光纤通信第七章 Light Detector 光检测器.

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1 光纤通信第七章 Light Detector 光检测器

2 光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号。 光接收机
光源 调制器 驱动电路 放大器 光电二极管 判决器 光纤 中继器 光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号。 光接收机

3 光信号 输出 判 决 器 光电 变换 前置 放大 主放 大器 均衡 滤波 AGC电路 时钟恢复 性能指标:接收灵敏度、 误码率或信噪比 前端 线性通道 对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。 时钟提取与数据再生 （CDR）

4 前 言 发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了。
前 言 发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了。 光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，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电检测器。 对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。 用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些要求。

5 Chapter 7 Light Detector
7.1 光检测原理 7.2 光电倍增管 7.3 半导体光电二极管 7.4 PIN型光电二极管 7.5 雪崩光电二极管 7.6 光接收机

6 Light Detector

7 7.1 Principles of Photodetection 光探测原理
External Photoelectric Effect(外部光电效应)：金属表面通过吸收入射光子流的能量从而释放电子，形成光生电流——真空光电二极管和光电倍增管 Internal Photoelectric Effect(内部光电效应)：半导体结型器件通过吸收入射光子产生自由电荷载流子（电子和空穴）——pn结光电二极管，PIN结光电二极管，雪崩光电二极管

8 1．Responsivity 响应度 光检测器的主要性能指标 光检测器的输出电流与入射光功率之比称为响应度。 单位：安培每瓦/伏特每瓦

9 2. Spectral Response 光谱响应
检测器响应度和波长之间的函数关系。 3. Rise Time 上升时间tr 在入射光功率呈阶跃变化的条件下，检测器的输出电流从最大值的10%上升到90%所用时间。 输入功率波形 检测器输出的电流波形

10 7.2 Photomultiplier 光电倍增管
入射光子 发射电子 阴极 阳极 Vacuum photodiode真空光电二极管

11 Vacuum photodiode 单个电子从阴极逃逸需要一个最低的能量值，称为功函数(Work Function)，入射光子的能量必须大于此值才能产生光致电子发射。 光子能量hf大于功函数时，电子可以吸收光子而逸出，否则不论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任何一种材料制作的光电二极管都有截止波长(Cutoff wavelength )C： 光波长大于这个值时，入射光子没有足够的能量激励检测器，因而不能被检测到，波长小于这个值时，光子能量超过功函数，能被检测到。

12 例7.1，铯是一种常见的光致发光材料，其功函数为1.9eV,计算其截止波长。
光波长小于这个值时，光子能量超过功函数，才能被铯阴极检测到。

13 Quantum Efficiency 量子效率
量子效率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，即 检测电流正比于光功率 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%。

14 例7.2，假定检测器在0.8um波段的量子效率为1%，试计算其响应度。
例7.3，根据7.2结果，计算当检测器接收的光功率为1uW时，一个50欧负载电阻两端的电压。

15 Photomultiplier （PMT）
入射光子 倍增电极 阳极 阴极 二次发射电子

16 Photomultiplier 每个倍增电极的增益(Gain)指每个入射电子所产生的二次发射电子数的平均值。通常在2~6之间。
假设每个倍增电极的增益为δ，总的增益为： 通过外电路的电流为：

17 例7.4，假定一个光电倍增管有9个倍增电极，每个倍增电极的增益为5，计算此光电倍增管的电流放大倍数。

18 例7. 5，假设一个PMT有例7. 4所得的增益，先用来检测光功率为1uW，波长为0
例7.5，假设一个PMT有例7.4所得的增益，先用来检测光功率为1uW，波长为0.8um的光信号，阴极的效率为1%，负载为50欧。计算其响应度、电流和输出电压。

19 Photomultiplier 缺点：成本高，体积大，重量大，需要一个能提供数百伏偏置电压的电压源。
光电倍增管产生内部增益(Internal Gain)，可以在不显著降低信噪比的情况下放大信号，而放大器的外部增益（External Gain）一般会引入噪声，降低信噪比。 光电倍增管响应速度很快，不到1ns。 缺点：成本高，体积大，重量大，需要一个能提供数百伏偏置电压的电压源。

20 7.3 Semiconductor Photodiode 半导体光电二极管
半导体光电二极管体积小，重量轻，灵敏度高，响应速度快，在几伏的偏置电压下即可工作。 PN型光电二极管 PIN型光电二极管 雪崩型（APD）光电二极管

