光接收机：PIN光电二极管的波长响应范围

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：图9.23PIN 光电二极管波长响应范围PIN 光电二极管可以对一定波长范围内的入射光进行光电转换，这一波长范围就是PIN光电二极管的波长响应范围。

光接收机的主要作用是将经过光纤传输的微弱光信号转换成电信号，并放大、再生成原发射的信号。光检测器是光接收机中的关键器件，它通过光电效应将光信号转换成电信号，由于从光纤中传输过来的光信号一般是非常微弱且产生了畸变的信号，因此光纤通信系统对光检测器提出了非常高的要求：

①在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光检测器能输出尽可能大的光电流；

②有足够高的响应速度和足够的工作带宽，即对高速光脉冲信号有足够快的响应能力；

③产生的附加噪声小；

④光电转换线性好，保真度高；

⑤工作稳定可靠，工作寿命长；

⑥体积小，使用简便。

目前，满足上述要求、适合于光纤通信系统使用的光检测器主要有半导体（PIN）光电二极管、雪崩（APD）光电二极管、金属-半导体-金属（MSM）光探测器等，其中前两种在光纤通信系统中得到了广泛的应用。

1.PIN 光电二极管

半导体光检测器的核心是PN 结的光电效应，工作在反向偏压下的PN 结光电二极管是最简单的半导体光检测器。受激吸收是半导体光检测器的基本工作原理。为了得到高量子效率、提高响应速度，光检测器一般采用PIN 结构。它是在高掺杂P 型和N 型半导体材料之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为I层，高掺杂的P区和N 区非常薄，如图9.23所示。这种结构使得光子在本征区内能够被充分吸收，并产生光生载流子，在反向偏压作用下，最终转换成光生电流。它的主要特性如下。

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图9.23　PIN 光电二极管

（1）波长响应范围

PIN 光电二极管可以对一定波长范围内的入射光进行光电转换，这一波长范围就是PIN光电二极管的波长响应范围。

（2）响应度和量子效率

响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。响应度定义R 为

式（9-20）中，P 为入射到光电二极管上的光功率，单位为A/W；Ip为光生电流。

量子效率的定义为

（3）响应速度

作为光检测器，在光纤通信系统中要能够检测高频调制的光信号，因此响应速度是光电二极管的一个重要参数。响应速度通常用响应时间来表示。响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的响应-电脉冲的上升时间或下降时间。

（4）线性饱和

光电二极管的线性饱和是指它有一定的光功率检测范围，当入射功率太强时，光电流和光功率将不成正比，从而产生非线性失真。一般PIN 光电二极管在入射光功率低于毫瓦量级时，能够保持比较好的线性。

（5）击穿电压和暗电流

无光照射时，PIN 作为一种PN 结器件，在负偏压下也有反向电流流过，称此电流为PIN光电二极管的暗电流。暗电流是光电二极管的重要参数。暗电流主要是由半导体内热效应产生的电子-空穴对形成的。当偏压增大时，暗电流增大。当偏压增大到一定值时，暗电流激增，即发生了反向击穿（即为非破坏性的雪崩击穿，如不能尽快散热，就会变为破坏性的齐纳击穿）。发生反向击穿时的偏压值称为反向击穿电压。

（6）噪声特性

光电二极管的噪声主要是量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声。

2.APD光电二极管

APD光电二极管是具有内部增益的光检测器，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应。当PN 结上加高的反偏压时，本征吸收层的电场很强，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高时，光生载流子获得很大的动能，它们在高速运动中与半导体晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的载流子，这个过程称为碰撞电离。碰撞电离产生的载流子对在强电场作用下同样又被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加，电流也迅速增大，形成雪崩倍增效应，APD 就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度的光检测器。图9.24为APD 拉通型（RAPD）结构。

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图9.24　APD 的一种结构及电场分布

与PIN 光电二极管相比，APD 光电二极管的主要特性包括波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度等，除此之外，APD 的特性还包括雪崩倍增特性、噪声特性、温度特性等。

（1）APD 的雪崩倍增因子

APD 的雪崩倍增因子定义为

式（9-22）中，IP是APD 的输出平均电流，IPO是平均初级光生电流。从定义可见，倍增因子是APD的电流增益系数。由于雪崩倍增过程是一个随机过程，因而倍增因子是在一个平均值上随机起伏的量，所以上式的定义应理解为统计平均倍增因子。

（2）APD 的过剩噪声

APD的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和过剩噪声。过剩噪声是APD 中的主要噪声。

过剩噪声的产生主要与两个过程有关，即光子被吸收产生初级电子-空穴对的随机性和在雪崩区产生二次电子-空穴对的随机性。这两个过程尚不能准确测定，因此产生了过剩噪声。

（3）响应度和量子效率

由于APD 具有电流增益，所以APD 的响应度比PIN 的响应度大大提高，有

量子效率只与初级光生载流子数目有关，不涉及倍增问题，故量子效率值总是小于1。

（4）线性饱和

APD 的线性工作范围没有PIN 宽，它适宜于检测微弱光信号。当光功率达到几微瓦以上时，输出电流和入射光功率之间的线性关系变坏，能够达到的最大倍增增益也降低了，产生了饱和现象。

