第五章 光检测器及光接收机

第五章 光检测器及光接收机

光接收机：把光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复为原传输的信号。组成：光检测器、低噪声前置放大器、主放大器、均衡器以及滤波器等。

光检测器：将接收到的光信号转换成电信号。

5.1 光探测原理

一、PN结的光电效应

光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换的。

1.光电效应：在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应。

2.光电检测器核心器件：光电二极管(PD)，是一个工作在反向偏压下的PN结二极管。

3.PN结的光电效应及条件：如图5.1 所示，当入射光子能量hf 小于禁带宽度Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足以下条件

hf ≥Eg （5.1）

E即光频fc＜ g 的入射光是不能产生光电效应的，将fc 转换为波长，则

h

hcλc= （5.2）

Eg

即只有波长λ＜ λc 的入射光，才能使这种材料产生光生载流子，故λc 为产生光电效应的入射光的最大波长，又称为截至波长，相应的fc 称为截至频率。

图5.1半导体材料的光电效应

二、光探测过程的基本原理

假设入射光子的能量hf超过禁带能量Eg，是有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。在PN结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽层，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N区进入正电极。当电路闭合时，在外电路形成光生电流IP。当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号变成电流信号。光生电流IP与产生的电子空穴对和这些载流子运动的速度有关。也就是说直接与入射光功率Pin成正比，即

IPRPin （5.3）

式中R是光电检测器响应度（用A/W表示）。由此式可以得到

RIP （5.4） Pin响应度R可以用量子效应表示，其定义是产生的电子数与入射光子数之比，即

IP/qhfR （5.5）

Pin/hfq式中q=1.6×10-19库仑，是电子荷，h=6.63×10-34焦耳-秒，是普朗克常数，f是

入射光频率。由此式可以得到响应度

Rqhf1.24 （5.6）

式中c/f是入射光波长，用微米表示。上式表示光电检测器响应度随波长而增加，这是因为光子能量hf减小时可以产生与减少的能量相等的电流。R和λ的这种线性关系不能一直保持下去，因为光子能量太小时将不能产生电子。当光子能量变得比禁带能量Eg小时，无论入射光多强，光电效应也不会发生，此时量子效率下降到零，也就是说，光电效应必须满足（5.1）式的光电效应条件。

5.2 半导体光检测器

5.2.1 光检测器

一、概述 1.核心器件：2.

3.对光检测器的基本要求是：

（1）在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；

（2）具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； （3）具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； （4）具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； （5）具有较小的体积、较长的工作寿命等。 二、PN光电二极管

1、工作原理：入射光从P侧进入，在耗尽区光吸收产生的电子－空穴对在内建电场作用下分别向左右两侧运动，产生光电流。

2、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，见如下公式及图。

（5.7） rwvs

3、PN光电二极管缺点：由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢，见图5.2所示。

图5.2考虑漂移和扩散运动时PN光电二极管对矩形脉冲的响应

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托尾加长，影响光 电二极管的响应速度。

4、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。

5.2.2 PIN光电二极管

一、PIN光电二极管的结构及工作原理

1.PIN光电二极管的产生：为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。 2.PIN光电的工作原理和结构：

（1）中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体：I层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子 - 空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。

（2）两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。

另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。 二、PIN光电二极管的特性：

1.波长响应范围：半导体光电检测器只可对一定波长范围的光信号进行有效的光电转换，这一波长范围就是波长响应范围。 材料的选择：（1）材料的带隙决定了截止波长要大于被检测的光波波长（2）材料的吸收系数不能太大。

2.响应度：描述光检测器能量转换效率的一个参量，定义公式如（5.4）。

3.量子效应：表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，公式（5.5）。 提高量子效应方法：减小入射表面的反射率，使入射光子尽可能多地进入PN结；同时减少在表面层被吸收的可能性，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区内被充分吸收。

4.响应速度：是光电检测器的另一个重要参数，通常用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。

5.噪声特性：包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声以及负载电阻的热噪声。除负载电阻的热噪声以外，其它都为散弹噪声（由于带电粒子产生和运动的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白噪声）

5.1.3 雪崩光电二极管(APD)

一、雪崩光电二极管的工作原理与结构

1.定义：雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche Photo Diode）。它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。

2.工作原理：APD的雪崩效应

APD的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了能量；越过禁带到导带，产生了新的电子—空穴对；新产生的电子—空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子—空穴对……如此循环下去，形成雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增。 APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。 3.结构：例如拉通（又称通达）型。（书上第63页，图3.26） 二、雪崩光电二极管的特性

与PIN相比，雪崩光电二极管的主要特性也包括波长响应范围、量子效应、响应度响应速度等。除此之外，由于APD中雪崩倍增效应的存在，APD的特性还包括雪崩倍增特性、倍增噪声、温度特性等。 1.倍增因子：书上第63页，公式（3.25）

2.噪声特性：除了与PIN相同的噪声外，还有附加的噪声。 三、

四、

5.2 数字光接收机

5.2.1 光接收机

一、光接收机作用：是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。

二、组成：光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端。前端性能是决定光接收机的主要因素。

强度调制—直接检波（IM-DD）的光接收机方框图如下图所示，主要包括光电检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。

图5.2数字光接收机方框图

三、分类：

5.2.2 数字光接收机的组成

一、结构：1.

