光纤通信原理ppt
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光纤通信(第二版)课件PPT(刘增基著)
第1章 概 论
为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光束 限制在特定的空间内传输, 因而提出了透镜波导和反射镜波导的 光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一定距离安装一个 透镜，每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜而实现的。 反射镜波导和透镜波导相似，是用与光束传输方向成45°角的 两个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波导，从理论上讲 是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先，现 场施工中校准和安装十分复杂；其次，为了防止地面活动对波
由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的 研究曾一度走入了低谷。
第1章 概 论
1.1.2 现代光纤通信 1966 年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆
(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用 光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了 现代光通信——光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高达 1000 dB/km以上，高锟等人指出：这样大的损耗不是石英纤维 本身固有的特性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe、 Cu等)离子的吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利 (Rayleigh)散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。 因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的 低损耗光纤。如果把材料中金属离子含量的比重降低到10－6以 下，就可以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺 的热处理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几 dB/km。这个思想和预测受到世界各国极大的重视。
十一五 普通高等教育“十一五”国家级规划教材
光 纤 通 信(第二版)
刘增基 周洋溢 胡辽林 编著
任光亮 周绮丽
西 安 电 子西科 技 大 学 出 版 社
光纤通信发展历程及原理简介完美版PPT
光脉冲信号经光纤传输，到达输出端会发生时间上的展宽，这种现象称为色散。
相比电缆轻90%~95%〔是电缆质量的1/20~1/10〕，直径不到电缆的1/5.
驱动电路 ③ 光的吸收、色散、散射
典型的WDM 系统的实现方案如下图。
中继器 特点：ncore>nclad 光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。
第二阶段：借助文字传递信息阶段。文字与印刷术创造后， 信息可以通过书籍、书信、报纸、杂志等方式呈现。文字促进了 邮政业的开展，中国早在商代就有驿传的通信方式，通过飞鸽、 快马等方式传递书信、情报；现代逐步演变成邮政系统。这种通 信模式信息保持时间更长久，传递信息更加准确，传递距离更加 远，但传递速度慢、信息单一。
什么是光纤通信？ 利用激光作为信息的载波信号，并通过
光纤来传送信息的通信系统。
光纤能干些什么？
光纤的应用范围很广,光纤除了作通讯用途外, 还可以用来制造内窥镜等医疗器材,光纤感应器或光纤装饰,交通,夜视 感测器度量测量和控制工程显微镜学,显微镜学,机器视觉,照明,成像,健康, 电荷耦合元件(CCD)汽车等. 例如内 视镜,它是一根柔软可弯曲且内含数条光纤的管子.当它滑入病人的嘴,鼻, 消化道及其它心脏等
什么是通信？
通信就是将信息从一方准确平安地传递到另外一方，通信技 术是实现信息准确、平安、高效的传递的保障。从有记载的人类 文明以来，通信技术获得了长足的开展，并且开展速度越来越快。 通信材料属于功能材料，是为实现信息探测、传输、存储、显示 和处理等功能使用的材料。
人类通信技术的开展历程
