【正文】 第四章 光檢測器和光接收系統(tǒng) 數(shù)字光接收機(jī)的功能是 :把經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減 、 波形被展寬的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號 ， 并放大處理 ， 恢復(fù)為原始的數(shù)字碼流 。 主要性能指標(biāo)： 靈敏度 和 動態(tài)范圍 光接收機(jī)基本組成 直接強(qiáng)度調(diào)制 ， 采用直接檢測方式的數(shù)字光接收機(jī)方框圖示于圖 。 主要包括： 光檢測器 、 前置放大器 、 主放大器 、 均衡器 、 時鐘提取電路 、 取樣判決器 以及 自動增益控制 (AGC)電路 。 圖 數(shù)字光接收機(jī)方框圖 光檢測器 偏壓控制 前置放大器 AGC 電路 均衡器 判決器 時鐘 提取 再生碼流 主放大器 光信號 1. 光檢測器 光檢測器 是光接收機(jī)實現(xiàn)光 /電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件 ， 其性能特別是響應(yīng)度 和 噪聲 直接影響光接收機(jī)的靈敏度 。 對光檢測器的要求如下： (1) 波長響應(yīng)要和光纖低損耗窗口 ( μm、 μm和 μm)兼容； (2) 響應(yīng)度要高 ， 在一定的接收光功率下 ， 能產(chǎn)生最大的光電流； (3) 噪聲要盡可能低 ， 能接收極微弱的光信號； (4) 性能穩(wěn)定 ， 可靠性高 ， 壽命長 ， 功耗和體積小 。 目前 ， 適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的光檢測器有 PIN光電二極管和 雪崩光電二極管 (APD)。 2. 放大器 前置放大器應(yīng)是低噪聲放大器 ， 它的噪聲對光接收機(jī)的靈敏度影響很大 。 前放的噪聲取決于放大器的類型 ， 目前有三種類型的前放可供選擇 (參看 )。 主放大器 一般是多級放大器 ， 它的作用是： （ 1） 提供足夠的增益 （ 2） 并通過它實現(xiàn) 自動增益控制 (AGC)， 使輸入光信號在一定范圍內(nèi)變化時 ， 輸出電信號保持恒定 。 主放大器 和 AGC決定著光接收機(jī)的 動態(tài)范圍 。 3. 均衡和再生 均衡的目的： ?對經(jīng)光纖傳輸 、 光 /電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變 (失真 )的電信號進(jìn)行補(bǔ)償 。 ? 使輸出信號的波形適合于判決 (一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形 )， 以消除碼間干擾 ， 減小誤碼率 。 再生電路包括： 判決電路 和 時鐘提取電路 再生電路功能：從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元時鐘 ， 并逐個地對碼元波形進(jìn)行取樣判決 ， 以得到原發(fā)送的碼流 。 4. 光電集成接收機(jī) 圖 ， 很容易用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路 (IC)技術(shù)將它們集成在同一芯片上 。 不論是硅 (Si)還是砷化鎵 (GaAs)IC技術(shù)都能夠使集成電路的工作帶寬超過 2 GHz， 甚至達(dá)到 10 GHz。 為了適合高傳輸速率的需求 ， 人們一直在努力開發(fā)單片光接收機(jī) ， 即用 “ 光電集成電路 (OEIC)技術(shù) ” 在同一芯片上集成包括光檢測器在內(nèi)的全部元件 。 對于工作在 ~ μm波長的系統(tǒng) ， 人們需要基于 InP的OEIC接收機(jī) 。 在 1991年試驗成功的單路 InGaAs OEIC接收機(jī) ， 其運(yùn)行速率達(dá) 5 Gb/s。 InGaAs OEIC接收機(jī)也可以用 混合法實現(xiàn) 。 