（5）击穿电压和暗电流

APD 的暗电流有初级暗电流和倍增暗电流之分，它随着倍增因子的增加而增加；此外还有漏电流，漏电流不经过倍增。

APD 偏置电压接近击穿电压。击穿电压并非是APD 的破坏电压，撤去该电压，APD 仍能正常工作。

（6）APD 的响应速度

APD的响应速度主要取决于载流子完成倍增过程所需要的时间、载流子在耗尽层的渡越时间以及结电容和负载电阻的RC 时间常数等因素。渡越时间的影响相对比较大，其余因素可通过改进器件的结构设计使影响减至很小。

一般，APD 的平均倍增和带宽的乘积为一常数，可见增益和带宽的矛盾。因为要求的倍增越大，载流子产生和渡越的时间就越长，器件的带宽就越窄。

3.光接收机

光接收机的主要作用是将经过光纤传输的微弱光信号转换成电信号，并放大、再生成原发射的信号。

（1）光接收机的组成

对于强度调制的数字光信号，在接收端采用直接检测（DD）方式时，光接收机的主要组成如图9.25所示。它由光电变换、前置放大、均衡滤波、判决、译码、自动增益控制（AGC）、时钟恢复及输出接口等部分构成。

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图9.25　直接检测数字光接收机框图

光电变换的功能是把光信号变换为电流信号，它主要采用PIN 光电二极管或APD 光电二极管。

前置放大部分是低噪声、宽频带放大器，它的噪声性能直接影响到接收机灵敏度的高低。

主放大器是一个增益可调的放大器，它把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号电平。其增益应受AGC信号控制，使入射功率在一定范围变化时，输出信号幅度保持恒定。

均衡滤波部分的作用是将输出波形均衡成具有升余弦频谱，以消除码间干扰。

判决器和时钟恢复电路对信号进行再生。在发送端进行了线路编码，在接收端则需有相应的译码电路。

输出接口主要解决光接收端机和电接收端机之间阻抗和电压的匹配问题，保证光接收端机输出信号顺利地送入电接收端机。

1）前置放大器

光接收机的噪声主要取决于前端的噪声性能。因此，对于前置放大器就要求有较低的噪声和较宽的带宽，才能获得较高的信噪比。前置放大器一般可分为三种：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器。

低阻抗前置放大器是指放大器的输入阻抗相对较低。其特点是电路简单，接收机不需要或只需很少的均衡就能获得很宽的带宽，前置级的动态范围也较大。但由于放大器的输入阻抗较低，电路的噪声较大。

高阻抗前置放大器是指放大器的输入阻抗很高。其特点是电路的噪声很小。但是，放大器的带宽较窄，在高速系统应用时对均衡电路提出了很高的要求，限制了放大器在高速系统的应用。

为了克服高阻抗和低阻抗前置放大器的缺点，使前置放大器既有较低的噪声，又有较宽的带宽，在光接收机中广泛采用跨阻抗前置放大器。它是在高阻抗前置放大器中引入负反馈后构成的，如图9.26所示。由于负反馈的作用，放大器不仅具有频带宽、噪声低的优点，而且它的动态范围也比高阻抗前置放大器有很大改善。

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图9.26　跨阻抗前置放大器

在光纤通信系统中，各部分电路的集成化、模块化是发展的趋势。对于接收机的前端，采用光电混合技术将光检测器和以场效应管（FET）构成的前置放大器混合集成在一起，作成PIN-FET 或APD-FET 光接收组件，提高了响应速度和灵敏度，在系统中得到了广泛的应用。

2）主放大器和自动增益控制电路

光接收机中前置放大器的输出信号较弱，不能满足幅度判决的要求，因此还必须加以放大。主放大器一般是多级放大器，可以提供足够的增益，使输出信号满足判决的要求。主放大器的另一功能是增益受控可调，即能实现自动增益控制（AGC），使接收机具有一定的动态范围。

当输入光接收机的光功率起伏时，光检测器的输出信号也出现起伏，通过AGC 对主放大器的增益进行调整，从而使主放大器的输出信号幅度在一定范围内不受输入信号的影响。

3）均衡和再生电路

均衡电路的作用是对经过光纤线路传输、已发生畸变和有严重码间干扰的信号进行均衡，使其变为码间干扰尽可能小的信号，以利于判决再生电路的工作。

对于一个实际的传输系统，其频带总是受限的。对于频带受限系统，其时域响应是无限的，它的输出波形有很长的拖尾，使前后码元在波形上相互重叠而产生码间干扰，直接影响接收机的灵敏度。均衡滤波电路就是设法消除拖尾的影响，做到判决时刻无码间干扰。

均衡的方法可以在频域采用均衡网络，也可以在时域实现。频域方法是采用适当的网络，将输出波形均衡成具有升余弦频谱，这是光接收机中最常用的均衡方法。时域均衡的方法是先预测出一个“1”码过后，在其他各个码元的判决时刻这个“1”码的拖尾值，然后设法用与拖尾大小相等、极性相反的电压来抵消拖尾，以消除码间干扰。

再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号，它由判决电路和时钟恢复电路组成。为了判定信号，首先要确定判决的时刻，这需要从均衡后的升余弦波形中提取准确的时钟。时钟信号经过适当的相移后，在最佳时刻对升余弦波形进行取样，然后将取样幅度与判决阈值进行比较，以判定码元是“0”还是“1”，从而把升余弦波形恢复成原传输的数字波形。理想的判决电路应该是带有选通输入的比较器。

（2）光接收机的主要指标

光接收机的主要指标有光接收机的灵敏度和动态范围。

1）光接收机的灵敏度

光接收机的灵敏度PR（单位：d Bm）是指在系统满足给定误码率指标的条件下，接收机所需的最小平均接收光功率Pr（m W）。可以表示为