通信技术的开展可分为如下四个阶段： 第一阶段：借助器物和声音传递信息阶段。解放前我国云南 景颇族就有把辣椒送给朋友表示自己遇到了很大的麻烦的器物信 息传递模式。在文字创造之前人类通过手势、表情来传递信息， 信息在视距范围。通过声音实现超视距传递信息，但距离依然受 到声音传播距离的影响。这个阶段信息传递速度慢、不精确。这 种通信模式在当时有十分成功的典范，如古代的“烽火〞技术须 臾间能把紧急军情传递到千里之外。因其简洁方便的特点，现代 通信依然保存如旗语等简便快捷的近距离通信模式。
通信原理ppt课件
移动通信系统组成
详细描述移动通信系统的各个组成部分，包括基站、移动终端、 网络设备等。
移动通信工作原理
阐述移动通信的工作原理，包括信号的发射、传输和接收过程， 以及移动终端如何实现移动通信。
有线通信系统
有线通信概述
介绍有线通信的基本原理、特点和应用领域。
有线通信系统组成
详细描述有线通信系统的各个组成部分，包括电 话线、光纤、交换机等。
多进制解调
在接收端使用相应的算法将接收到的波形还原为原始的数字 信号。
数字通信的优缺点
优点 抗干扰能力强：数字信号在传输过程中不易受到干扰，能够保证信息的准确传输。
保密性好：数字通信可以通过加密技术保证信息的安全性。
数字通信的优缺点
• 便于存储和复制：数字信号可以方便地存储和复制，不会因传输而损失信息。
有线通信工作原理
阐述有线通信的工作原理，包括信号的传输和接 收过程。
计算机网络通信系统
计算机网络概述
介绍计算机网络的基本概念、发展历程和应用领域。
计算机网络组成
详细描述计算机网络的各个组成部分，包括路由器、交换机、服务 器等。
计算机网络工作原理
阐述计算机网络的工作原理，包括信号的传输和接收过程，以及如何 实现网络通信。
STEP 03
周期性
模拟信号通常具有周期性 ，可以通过傅里叶变换将 其分解为不同频率的正弦 波。
模拟信号在传输过程中满 足线性叠加原理，即不同 频率的信号可以相互叠加 。
调幅调制与解调
调幅调制
将需要传输的消息信号与载波信号相乘，得到调幅波信号，实现将消息信号加载到载波 信号上的过程。
解调
通过将调幅波信号再次与载波信号相乘，得到原始的消息信号，实现从调幅波中提取出 消息信号的过程。
详细描述移动通信系统的各个组成部分，包括基站、移动终端、 网络设备等。
移动通信工作原理
阐述移动通信的工作原理，包括信号的发射、传输和接收过程， 以及移动终端如何实现移动通信。
有线通信系统
有线通信概述
介绍有线通信的基本原理、特点和应用领域。
有线通信系统组成
详细描述有线通信系统的各个组成部分，包括电 话线、光纤、交换机等。
多进制解调
在接收端使用相应的算法将接收到的波形还原为原始的数字 信号。
数字通信的优缺点
优点 抗干扰能力强：数字信号在传输过程中不易受到干扰，能够保证信息的准确传输。
保密性好：数字通信可以通过加密技术保证信息的安全性。
数字通信的优缺点
• 便于存储和复制：数字信号可以方便地存储和复制，不会因传输而损失信息。
有线通信工作原理
阐述有线通信的工作原理，包括信号的传输和接 收过程。
计算机网络通信系统
计算机网络概述
介绍计算机网络的基本概念、发展历程和应用领域。
计算机网络组成
详细描述计算机网络的各个组成部分，包括路由器、交换机、服务 器等。
计算机网络工作原理
阐述计算机网络的工作原理，包括信号的传输和接收过程，以及如何 实现网络通信。
STEP 03
周期性
模拟信号通常具有周期性 ，可以通过傅里叶变换将 其分解为不同频率的正弦 波。
模拟信号在传输过程中满 足线性叠加原理，即不同 频率的信号可以相互叠加 。
调幅调制与解调
调幅调制
将需要传输的消息信号与载波信号相乘，得到调幅波信号，实现将消息信号加载到载波 信号上的过程。
解调
通过将调幅波信号再次与载波信号相乘，得到原始的消息信号，实现从调幅波中提取出 消息信号的过程。
光纤通信技术应用1光纤光缆认识PPT培训课件
04
光纤通信的优势与挑战
光纤通信的优势
高带宽
光纤通信使用光信号作 为传输介质，具有极高 的带宽，可以同时传输
大量数据。
低损耗
光纤传输过程中的光信 号衰减极小，传输距离 长，降低了中继站的需
求。
抗干扰能力强
光纤不受电磁波干扰， 保证了通信的稳定性和
可靠性。
安全保密
光信号在光纤中传输时 不易被窃取，提高了通
光纤通信技术的发展历程
总结词
起步、突破、普及
详细描述
光纤通信技术自20世纪60年代起步，经历了石英光纤突破和光电器件技术发展等 阶段，逐渐普及应用于通信领域。
光纤通信技术的应用场景
总结词
长距离通信、宽带接入、数据中心、 工业自动化
详细描述
光纤通信技术在长距离通信、宽带接 入、数据中心和工业自动化等领域有 广泛应用，以其高速和大容量的传输 能力满足了各行业的通信需求。
02
光纤与光缆的介绍
光纤的结构与分类
光纤的结构
光纤由纤芯、包层和涂覆层组成。纤芯是传输光信号的主要 部分，包层用于反射光信号，涂覆层起到保护光纤的作用。
光纤的分类
根据纤芯和包层的折射率不同，光纤可分为单模光纤和多模 光纤。单模光纤只传输单一模式的光信号，适用于长距离传 输；多模光纤可传输多个模式的光信号，适用于短距离传输 。
光纤通信在智能交通领域的应用
总结词
光纤通信技术为智能交通提供了实时、高效的信息传 输解决方案，推动了交通行业的智能化发展。
