文档介绍：第5章光检测器及光接收机
半导体光检测器原理、结构及特性
数字光接收机
半导体光检测器原理、结构及特性
光接收机是光纤通信系统的重要组成部分,它的作用是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。,它由光检测器、低噪声前置放大器、主放大器、均衡器以及滤波器等组成。
光接收机组成框图
光检测器用于将接收到的光信号转换成电信号。由于从光纤中传过来的光信号一般都很微弱,因此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。
光检测器产生的光电流是非常微弱的,必须由前置放大器进行低噪声放大,因此前置放大器的噪声对放大器输出的信号影响非常大。主放大器、均衡器以及滤波器对信号进行进一步放大及整形,以提高系统性能。本章首先介绍光电检测器的原理及特性,然后介绍数字光接收机的组成及特性。
PN结的光电效应
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结界面附近载流子基本上耗尽形成耗尽区。当光束入射到PN结上,且光子能量hv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。
在耗尽区,在内建电场的作用下电子向N区漂移,空穴向P区漂移,如果PN结外电路构成回路,就会形成光电流。当入射光功率变化时,光电流也随之线性变化,从而把光信号转换成电信号。当入射光子能量小于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
()
()
即存在
λc为产生光电效应的入射光的最大波长,称为截止波长。以Si为材料的光电二极管,λc=;以Ge为材料的光电二极管,λc=。
利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极管。但这种光电二极管结构简单,无法降低暗电流和提高响应度,器件的稳定度也比较差,实际上不适合做光纤通信的检测器。
PIN光电二极管
1. PIN光电二极管的结构
,PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间,生成一层掺杂极低的本征材料,称为I层。在外加反向偏置电压作用下,I层中形成很宽的耗尽层。由于I层吸收系数很小,入射光可以很容易地进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子—空穴对,因此大幅度提高了光电转换效率。另外,I层两侧的P层、N层很薄,光生载流子的漂移时间很短,大大提高了器件的响应速度。
PIN光电二极管结构