光纤通信技术 张新社 刘原华 何华 金蓉 光纤通信技术-第四章-光探测器与光接收机 (1)

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1、4.1光探测器4.2光接收机第4章光探测器与光接收系统本章简介光接收机的作用就是检测经过光纤传输后的微弱信号，并放大、整形、再生成原输入信号，它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光探测器。本章主要介绍光探测器的工作原理和器件、光接收机的主要组成、噪声、灵敏度和动态范围等。4.1光探测器光发射机发射的光信号，在光纤中传输时，不仅幅度被衰减，而且脉冲的波形被展宽。光接收机的作用，是探测经过传输的微弱光信号，并放大，再生成原传输的信号。图4.1数字光接收机的组成在光接收机中，首先需要将光信号转换成电信号，即对光进行解调，这个过程是由光电

2、检测器（光电二极管或雪崩光电二极管）的光电效应来完成的。光电检测器把光信号转换成电流信号送入前置放大器。前置放大器的噪声对整个放大器的输出噪声影响甚大，因此，它应该是精心设计和制作的低噪声放大器。主放大器的作用除提供足够的增益外，它的增益还受AGC电路控制，使输出信号的幅度在一定的范围内不受输入信号幅度的影响。均衡滤波器的作用是保证判决时不存在码间干扰。判决器和时钟恢复电路对信号进行再生。如果在发射端进行了线路编码（或扰乱），在接收端还需要有相应的译码（或解扰）电路。4.1.1半导体PN结的光电效应当把P型半导体和N型半导体制作在一起时，在它

3、们的交界面，两种载流子（空穴和电子）的浓度差很大，因而P区的空穴必然向N区扩散，与此同时，N区的自由电子也必然向P区扩散。图中P区标有负号的小圆圈表示除空穴外的负离子，N区标有正号的小圆圈表示除自由电子外的正离子。由于扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动的，称为空间电荷区，从而形成内建电场。随着扩散运动的进行，空间电荷区加宽，内建电场增强，其方向由N区指向P区，正好阻止了扩散运动的进行。在内建电场的电场力作用下，载流子的运动称为漂移运动。此时，空

4、穴从N区向P区运动，电子从P区向N区运动。在无外电场和其他激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结。绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴的数目都非常少，在分析PN结特性时常忽略载流子的作用，而只考虑离子区的电荷，这种方法称为耗尽层近似，故称空间电荷区为耗尽层当入射光作用在PN结时，如果光子的能量大于等于带隙（），便发生受激吸收，此时在耗尽层会产生电子-空穴对。耗尽层产生的电子-空穴对在内建电场的作用下发生运动，电子向N区移动，空穴向P区移动，从而形成漂移电流。在耗尽层两侧是没有电场的中性区，部分

5、光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在内建电场的作用下形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。光检测器正是利用PN结的光电效应制成的，光纤通信中最常用的光电检测器是:PIN光电二极管雪崩光电二极管在PN结形成的耗尽层与中性区相比很薄，因此，入射光大部分先被中性区所吸收，只有剩余的部分进入耗尽层。如前所述，在中性区被吸收的光子也能产生电子-空穴对，但由于中性区无电场，因此只有部分电子和空穴能够通过扩散运动进入耗尽层，形成光生电流。这一方面浪费了大量的光子，使得PN光电二极管的光电转换效率低，另一

6、方面，由于扩散运动比漂移运动在速度上慢很多，因此扩散电流将比漂移电流延迟，实际上就是降低了光电管的响应速度。因此，光电二极管通常要施加反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散电流分量，同时也可提高转换效率。但反向偏压的作用是有效的，应在结构上进行改进。4.1.2PIN光电二极管PIN光电二极管的工作原理与结构在PN结中间掺入一层浓度很低的N型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称I层，因此这

7、种结构称为PIN光电二极管.如图所示。I层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。图4.4PIN光电二极管的结构示意图2.PIN光电二极管的主要特性(1)量子效率量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性。量子效率定义为通过结区的载流子数与入射光子数的比值，其数学表达式为（4.1）式中，为电子电荷，其值约为；

8、为光频；为光生电流的平均值；P为平均入射光功率值；h为普朗克常数。（2）响应度响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性。响应度的定义是：在一定波长的光照射下，光