详细描述
智能交通系统需要对大量的数据进行快速、准确的处理 和传输，光纤通信技术以其大容量、高速率的优势，满 足了智能交通系统的需求。通过光纤网络，可以实现交 通信号灯控制、交通监控、车辆调度等系统的实时数据 传输和处理，提高交通运行效率和管理水平，提升交通 安全和减少交通拥堵。同时，光纤通信技术也在无人驾 驶汽车中发挥着重要作用，为无人驾驶汽车的导航、定 位、控制等方面提供了稳定、可靠的信息传输保障。
精品课件-光纤通信原理
由此可知，全内反射只能发生在光由光密介质入射到与光疏介质的
界面上，对于圆柱形光波导（纤），如果使纤芯中心部分的折射率 高于外包层的折射率，就有可能在纤芯和包层之间满足全内反射， 从而使光线“限制”在芯层内并以锯齿形连续反射光纤形式在光纤 中向前传输，直至传播到信息终端。
单模光纤和多模光纤
在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤 纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为入射 光的一个传播模式
由动画可以直观地看出：在阶跃多模光纤中，
不同模式的光信号到达终点所需的时间不相等。
时延
时延产生的后果会使输入脉冲信号发生“脉冲展宽”，产生多路径色散 或模间色散，在接收端信号会产生码间干扰。
由于时延（模间色散）的原因，阶跃多模光纤的工作带宽会受到严重影 响。
举例：P39 最大时延公式
2.梯度多模光纤
当β= 900 时，光纤会沿着平 行于两介质的界面传播，如图 2-3所示的光线②。这时的入 射种角介写质成 的临α界0 角，，我如们式称（它2为-3两） 所示。
即临界角由两种介质的折射 率n1和n2的比值决定的。
对于入射角α大于临界角α0
的所有光线，在光疏介质中没 有对应的折射光线存在，这些 光线在界面上全部被反射回光 密介质中，这种现象称为全内 反射，如图2-3所示的光线③。
3. 相对折射率差
举例：P36 例2-1
单模玻璃光纤的相对折射率差是0.2%； 多模玻璃光纤的相对折射率差是1%；
熟料光纤的相对折射率差是0.22～12%
但要注意： Δ与数值孔径和光纤的接受角也存在着一定的
数量关系。
表2-2列出了几种不同光纤纤芯的折射率是1.50时，Δ与数值孔径 和光纤的接收角的关系。
光纤通信 1.Fiber Optic Communications System幻灯片PPT
During the day, the sun is the source of light for this system. The information is carried from the sender to the receiver on the sun’s reflected radiation. Hand motion modifies, or modulates, the light. The eye is the message-detecting device, and the brain processes is this message.
photo-conducting selenium(硒) cell, which
converted the message to electrical current. A telephone receiver completed the system. The photophone never achieved commercial success, although it worked rather well.
How can it work in darkness?
source
Detecting device
information
Human first communicated by using hand signal .
Chapter 1
Fiber Optic Communications System
Information transfer by such a system is slow, the transmission distance is limited, and the chances for error are great.
photo-conducting selenium(硒) cell, which
converted the message to electrical current. A telephone receiver completed the system. The photophone never achieved commercial success, although it worked rather well.
How can it work in darkness?
source
Detecting device
information
Human first communicated by using hand signal .