21 光探测原理----受激吸收 假如入射光子的能量超过禁带能量 Eg，耗尽区(PN结的结区也就是中间势垒所在区域，没有自由电子)每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。

22 PN结光电检测原理 导带 自由电子的产生 电子能量 自由空穴的产生 价带 结区

23 PN结光电检测原理 光电二极管（PD）是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，由光电二极管作成的光检测器的核心是PN结的光电效应。当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近基本上没有载流子，称为耗尽区。当光束入射到PN结上，且光子能量hf大于半导体材料的带隙Eg时，价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子—空穴对。

24 PN型光电二极管检测原理说明 光电转换器件 原理：光吸收
入射光 半导体 光电转换器件 原理：光吸收 在半导体材料上，当入射光子能量hf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。

25 简单的 PN 结光电二极管具有两个主要的缺点。
首先，它的响应速度很慢。 其次，它的量子效率很低，响应度很低。

26 7.4 PIN Photodiode PIN光电二极管
结构：P+和N型半导体材料之间插入了一层掺杂浓度很低的半导体材料（如Si），记为I，称为本征区。 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。

27 7.4.1 Cutoff Wavelength 截止波长

28 半导体材料 禁带宽度Eg/eV 波长 /nm Si 1.17 1067 Ge 0.775 1610 GaAs 1.424 876 InP 1.35 924 AlGaAs 1.42~1.92 879~650 InGaAs 0.75~1.24 1664~1006 0.75~1.35 1664~924

29 7.4.2 Materials 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，并且检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。 半导体材料的响应光谱 Si：C=1.06m，使用范围：0.5~1.0 m Ge： C=1.6m，使用范围：1.1~1.7 m InGaAs： C=1.6m，使用范围：1.1~1.7 m

30 综上所述，检测某波长的光时要选择合适材料作成的光检测器。首先，材料的带隙决定了截止波长要大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。其次，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。Si―PIN光电二极管的波长响应范围为0.5～1μm，Ge―PIN和InGaAs―PIN光电二极管的波长响应范围约为1~1.7μm。

31 7.4.3 Current-Voltage Characteristic 电流—电压特性
光电二极管电流（uA） 光电导区域 光伏特区域 光电二极管（V） 硅光电二极管的电流-电压特性曲线

32 Current-Voltage Characteristic
光导电模式：在正向偏置条件下，输出电流与输入光功率成正比。（光检测器） 光伏模式：在未加偏置电压时，入射光功率会产生一个正向电压。（太阳能电池） 暗电流：在没有光功率的情况下，反向偏置的二极管内也有一个微小的反向电流存在。暗电流是由二极管内自由电荷载流子的热运动产生的。它影响接收机的信噪比。

33 Dark Current 暗电流 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。

34 例7.6，估算一个响应度为0.5A/W，暗电流为1nA的PIN光电二极管的最小检测功率。

35 7.4.4 Speed of Response 响应速度

36 Speed of Response

37 PIN光电二极管的性能参数 量子效率  响应度 ρ 暗电流, 表示无光照时出现的反向电流，它影响接收机的信噪比;
响应速度, 它表示对光信号的反应能力，常用对光脉冲响应的上升的时间表示; 结电容 (pF), 它影响响应速度。

38 7.5 Avalanche Photodiodes 雪崩光电二极管APD
APD的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在 PN 结内部形成一个高电场区。 APD能提供内部增益 工作速度高 已广泛应用于光通信系统中

39 Avalanche Photodiodes
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： 入射光 一对电子-空穴对(一次光生电流) 与晶格碰撞电离 多对电子-空穴对(二次光生电流） 吸收 外电场加速

40 Avalanche Photodiodes
增加了一个附加层，倍增区或增益区，以实现碰撞电离产生二次电子－空穴对。 耗尽层仍为I层，起产生一次电子－空穴对的作用。

41 平均雪崩增益

42 Photomultiplier 电流增益随反向偏置电压Vd的增加而增加： VBR为二极管的击穿电压,n是个大于1的经验参数。
典型的APD的响应度在20A/W到80A/W之间。

43 上升时间定义 上升时间定义为输入阶跃光功率时，探测器输出光电流最大值的 10 % 到 90 % 所需的时间。
APD的响应速度（上升时间）受限于载流子的渡越时间和RC电路的时间常数。