如圖 ， 電元件集成在 GaAs基片上 ， 而光檢測器集成在 InP基片上 ， 兩個部分通過接觸片連接在一起 。 圖 光電集成接收機(jī) 光 檢 測 器電 路 部 分G a A s 基片N＋ I n P 基片P 接 觸 片 N 接 觸 片 光檢測器 在耗盡層 形成漂移電流 。 內(nèi)部電場的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動，空穴向 P區(qū)運(yùn)動 光電二極管工作原理 光電二極管 (PD)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能 ， 是由半導(dǎo)體 PN結(jié)的 光電效應(yīng) 實現(xiàn)的 。 電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動 PN結(jié)界面 內(nèi)部電場 漂移運(yùn)動 能帶傾斜 如果光子的能量大于或等于帶隙 ( hf ≥ Eg ) 當(dāng)入射光作用在 PN結(jié)時 發(fā)生受激吸收 在耗盡層兩側(cè)是沒有電場的中性區(qū) ， 由于熱運(yùn)動 ， 部分光生電子和空穴通過擴(kuò)散運(yùn)動可能進(jìn)入耗盡層 ， 然后在電場作用下 ， 形成和 漂移電流 相同方向 的 擴(kuò)散電流 。 漂移電流 分量和 擴(kuò)散電流 分量的總和即為 光生電流 。 當(dāng)與 P層和 N層連接的電路開路時 ， 便在兩端產(chǎn)生電動勢 ， 這種效應(yīng)稱為 光電效應(yīng) 。 當(dāng)連接的電路閉合時 ， N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向 P區(qū) 。 同樣 ， P區(qū)的空穴流向 N區(qū) ， 便形成了 光生電流 。 當(dāng)入射光變化時 ， 光生電流隨之作 線性變化 ， 從而把 光信號轉(zhuǎn)換成 電信號 。 這種由 PN結(jié)構(gòu)成 ， 在入射光作用下 ， 由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子 空穴對的運(yùn)動 ， 在閉合電路中形成光生電流的器件 ，就是簡單的 光電二極管 (PD)。 如圖 (b)所示 ， 光電二極管通常要 施加 適當(dāng)?shù)?反向偏壓 ，目的是 增加 耗盡層的寬度 ， 縮小耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度 ， 從而減小光生電流中的 擴(kuò)散分量 。 由于載流子 擴(kuò)散運(yùn)動 比 漂移運(yùn)動 慢得多 ， 所以減小擴(kuò)散分量的比例便可顯著提高 響應(yīng)速度 。 但是提高反向偏壓 ， 加寬耗盡層 ，又會增加載流子漂移的 渡越時間 ， 使響應(yīng)速度減慢 。 為了解決這一矛盾 ， 就需要改進(jìn) PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu) 。 PIN 光電二極管 PIN光電二極管的產(chǎn)生 由于 PN結(jié)耗盡層只有幾微米 ， 大部分入射光被中性區(qū)吸收 ， 因而 光電轉(zhuǎn)換效率 低 ， 響應(yīng)速度 慢 。 為改善器件的特性 ， 在 PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體 (稱為 I)， 這種結(jié)構(gòu)便是常用的 PIN光電二極管 。 PIN光電二極管 的工作原理和結(jié)構(gòu)見圖 。 中間的 I層是 N型 摻雜濃度很低的 本征半導(dǎo)體 ，用 Π(N)表示；兩側(cè)是 摻雜濃度 很高 的 P型和 N型半導(dǎo)體，用 P+和 N+表示。 I層很厚， 吸收系數(shù) 很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量 電子 空穴對 ，因而大幅度提高了 光電轉(zhuǎn)換效率 。 