Chapter 1
Fiber Optic Communications System
Information transfer by such a system is slow, the transmission distance is limited, and the chances for error are great.
光钎通信器件光纤光栅原理及应用优秀课件
*
光纤通信器件
*
在光纤通信中的应用
c.光纤光栅外腔半导体激光器
将一个半导体激光器的输出耦合到一支光纤光栅上便可以得到光纤光栅外腔半导体激光器。
多波长输出半导体激光器。
阈值电流低，并且具有极低的温度依赖性，以及很高的边模抑制比，可获得窄线宽稳定激光输出，特别适用于DWDM系统上。
*
光纤通信器件
*
光纤光栅工作原理
（3）悬梁臂调谐法 相对于简支梁结构而言，该结构比较简单，波长调谐范围也较宽，可以达到17nm以上，但是这两种方法都比较难以控制啁啾度，都可以实现啁啾和非啁啾调谐。
P
光纤
光纤光栅
*Hale Waihona Puke 光纤通信器件*光纤光栅工作原理
4. 非轴向应力产生的光纤光栅应变分析 （1）纯弯曲情况 对于纯弯曲情况，受弯矩M作用的弹性梁表面任一点的轴向应变ε可表示为 式中，Z0是考察点距梁中点的距离；E是梁的杨氏模量；I是梁的惯性距。 如果光纤光栅沿梁轴向粘贴于表面，则波长漂移量为
*
光纤通信器件
*
光纤光栅工作原理
（2）纯转动情况 对于纯转动情况，在扭转角不大的情况下，光纤光栅的应变可表示为 式中，ν是轴距MF作用的梁表面任一点的扭应变，可表示为 式中，G、IP和D分别为梁的剪切横量、横截面积惯性矩和横截面外直径。如果光纤光栅沿梁轴向粘贴于表面，则波长漂移量为
光纤光栅起到了光波选频的作用，反射的条件称为布拉格条件。由光纤光栅相位匹配条件得到反射中心波长（布拉格波长）表达式：
*
光纤通信器件
*
光纤光栅工作原理
*
光纤通信器件
*
均匀FBG的反射特性
由以上两式可知，光栅互耦合系数k（正比于折射率调制深度）与长度乘积kL越大，则峰值反射率越高；折射率调制深度越大，则反射带宽越宽。
光纤通信器件
*
在光纤通信中的应用
c.光纤光栅外腔半导体激光器
将一个半导体激光器的输出耦合到一支光纤光栅上便可以得到光纤光栅外腔半导体激光器。
多波长输出半导体激光器。
阈值电流低，并且具有极低的温度依赖性，以及很高的边模抑制比，可获得窄线宽稳定激光输出，特别适用于DWDM系统上。
*
光纤通信器件
*
光纤光栅工作原理
（3）悬梁臂调谐法 相对于简支梁结构而言，该结构比较简单，波长调谐范围也较宽，可以达到17nm以上，但是这两种方法都比较难以控制啁啾度，都可以实现啁啾和非啁啾调谐。
P
光纤
光纤光栅
*Hale Waihona Puke 光纤通信器件*光纤光栅工作原理
4. 非轴向应力产生的光纤光栅应变分析 （1）纯弯曲情况 对于纯弯曲情况，受弯矩M作用的弹性梁表面任一点的轴向应变ε可表示为 式中，Z0是考察点距梁中点的距离；E是梁的杨氏模量；I是梁的惯性距。 如果光纤光栅沿梁轴向粘贴于表面，则波长漂移量为
*
光纤通信器件
*
光纤光栅工作原理
（2）纯转动情况 对于纯转动情况，在扭转角不大的情况下，光纤光栅的应变可表示为 式中，ν是轴距MF作用的梁表面任一点的扭应变，可表示为 式中，G、IP和D分别为梁的剪切横量、横截面积惯性矩和横截面外直径。如果光纤光栅沿梁轴向粘贴于表面，则波长漂移量为
光纤光栅起到了光波选频的作用，反射的条件称为布拉格条件。由光纤光栅相位匹配条件得到反射中心波长（布拉格波长）表达式：
*
光纤通信器件
*
光纤光栅工作原理
*
光纤通信器件
*
均匀FBG的反射特性
由以上两式可知，光栅互耦合系数k（正比于折射率调制深度）与长度乘积kL越大，则峰值反射率越高；折射率调制深度越大，则反射带宽越宽。
《模拟光纤通信系统》课件
光纤传输特性
探讨模拟光纤通信系统中光纤的传输特性，如衰减、 色散和非线性。
不同波长的光信号传输
研究模拟光纤通信系统中不同波长光信号的传输情 况，对比分析其优劣。
模拟光纤通信系统的调制与解调
1
调制方式
介绍模拟光纤通信系统中光信号的调制
解调方式
2
方式，如振幅调制、频率调制和相位调 制。
讲解模拟光纤通信系统中光信号的解调
发展趋势
展望模拟光纤通信系统的未来发展趋势，包括技术 进步和应用拓展。
优点
分析光纤通信系统的优势，如高速传输、大容量和抗干扰能力强。
缺点
探讨光纤通信系统的局限性，如高成本、易受损和安装复杂。
模拟光纤通信系统概述
基本原理
介绍模拟光纤通信系统的基本工作原理，包括光信 号的调制和解调。
构成要素
讲解模拟光纤通信系统的组成部分，如传感器、调 制器、接收器等。
模拟光纤通信系统的信道特性
பைடு நூலகம்
方式，如幅度解调、频率解调和相位解
调。
模拟光纤通信系统的应用
通信领域的应用
介绍模拟光纤通信系统在通信领域的广泛应用，如 电话、电视和互联网。
其他领域的应用
探讨模拟光纤通信系统在其他领域的应用，如医疗 设备、工业控制和科学研究。
结论
比较分析
对比分析光通信系统与模拟光纤通信系统的优劣， 以及各自的适用场景。
《模拟光纤通信系统》 PPT课件
这是一份关于模拟光纤通信系统的PPT课件，探讨了光纤通信系统的原理、优 劣，以及模拟光纤通信系统的概述。
