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區漂移，空穴向P區漂移，載流子移動到外部電路形成光電流。§4.1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區的光生載流子形成的電流

N區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。光電檢測器電流輸出光波輸入空間電荷區擴散電流漂移電流增大漂移電流，減小擴散電流擴散電流，光電轉換效率低，響應速度慢漂移電流,光電轉換效率高，相應速度快增加PN結的反偏耗盡層加偏置電壓的好處：加大耗盡區的寬度，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區的耗盡區很寬，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區的吸收系數小，因而光電轉化效率高。一、結構及特點在p區和n區之間插入I區，增加了耗盡區的寬度，使得大部分的入射光在耗盡區被吸收，因此大部分的載流子也在此區域內產生。耗盡區的高電場使得電子-空穴對迅速分開并在反向偏置的結區中向兩端流動，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?1eV=1.602×10-19J電子伏（electronvolt），符號為eV，是能量的單位。代表一個電子（電量為-1.6×10-19庫倫）經過1伏特的電位差加速后所獲得的動能。臨界波長1

）雪崩光電二極管的的結構3、雪崩光電二極管(APD)高摻雜的型半導體，為接觸層；

P型半導體，為倍增層（或稱雪崩區）；I輕摻雜半導體I層，為漂移區（光吸收區）；N+高摻雜的型半導體，為接觸層。當外加的反向偏壓(約100V—150V)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)的工作原理此時若光從P區照射，則和PIN一樣，大部分光子將在較厚的I層被吸收，因而產生電子、空穴對。入射光功率產生的電子空穴對經過高場區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。雪崩過程倍增了一次光生電流，因此，在雪崩光電二極管內部就產生了放大作用。雪崩光電二極管就是這樣既可以檢測光信號，又能放大光信號電流。高電場光一次電子光電檢測器—光電二極管§4.2光電二極管的工作特性量子效率響應度響應帶寬

APD的倍增系數噪聲1、量子效率

2、響應度：響應度表征了光電二極管的能量轉換效率e是電子電荷，h是普朗克常數R的單位為A／W光電二極管的主要特性參數光電二極管光子數s電子數m

波長λ的單位取μm響應度隨波長增加而增大。例一PIN光電二極管，半導體材料為InGaAs，量子效率大約為90％，工作波長為1300nm，求響應度。

3、APD光電二極管的倍增因子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mM例：一種硅APD在波長900nm時的量子效率為65％，假定0.5uW的光功率產生的倍增電流為10uA，試求倍增因子M。倍增因子M為：因此，初級光電流被放大了43倍。初級光電流為：解：4、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散粒噪聲是一種電流漲落is(t)，由隨機時間產生的電子流組成，考慮散粒噪聲引起的電流波動時，由恒定光信號功率產生的光電二極管的電流可寫為為光檢測器平均電流為噪聲電流散粒噪聲譜密度在整個頻域為常數，為白噪聲噪聲譜密度噪聲方差為Δf是接收機的有效噪聲帶寬是在產生光電流的過程中產生的PIN光電二極管（1）量子(散粒)噪聲APD的倍增因子本身也是隨機變化的，M僅是取其平均值。FA為APD的過剩噪聲因子kA=0時，FA不超過2；kA=1時，FA保持FA＝M方式增大，

FA隨M線性增大。為減小FA，kA應盡可能小。APD的散粒噪聲PINM2過剩噪聲因子FA與增益M的關系電子與空穴的離化率比（2）光電二極管的暗電流噪聲其中ID是初級（未倍增過的）光檢測器體暗電流。光電二極管K：玻耳茲曼常數T：絕對溫度（3）光電探測器電阻的熱噪聲熱噪聲是在有限溫度下，導電媒質內自由電子和振動離子間熱相互作用引起的一種隨機脈動。一個電阻中電子的這種隨機脈動，即使沒有外加電壓也表現為一種電流波動。光檢測器負載電阻中產生的這種電流波動將疊加到光檢測器產生的光電流中。熱噪聲引起的電流波動，在數學上可用穩態高斯隨機過程來模擬，其譜密度在0THz～1THz范圍內均與頻率無關，近乎是一種白噪聲，譜密度為熱噪聲（電流）方差為熱噪聲與光電流無關，即使沒有光功率輸入，熱噪聲還是存在的。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．耗盡區的光載流子的渡越時間；2．耗盡區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和耗盡區寬度w決定一般情況下，耗盡區的電場足夠高，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寬度為10um，極限響應時間為0.1ns。上升時間的快速反應分量源于耗盡區產生的載流子，