2.

二、主要组成部分的作用：

1.光电检测器：光电检测器是把光信号变换为电信号的关键器件 2.放大器：光接收机的放大器包括前置放大器和主放大器两部分。 （1）对前置放大器：要求是较低的噪声、较宽的带宽和较高的增益。 前置放大器的的类型目前有3种：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器（或跨导前置放大器）。

（2）主放大器：一般是多级放大器，它的功能主要是提供足够高的增益，把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号电平。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，输出电信号应保持恒定输出。

主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。 3.均衡器：均衡器的作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进行均衡补偿，减小误码率。

4.再生电路：再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号，由判决器和时钟恢复电路组成。再生电路包括：判决电路和时钟提取电路。 5.自动增益控制（AGC）：AGC就是用反馈环路来控制主放大器的增益。作用是增加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出保持恒定。 三、光电集成接收机

1.图5.2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。

2.不论是硅(Si)还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使集成电路的工作带宽超过2 GHz，甚至达到10 GHz。 

3.为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收机，即用“光电集成电路(OEIC)技术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。 4.对于工作在1.3~1.6 μm波长的系统，人们需要基于InP的OEIC接收机。 5.在1991年试验成功的单路InGaAs OEIC接收机，其运行速率达5 Gb/s。  6.InGaAs OEIC接收机也可以用混合法实现。 四、数字光发送机的主要指标： 1.灵敏度：是指在给定误码率条件下，能够检测到的最小信号光功率，通常用dBm表示。它表示接收机检测微弱信号的能量。

光接收机的灵敏度是指在系统满足给定误码率指标的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分贝（dBm）来表示，即

PPR10lgmin(dBm)

1mW

2.动态范围：指接收机可以正常工作的输入信号的变化范围。

光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最低输入光功率（dBm）和最大允许输入光功率（dBm）之差（dB）。

PPmaxPminD＝10lgmax10lg10lg(dB)

103103Pmin

动态范围是光接收机性能的另一个重要指标，它表示光接收机接收强光的能力，数字光接收机的动态范围一般应大于15 dB。

由于使用条件不同，输入光接收机的光信号大小要发生变化，为实现宽动态范围，采用AGC是十分有必要的。AGC一般采用直流运算放大器构成的反馈控制电路来实现。

对于APD光接收机，AGC控制光检测器的偏压和放大器的输出； 对于PIN光接收机，AGC只控制放大器的输出。

3.误码率：误码率是码元被错误判决的概率，可以用在一定的时间间隔内，发生差错的码元数和在这个时间间隔内传输的总码元数之比来表示。 4.信噪比：

5.自动增益控制(AGC)：放大器是一个普通的宽带高增益放大器， 由于前置放大器输出信号幅度较大，所以主放大器的噪声通常不必考虑。

5.2.3 数字光接收机的噪声

一、数字光接收机的噪声源 1.分类：

（1）外部电磁干扰产生：这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除； （2）内部产生：这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，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。 我们要讨论的噪声是指内部产生的随机噪声。

2.光接收机噪声的主要来源是:光电检测器的噪声和光接收机的电路噪声。

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。

3.主要两种噪声：

（1）光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD的倍增噪声。

（2）电路噪声主要是前置放大器的噪声。前置放大器的噪声包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声。 4.各种噪声产生的原因：

（1）量子噪声：是指当一个光电检测器受到外界光照，其光子激励而产生的光生载流子是随机的，从而导致输出电流的随机起伏。这是检测器固有的噪声。 （2）暗电流噪声：暗电流是指无光照射时光电检测器中产生的电流。由于激励出的暗电流是浮动的，就产生了噪声，称为暗电流噪声。

（3）雪崩管倍增噪声：由于雪崩光电二极管的雪崩倍增作用是随机的，这种随机性，必然要引起雪崩管输出信号的浮动，从而引入噪声。

（4）光接收机的电路噪声：主要指前置放大器噪声，其中包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声。

二、数字光接收机的噪声特性的分析方法

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。