光纤通信系统原理
1
基本原理
介绍光纤通信系统的基本工作原理，包括光信号传输和光纤传输特性。
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波长响应 响应度
InGaAs-PIN
1～1．6 0.5（1.31μm） 2～5 0.2～1 1～2
－
0.4～1.0 0.4 (0.85μm) 0.1～1 2～10 0.5～1
/V
－
暗电流 响应时间 结电容 工作电压
5～ －15
5～ －15
2. APD的特性
APD除了PIN的特性之外还包括雪崩倍增特性、温度特性 等。 （1）倍增因子 倍增因子g实际上是电流增益系数。在忽略暗电流影响 的条件下，它定义为
1．PIN光电二极管的特性
（1）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。
① 响应度
响应度定义
R
Ip Pin
（A/W）
（5-3）
其中，Ip为光电检测器的平均输出电流，Pin为入射到
光电二极管上的平均光功率。
② 量子效率
量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义
为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即
（3）暗电流
在理想条件下，当没有光照时，光电 检测器应无光电流输出。但是实际上由于 热激励等，在无光情况下，光电检测器仍 有电流输出，这种电流称为暗电流。 严格地说，暗电流还应包括器件表面 的漏电流。暗电流会引起接收机噪声增大。 因此，器件的暗电流越小越好。
PIN光电检测器的一般性能
Si-PIN
第一节 光电检测器的工作原理－半导体光电效应
光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换。 光电效应如图5-1（a）和（b）所示。 当入射光子能量hf 小于禁带宽度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以下 条件
hf ≥Eg
（5-1）
半导体材料的光电效应
Eg h hc Eg
APD随使用的材料不同有几种：Si-APD（工作 在短波长区）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作 在长波长区）等
RAPD的结构图和能带示意图
图5-4 RAPD的结构图和能带示意图
第三节 光电检测器的特性
PIN管特性包括响应度、量子效率、响应时间和暗电流。 APD管除有上述特性外，还有雪崩倍增特性、温度特性等。
g=I0/Ip
（3-13）
I0为有雪崩倍增时光电流平均值，Ip为无倍增效应时光 电流平均值。PIN管由于无雪崩倍增作用，所以g=1。
（2）温度特性
随着温度的升高，倍增增益将下降。
（3）APD噪声特性
PIN管的噪声，主要为量子噪声和暗电流噪声，
APD管还有倍增噪声。
过剩噪声因子F ——是由于雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍 x 数。设 F g （ x是附加噪声指数），则APD的均方量子噪声电流 2 为 Iq 2eI p Bg 2 x 同理，APD的均方暗电流噪声电流为
Ip e I p hf 光电转换产生的有效电 子 空穴对数目 入射光子数目 Pin hf Pin e
· ·
hf R e
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（5-4）
其中，e为电子电荷，，hf 为一个光子的能量，
R e e hf hc 1.24
（5-4`）
式中 c 3 108 m/s为光速， h 6.628 1034 J · s为普朗克常数。 也就是说，光电二极管的响应度和量子效率与入射光
一、PIN光电二极管 PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体 之间，加一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征
的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成
一个很宽的耗尽层，如图5-3（a）所示。这样可以提高 其响应速度和转换效率。结构示意图如图5-3（b）所示。
PIN光电二极管结构示意图
2．APD的结构
目前APD结构型式，有保护环型和拉通（又称 通达）型。
保护环型在制作时淀积一层环形N型材料，以防止在 高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。 拉通型雪崩光电二极管（RAPD）的结构示意图和电 场分布如图5-4所示。
图5-4（a）所示的是纵向剖面的结构示意图。 图5-4（b）所示的是将纵向剖面顺时针转90°的示意图。 图5-4（c）所示的是它的电场强度随位置变化的分布图。
图5-1 半导体材料的光电效应
截至波长与截至频率
光频 fc＜
hc Eg
的入射光是不能产生光电效应的，将fc 转
Eg h
换为波长，则 λc=
。即只有波长λ＜ λc 的入射
