西北大学物理系：《光纤通信系统》第六章 光电检测器与光接收机（冯选旗）

第六章光电检测器与光接收机 61光电检测器 62光电检测器的特性指标 63光接收机 64光接收机的噪声 65米接收机的灵敏度 点击此处结束放映 4合D

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光接收机.swr2 光发送机输出的光信号,在光纤中转 输时,不仅幅度会受到衰减,而且脉冲的 波形也会被展宽。 光接收机的任务是以最小的附加噪声 及失真恢复出由光纤传输、光载波所携带 的信息,因此光接收机的输出特性综合反 映了整个光纤通信系统的性能 本章重点讨论光检测器、接收机前端 的噪声特性、模拟及数字接收机的性能, 如信噪比或误码率、接收机灵敏度等。 点击此处结束放映 4合D

2 光发送机输出的光信号，在光纤中转 输时，不仅幅度会受到衰减，而且脉冲的 波形也会被展宽。 光接收机的任务是以最小的附加噪声 及失真恢复出由光纤传输、光载波所携带 的信息，因此光接收机的输出特性综合反 映了整个光纤通信系统的性能。 本章重点讨论光检测器、接收机前端 的噪声特性、模拟及数字接收机的性能， 如信噪比或误码率、接收机灵敏度等。 光接收机.swf

61光电检测器 光检测器的作用是通过光电效应,将 接收的光信号转换为电信号。 目前的光接收机绝大多数都是用光电 二极管直接进行光电转换,其性能的好坏 直接影着接收机的性能指标。 光电二极管的种类很多,在光纤通信 系统中,主要采用半导体PIN光电二极管 和雪崩光电二极管(APD)。 点击此处结束放映 4合D

3 光检测器的作用是通过光电效应，将 接收的光信号转换为电信号。 目前的光接收机绝大多数都是用光电 二极管直接进行光电转换， 其性能的好坏 直接影着接收机的性能指标。 光电二极管的种类很多，在光纤通信 系统中， 主要采用半导体PIN光电二极管 和雪崩光电二极管（APD)

611PⅠN光电二板管蕌 由于受激辐射仅仅发生在PN结附近, 远离PN结的地方没有电场存在,因此就决 定了PN光电二极管( pn Photodiode, PNPD)或PN光电检测器的光电变换效率非 常低下及响应速度很慢。 1.PN光电二极管的结构蓦 PIN光电二极管( PINPD)的结构及场 强分布如图61所示。 点击此处结束放映 4合D

4 由于受激辐射仅仅发生在PN结附近， 远离PN结的地方没有电场存在，因此就决 定了PN光电二极管(PN Photodiode， PNPD)或PN光电检测器的光电变换效率非 常低下及响应速度很慢。 PIN光电二极管(PINPD)的结构及场 强分布如图6.1所示

耗尽层 电场强度 距离 图61PIN光电二极管结构及场强分布 点击此处结束放映 4合D

5 图6.1 PIN光电二极管结构及场强分布

光电二极管是一种在P型半导体和N型半导 体之间设置了一层本征半导体I层的器件。 由于在耗尽层内所形成的漂移电流,在空间 电场的作用下具有较高的响应速度,相反在耗尽 层以外所形成的扩散电流,响应速度很低。 因此,耗尽层的范围越宽,对提响应速度 就越有利。耗尽层的宽度与P型和N型半导体中 的掺杂浓度有关,在相同的负偏压下,掺杂浓度 越低,耗尽层就越宽。 为此,在P型和N型半导体之问,插入I(本征) 型半导体达到了展宽耗尽层宽度的目的,形成了 PIN结构的光电二极管。 点击此处结束放映 4合D

6 光电二极管是一种在P型半导体和N型半导 体之间设置了一层本征半导体I层的器件。 由于在耗尽层内所形成的漂移电流，在空间 电场的作用下具有较高的响应速度，相反在耗尽 层以外所形成的扩散电流，响应速度很低。 因此，耗尽层的范围越宽，对提响应速度 就越有利。耗尽层的宽度与P型和N型半导体中 的掺杂浓度有关，在相同的负偏压下，掺杂浓度 越低，耗尽层就越宽。 为此，在P型和N型半导体之问，插入I(本征) 型半导体达到了展宽耗尽层宽度的目的，形成了 PIN结构的光电二极管

7 2.PN光电二极管的工作原理蓦 当光从P区一侧入射,则光能量在被吸收的 同时仍继续向N区一侧延伸吸收,在经过耗尽层 时,由于吸收光子能量,电子从价带被激励到导 带而产生电子空穴对(即光生载流子),并且在 耗尽层空间电场作用下,分别向N型区和P型区 相互逆方向作漂移运动,并形成电流 点击此处结束放映 4合D

7 当光从P区一侧入射，则光能量在被吸收的 同时仍继续向N区一侧延伸吸收，在经过耗尽层 时，由于吸收光子能量，电子从价带被激励到导 带而产生电子空穴对（即光生载流子），并且在 耗尽层空间电场作用下，分别向N型区和P型区 相互逆方向作漂移运动，并形成电流

然而,在耗尽层以外的区域因为没有电场 作用,所以由光电效应产生的电子空穴对,在 扩散运动中相遇发生复合,从而消失。 不过在扩散运动过程中,也有些扩散距离长 的电子空穴将进入耗尽层,在耗尽层和空间电场 的作用下进入对方区域。于是在P区和N区两端 之间产生与被分隔开的电子和空穴数量成正比的 电压。 若与外电路连通,这些电子就可经外部电路 与空穴复合形成电流。如图6-2所示。 点击此处结束放映 4合D

8 然而，在耗尽层以外的区域因为没有电场 作用， 所以由光电效应产生的电子空穴对，在 扩散运动中相遇发生复合，从而消失。 不过在扩散运动过程中，也有些扩散距离长 的电子空穴将进入耗尽层，在耗尽层和空间电场 的作用下进入对方区域。于是在P区和N区两端 之间产生与被分隔开的电子和空穴数量成正比的 电压。 若与外电路连通，这些电子就可经外部电路 与空穴复合形成电流。如图6-2所示

9 PIN光电二极管的光电转换原理 光信号功率 光生电流 电信号电流 I(本征半导体)+ 入射光 反向偏置电压 光电探測表山 Fc导带底能级 E价带顶能级 图6-2PIN光电二极管光电转换原理 点击此处结束放映 4合D

9 图6-2 PIN光电二极管光电转换原理

10 这里,在耗尽层之外形成的电流叫扩 散电流,扩散电流的运动速度比漂移电流 的运动速度慢得多,使频率特征变坏。 由于在PN结处存在着空间电场,使进 入空间电场区的电子和空穴二者逆方向移 动。如从外部对PN结施加反向偏压(即P侧 加(),N侧加(+)以后,结处的空间电场(即 耗尽层内的自建电场)被加强,从而加快了 载流子的漂移速度。 点击此处结束放映 4合D

10 这里，在耗尽层之外形成的电流叫扩 散电流，扩散电流的运动速度比漂移电流 的运动速度慢得多，使频率特征变坏。 由于在PN结处存在着空间电场，使进 入空间电场区的电子和空穴二者逆方向移 动。 如从外部对PN结施加反向偏压(即P侧 加(-)，N侧加(+)以后，结处的空间电场(即 耗尽层内的自建电场)被加强，从而加快了 载流子的漂移速度