大器组成。 作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然后进行预放大（电流电压转换），以便后级作进一步处理。是光接收机的核心。 要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽,光接 收机,光检测器的选择：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PIN光电二极管作光探测器。 前置放大器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(FET)。PIN/FET和APD/FET。,光接收机的前端,光接 收机,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 高阻抗前端 跨（互）阻抗前端,光接收机的前端,光接 收机,高阻抗前端,尽量加大偏置电阻，把噪声减至尽可能小的值 优点：噪声较低 缺点：动态范围小、高频分量损失太大,对均衡电路提出很高要求. 多用于低速系统.,光接收机的前端,光接 收机,光接收机的线性通道,光接 收机,判决再生与时钟提取,任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号,判 决 器,时钟恢复,输出,光接 收机,判决、再生过程,最佳取样时间相应于“1”和“0”信号电平相差最大的位置，可由眼图决定。,光接 收机,判决再生与时钟提取,光接收机的噪声特性,光接收机的噪声将影响信噪比SNR和通信质量。主要来自光电探测器和前置放大器的噪声。分为两类：散粒噪声和热噪声。,光接 收机,量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时，光电子的产生和收集过程具有统计特性(泊松分布)。光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光检测过程的基本特性，从而使当其他条件都达到最佳化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。,光接 收机,光接收机的噪声特性,暗电流噪声：当没有光信号照射光检测器时，外界的一些杂散光或热运动也会产生一些电子空穴对，光检测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。,光接 收机,光接收机的噪声特性,漏电流噪声：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电压时，会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构和严格的工艺降低。,光接 收机,光接收机的噪声特性,APD倍增噪声：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的随机特性产生附加的噪声。,光接 收机,光接收机的噪声特性,热噪声：是在有限温度下，导电媒质内自由电子和振动离子间热相互作用引起的一种随机脉动。,光接 收机,光接收机的噪声特性,PIN光接收机的信噪比 SNR=平均信号功率/噪声功率 R为PIN响应度，Pin为输入光功率，RL为负载电阻， Fn为放大器噪声系数， 为有效噪声带宽， k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度,光接 收机,光接收机的噪声特性,在高阻抗或互阻抗前端中，散粒噪声可以忽略， 热噪声决定了接收机的性能，故： 在散粒噪声限制下时， 每比特脉冲所含光子数为 此时，,光接 收机,光接收机的噪声特性,APD光接收机的信噪比 在热噪声限制下： 在散粒噪声限制下：,光接 收机,光接收机的噪声特性,光接收机的技术指标,接收灵敏度：接收机工作于某一误码率所要求的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。 误码率（BER）： 接收机判决电路 错误确定一个比 特的概率。,噪声引起误码的图解说明,光接 收机,二进制信号的误码概率,I1,I0,光接 收机,光接收机的技术指标,I1,I0,光接 收机,二进制信号的误码概率,光接收机的技术指标,二进制信号的误码概率,I1,I0,光接 收机,光接收机的技术指标,二进制信号的误码概率,I1,I0,光接 收机,光接收机的技术指标,误码率为： BER取决于判决阈值ID，当：,光接 收机,光接收机的技术指标,Q被广泛用来说明接收机的特性。 Q=6，BER=10E-9 Q7， BER10E-12,通常: 2.5Gb/s系统的接收灵敏度对应于BER=10E-9； 10Gb/s系统的接收灵敏度对应于BER=10E-10；,光接收机的技术指标,光接 收机,接收机灵敏度,PIN光接收机的灵敏度：M=1，且热噪声占优势,APD光接收机的灵敏度 灵敏度最高时的最佳M值为：,光接 收机,光接收机的技术指标,光接收机灵敏度的恶化,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，这个增量称为功率代价，也称灵敏度恶化。其影响因素很多。,光接 收机,光接收机的技术指标,810Gb/s 80km G.652光纤传输实验-误码特性,光接收机的技术指标,光接 收机,第4章 光检测器和光接收器,光检测器的工作原理 光检测器的特性参数 光 接 收 机 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，有兴趣的同学可以查阅相关的资料。,掌握光检测器的工作原理。 掌握PIN光电二极管和APD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。 了解光检测器的噪声特性。 掌握数字光接收机的基本组成 部分及其作用。 掌握误码率和灵敏度的基本概念。 了解光收发合一模块。,本 章 小 结,1、通过分析p-n结来分析半导体光电二极管实现光电检测的机制。,2、比较PN型PD、PIN型PD、以及APD的优缺点。,3、什么是误码率？如何改善它？,P112：4.8 4.11,作业,本节结束，谢谢！,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