光，才能使这种材料产生光生载流子，故λc 为产生光电 效应的入射光的最大波长，又称为截至波长，相应的fc 称为截至频率。
第二节 光纤通信中常用的半导体光电探测器
图5-3 PIN光电二极管
二、雪崩光电二极管（APD）
雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche Photo
Diode）。它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大
作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。
1．APD的雪崩倍增效应
APD的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加 高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场 区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能， 与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了 能量；越过禁带到导带，产生了新的电子—空 穴对；新产生的电子—空穴对在强电场中又被 加速，再次碰撞，又激发出新的电子—空穴 对……如此循环下去，形成雪崩效应，使光电 流在管子内部获得了倍增。 APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高 灵敏度的检测器。
频率（波长）有关。
硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系
硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系。
（2）响应时间
响应速度是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入 射光信号变化快慢的状态。一般用响应时间（上升时间和下 降时间）来表示。显然响应时间越短越好。 响应时间——光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到 90％，或由后沿的90%下降到10%的时间定义为脉冲上升 时间和脉冲下降时间。
第五章 光电探测器和光接收机
光电检测器
光电检测器完成光/电信号的转换。其基本要求是：
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。 目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二极管和 APD雪崩光电二极管。
InGaAs-PIN
1～1．6 0.5（1.31μm） 2～5 0.2～1 1～2
－
0.4～1.0 0.4 (0.85μm) 0.1～1 2～10 0.5～1
/V
－
暗电流 响应时间 结电容 工作电压
5～ －15
5～ －15
2. APD的特性
APD除了PIN的特性之外还包括雪崩倍增特性、温度特性 等。 （1）倍增因子 倍增因子g实际上是电流增益系数。在忽略暗电流影响 的条件下，它定义为
1．PIN光电二极管的特性
（1）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。
① 响应度
响应度定义
R
Ip Pin
（A/W）
（5-3）
其中，Ip为光电检测器的平均输出电流，Pin为入射到
光电二极管上的平均光功率。
② 量子效率
量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义
为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即
（3）暗电流
在理想条件下，当没有光照时，光电 检测器应无光电流输出。但是实际上由于 热激励等，在无光情况下，光电检测器仍 有电流输出，这种电流称为暗电流。 严格地说，暗电流还应包括器件表面 的漏电流。暗电流会引起接收机噪声增大。 因此，器件的暗电流越小越好。
PIN光电检测器的一般性能
Si-PIN
第一节 光电检测器的工作原理－半导体光电效应
光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换。 光电效应如图5-1（a）和（b）所示。 当入射光子能量hf 小于禁带宽度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以下 条件
hf ≥Eg
（5-1）
半导体材料的光电效应
Eg h hc Eg
APD随使用的材料不同有几种：Si-APD（工作 在短波长区）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作 在长波长区）等
RAPD的结构图和能带示意图
图5-4 RAPD的结构图和能带示意图
第三节 光电检测器的特性
PIN管特性包括响应度、量子效率、响应时间和暗电流。 APD管除有上述特性外，还有雪崩倍增特性、温度特性等。
g=I0/Ip
（3-13）
I0为有雪崩倍增时光电流平均值，Ip为无倍增效应时光 电流平均值。PIN管由于无雪崩倍增作用，所以g=1。