兩側(cè) P+層和 N+層很薄，吸收入射光的比例很小， I層幾乎占據(jù)整個 耗盡層 ， 因而光生電流中 漂移分量 占支配地位，從而大大提高了 響應(yīng)速度 。 另外，可通過控制 耗盡層的寬度 ω，來改變器件的 響應(yīng)速度 。 圖 3. 21 PIN光電二極管結(jié)構(gòu) 抗 反 射 膜光電極? ( n )P＋N＋E電極式中 ， hf 為 光子能量 ， e為 電子電荷 。 ehfPIhfPeI PP00 // ????入射光子數(shù)空穴對光生電子對? () )/(0WAhf ePI P ?? ??() PIN光電二極管具有如下主要特性： (一 ) 量子效率和光譜特性 。 光電轉(zhuǎn)換效率 用 量子效率 η或 響應(yīng)度 ρ表示 。 量子效率η的定義為一次 光 生電子 空穴對 和 入射光子數(shù) 的比值 響應(yīng)度 的定義為一次 光生電流 IP和 入射光功率 P0的比值 式中 ， α(λ)和 ω分別為 I層的吸收系數(shù)和厚度 。 由式 ()可以看到 ， 當(dāng) α(λ)ω1時 ， η→ 1， 所以為提高量子效率 η， I層的厚度 ω要足夠大 。 （ 1） 量子效率 和 響應(yīng)度 取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu) 。 假設(shè)器件表面反射率為零 ， P層和 N層對量子效率的貢獻(xiàn)可以忽略 ， 在工作電壓下 ， I層全部耗盡 ， 那么 PIN光電二極管的 量子效率 可以近似表示為 1 e x p [ ( ) ]? ? ? ?? ? ?() （ 2） 量子效率 的光譜特性取決于半導(dǎo)體材料的 吸收光譜 α(λ)，對長波長的限制由式 ()確定，即 λc= h c/Eg。 圖 量子效率 η和 響應(yīng)度 ρ的光譜特性，由圖可見， Si 適用于 ~， Ge 和 InGaAs 適用于 ~ μm波段。響應(yīng)度一般為 ~ (A/W)。 ? ? ?圖 322 PIN光電二極管響應(yīng)度 、量子效應(yīng)率 與波長 的關(guān)系 10163。 165。30163。 165。50163。 165。70163。 165。? 163。 189。 90163。 165。GeI nG a A s0. 7 0. 9 1. 1 1. 3 1. 5 1. 700. 20. 40. 60. 81. 0? ???? m??? (?161。164。W163。 1)Si (二 ) 響應(yīng)時間和頻率特性 。 光電二極管對高速調(diào)制光信號的 響應(yīng)能力 用 脈沖響應(yīng)時間 τ或截止頻率 fc(帶寬 B)表示 。 對于數(shù)字脈沖調(diào)制信號 ， 把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到 90%， 或后沿由 90%下降到 10%的時間 ， 分別定義為 脈沖上升時間 τr和 脈沖下降時間 τf。 當(dāng)光電二極管具有單一時間常數(shù) τ0時 ， 其脈沖前沿和脈沖后沿相同 ， 且接近指數(shù)函數(shù) exp(t/τ0)和 exp(t/τ0)， 由此得到 脈沖響應(yīng)時間 τ=τr=τf= () 對于幅度一定 ， 頻率為 ω=2πf 的正弦調(diào)制信號 ， 用光生電流 I(ω)下降 3dB的頻率定義為 截止頻率 fc。 當(dāng)光電二極管具有單一時間常數(shù) τ0時 ， rcf ???210??（ ） PIN光電二極管 響應(yīng)時間 或 頻率特性 主要由 光生載流子在耗盡層的 渡越時間 τd和包括光電二極管在內(nèi)的檢測電路 RC常數(shù)所 確定 。 當(dāng)調(diào)制頻率 ω與渡越時間 τd的倒數(shù)可以相比時 ， 耗盡層 (I層 )對量子效率 η(ω)的貢獻(xiàn)可以表示為 () 2/)2/s in ()0()(ddww????? ? 由 η(ω)/η(0)= 得到由渡越時間 τd限制的截止頻率 21wvf sdc ???（ ） 式中 ， 渡越時間 τd= ω/vs， ω為耗盡層寬度 ， vs為載流子渡越速度 ， 比例于電場強(qiáng)度 。 由式 ()和式 ()可以看出 ，