A＝擴散層面積而慢速分量則是源于距離耗盡區邊界處的載流子的擴散。在光脈沖的后沿，耗盡區的光脈沖吸收得很快，所以在下降時間里產生了快速分量，在距耗盡區邊界以內的載流子擴散造成了脈沖后沿的一個很慢的延遲拖尾。另外，如果w太小，結電容也會變得很大。結電容Cj為：這個電容增大，就會使RC時間常數變大，從而限制了檢測器的響應時間。為了獲得較高的量子效率，耗盡區寬度必須大于1/（吸收系數的倒數）這樣才能吸收大部分的光。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。所以窄耗盡區的器件會有明顯不同的慢速和快速響應分量。一個低電容的、耗盡區寬度的光電二極管對矩形輸入脈沖的響應，它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表4.1兩種典型光電二極管的主要參數管型參數InGaAs---PINInGaAs---APD工作波長(λ)/μm1.301.551.55量子效率（η）/%756075響應度（

R）/(A/W)0.780.780.94暗電流（Id）/nA0.10.120截止頻率(fc)/GHz2.02.03.0電容(Ct)/pF1.11.10.5典型應用622Mb/s系統622Mb/s系統2.5Gb/s系統應用APD：用于靈敏度要求較高的地方，但造價高PIN：靈敏度要求不高的地方，便宜§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。光接收機的輸出特性綜合反映了整個光纖通信系統的性能。光纖通信系統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。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。低阻抗前端優點：電路簡單，不需要或只需要很少的均衡，前置級的動態范圍也較大。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。互阻抗前端是一個性能優良的電流—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.優點：動態范圍大，頻帶寬、噪聲低、靈敏度高。400Mb/s光接收機前端2Gb/s光接收機前端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。

3、光接收機的線性通道光接收機的線性通道:高增益放大器低通濾波器（或均衡器)自動增益控制(AGC)放大器：高增益放大，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

）：對信道特性進行均衡，控制可能出現的碼間串擾(ISI)。多級網絡的噪聲噪聲系數(1)放大器的噪聲和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(2)信道特性均衡信道信道均衡器

當Δf＜B時，電脈沖展寬超過了規定的比特時隙，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。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(1)PIN信噪比與噪聲的關系熱噪聲限制下，在高阻抗或互阻抗前端光接收機中，σT>>σs，熱噪聲決定了接收的性能，散粒噪聲和暗電流噪聲可忽略SNR隨入射功率平方倍變化，增加負載電阻可以提高信噪比。說明為什么大多數光接收機采用高阻抗或互阻抗前端的原因散粒噪聲限制下增大入射功率可達到散粒噪聲限制，同時減小暗電流Id的影響的效果，當忽略Id的影響時可見，在散粒噪聲限制下，SNR隨Pin線性增加，并隨量子效率η、有效噪聲帶寬Δf

和光子能量hν而變可用包含在每比特“1”中的光子數Np表示帶寬Δf的典型值為Δf＝B/2，則有SNR＝ηNp。在散粒噪聲限制下，欲得SNR＝20dB，則需Np≈100例題：接收機的信噪比

lnGaAsPIN光接收機具備如下參數：負載電阻RL＝300k；光電管暗電流Id＝5nA；絕對溫度T＝300k；放大器帶寬是500MHz；假設放大器沒有噪聲，在入射光功率Pin＝20nW下產生平均光電流Ip＝15nA。計算接收機的信噪比SNR。

解：PIN信噪比表達式如下第一步：求S及第二步：求均方根熱噪聲T第三步：求SNR通常SNR用dB表示，SNR＝10Log7.3＝8.63dB

(2)APD光接收機的信噪比在給定輸入功率Pin時，為達到最大SNR所要求的APD增益，即倍增增益的最佳值MoptAPD信噪比與噪聲的關系熱噪聲限制下比PIN接收機提高了倍散粒噪聲限制下比PIN接收機降低了倍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/