（2）温度特性
随着温度的升高，倍增增益将下降。
（3）APD噪声特性
PIN管的噪声，主要为量子噪声和暗电流噪声，
APD管还有倍增噪声。
过剩噪声因子F ——是由于雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍 x 数。设 F g （ x是附加噪声指数），则APD的均方量子噪声电流 2 为 Iq 2eI p Bg 2 x 同理，APD的均方暗电流噪声电流为
Ip e I p hf 光电转换产生的有效电 子 空穴对数目 入射光子数目 Pin hf Pin e
· ·
hf R e
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（5-4）
其中，e为电子电荷，，hf 为一个光子的能量，
R e e hf hc 1.24
（5-4`）
式中 c 3 108 m/s为光速， h 6.628 1034 J · s为普朗克常数。 也就是说，光电二极管的响应度和量子效率与入射光
一、PIN光电二极管 PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体 之间，加一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征
的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成
一个很宽的耗尽层，如图5-3（a）所示。这样可以提高 其响应速度和转换效率。结构示意图如图5-3（b）所示。
PIN光电二极管结构示意图
2．APD的结构
目前APD结构型式，有保护环型和拉通（又称 通达）型。
保护环型在制作时淀积一层环形N型材料，以防止在 高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。 拉通型雪崩光电二极管（RAPD）的结构示意图和电 场分布如图5-4所示。
图5-4（a）所示的是纵向剖面的结构示意图。 图5-4（b）所示的是将纵向剖面顺时针转90°的示意图。 图5-4（c）所示的是它的电场强度随位置变化的分布图。
图5-1 半导体材料的光电效应
截至波长与截至频率
光频 fc＜
hc Eg
的入射光是不能产生光电效应的，将fc 转
Eg h
换为波长，则 λc=
。即只有波长λ＜ λc 的入射
光，才能使这种材料产生光生载流子，故λc 为产生光电 效应的入射光的最大波长，又称为截至波长，相应的fc 称为截至频率。
第二节 光纤通信中常用的半导体光电探测器
图5-3 PIN光电二极管
二、雪崩光电二极管（APD）
雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche Photo
Diode）。它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大
作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。
1．APD的雪崩倍增效应
APD的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加 高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场 区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能， 与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了 能量；越过禁带到导带，产生了新的电子—空 穴对；新产生的电子—空穴对在强电场中又被 加速，再次碰撞，又激发出新的电子—空穴 对……如此循环下去，形成雪崩效应，使光电 流在管子内部获得了倍增。 APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高 灵敏度的检测器。
频率（波长）有关。
硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系
硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系。
（2）响应时间
响应速度是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入 射光信号变化快慢的状态。一般用响应时间（上升时间和下 降时间）来表示。显然响应时间越短越好。 响应时间——光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到 90％，或由后沿的90%下降到10%的时间定义为脉冲上升 时间和脉冲下降时间。
第五章 光电探测器和光接收机
光电检测器
光电检测器完成光/电信号的转换。其基本要求是：
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。 目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二极管和 APD雪崩光电二极管。