44 光检测器的噪声 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。
偏置电阻 光子流 h RL 量子噪声 暗电流噪声 漏电流噪声 APD倍增噪声 热噪声 放大器噪声 接收机噪声及其分布图： 散粒噪声

45 光检测器 放大器 偏置电阻 光子流 h RL 量子噪声 暗电流噪声 漏电流噪声 APD倍增噪声 热噪声 放大器噪声 接收机噪声及其分布图： 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。

46 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。
光检测器 放大器 偏置电阻 光子流 h RL 量子噪声 暗电流噪声 漏电流噪声 APD倍增噪声 热噪声 放大器噪声 接收机噪声及其分布图： 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。

47 散粒噪声 光生电流是一个随机变量，它围绕着某一平均统计值而起伏，这种起伏称做散粒噪声的电流起伏is(t)。 光电二极管中的光生电流
散粒噪声可以用均方散粒噪声电流表示 雪崩光电二极管的散粒噪声

48 散粒噪声 过剩噪声指数FA 降低散粒噪声的方法： 在判决电路之前使用滤波器，使得信道的带宽变窄。

49 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。
光检测器 放大器 偏置电阻 光子流 h RL 量子噪声 暗电流噪声 漏电流噪声 APD倍增噪声 热噪声 放大器噪声 接收机噪声及其分布图： 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。 热噪声由均方热噪声电流表示

50 光电二极管总的噪声电流均方值

51 光检测器比较 PIN响应度为0.5A/W~0.7A/W, APD是它的数十倍，倍增光电二极管则是数百倍。
PIN检测器便宜，对温度不敏感，所需反向偏置电压较低，在绝大多数场合比APD受欢迎。 APD检测器与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。对于长距离线路或系统为功率受限系统，APD的高增益显得很必要。

52 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1330nm和1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。

53 7.6 Light Receiver 光接收机

54 1. The Front 前端：由光电二极管和前置放大器组成。
电信号 光信号 光电 变换 前置 放大 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），以便后期作进一步处理。是光接收机的核心。 要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽

55 The Front 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。

56 Preamplifier 优点：宽频带、低噪声、灵敏度高、动态范围大，性能稳定，容易通过调节RF来控制增益等综合优点，被广泛采用。

57 Linear channel 对主放大器输出的失真数字脉冲进行整形，使之成为有利于判决码间干扰最小的余弦波形。
提供高的增益，放大到适合于判决电路的电平。 主放 大器 均衡 滤波 AGC电路 自动增益控制电路:可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定。

58 Filter 滤波器 作用：对已发生畸变和有严重码间干扰的信号进行均衡，使其尽可能地恢复原来的状况，以利于定时判决。

59 Ruling regeneration and clock extraction 时钟恢复和判决电路
任务：把线性通道输出的余弦波形恢复成数字信号 确定是“1”或是“0”，需要对某时刻的码元作出判决。若判决结果为“1”，则由再生电路产生一个矩形“1”脉冲；若判决结果为“0”，则由再生电路重新输入一个“0”。 输出 判 决 器 时钟恢复 为了精确地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致。

60 Ruling regeneration 若信号电平超过判决门限电平，则判为“1”码；低于判决门限电平，则被判为“0”码。

61 光接收机的技术指标 灵敏度Sensitivity ：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 （Bite Error rate BER）： 接收机判决电路 错误确定 一个比 特的概率。

62 量子极限 假设光检测器具有理想特性，量子效率为1，无热噪声，无暗电流时，数字系统中对于给定误码率所要求的最小接收光功率，这个最小接收到的功率值就是量子极限。 量子极限是对系统特性的基本物理限制，大多数接收机的灵敏度比量子极限高出20dB.

63 本章小结 光检测器工作基于半导体材料对光的吸收原理，它是将光信号转换成电流信号的器件，分成PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管两类。
评价光检测器的性能指标有：量子效率、响应度、响应光谱、响应时间、暗电流等。 光检测器的噪声主要有散粒噪声和热噪声，它们反映了光检测器的重要特征，对整个光接收机的性能有关键的影响。

64 本章小结 光接收机分为模拟光接收机和数字光接收机两类，数字光接收机的基本组成是光检测器、前置放大器、主放大器、滤波器和判决电路。误码率和灵敏度反映了它的技术性能。