第四章 光检测器和光接收机.
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§4光检测器与光接收机总结
第四章 光检测器与光接收机1. 光接收机：分为模拟接收机和数字接收机。
1) 光检测器：把接收到的光信号转换成光电流。
2) 低噪声前置放大器：低噪声放大。
3) 主放大器：把前端输出的毫伏级信号放大到后面信号处理电路所需电平。
4) 均衡滤波器：消除放大器及其它部件引起的信号滤波失真，使噪声和码间干扰减小到最小。
其中，光检测器和低噪声前置放大器组成接收机的前端。
2. 性能指标1) 接收灵敏度：指达到指定误码率（信噪比）时的最小接收信号光功率。
mWmW P dBm P 1)(lg 10)(= 2) 动态范围：最大允许的接收光功率与最小可接收光功率之差。
3) 带宽：相邻两脉冲虽重叠但也仍能区分时的最高脉冲速率称为该光纤线路的最大可用带宽。
4) 响应时间：接收机开始具有稳定的工作状态的时间周期。
5) 误码率：接收机错误确定一个比特的概率（误码数与发送总码数比）。
6) 信噪比：噪声功率平均信号功率==22N S i i N S3. 光检测器1） PIN 二极管① 响应速度inP P I R =2） APD 二极管① 量子效率λη24.1R hf P e I in P == 或 24.1λη=R ② 0GR R =3） PIN 和APD 管的结构和工作原理→→≥产生电子－空穴对时当入射光子g E hf 在耗尽区电路作用下产生漂移运动，在外电路中产生光电流p I 。
电场在以上图中++n p ,表示高掺杂低阻区，电压降很小；π表示接近本征的低摻杂区um 100~30，大部分入射光子在此区吸收并建立初始电子－空穴对。
倍增的高电场区集中在+pn 结附近窄区域内。
当入射光子hf 在π区吸收后建立一次电子－空穴对，电子在电场作用下向+pn 结区漂移，并在+pn 区产生雪崩倍增，一次空穴则直接被+p 吸收。
4）响应时间：表征光检测器对光信号变化响应速度快慢，通常用光检测器受阶跃光脉冲照射时，输出脉冲前沿10％点到90％点间的时间间隔来衡量。
第4章 光探测和光接收机讲解
W
时间常数 0 RLCd
截止频率
fc
1
2pRC
1
2p 0
PIN管分布电容
Cd
RL Vout
等效电路
4.1 光检测器 4.1.2 PIN光电二极管
实验中常测量到脉冲的上升时间r, r与0关系如何？
特征时间：即脉冲响应时间
Vout
Vin
线性系统
0.9
1.0
R
Vin
i
0.1
C Vout
入射光
in
h+ e-
成正比
定义
R Ip Pin
单位A/W
hv>Eg 抗反射膜
E 耗尽区
W
②量子效率(quantum efficiency)
量子效率=(光生电子空穴对数)/入射光子数
输出电压 RL Vout 电 极
Ip /e
Pin / hv
R e
hv 1.24
R in A/W,
练习
Example2: In a 100-ns pulse, 6×106 photons at a wavelength
of 1300nm fall on an InGaAs photodetector. On the average, 5.4×106 electron-hole pairs are generated. What is the quantum efficiency?
5
Ge
InGaAs
800~1650 1100~1700
0.4~0.5 0.75~0.95
50~500 0.5~2.0
0.1~0.5 0.05~0.5
第4章 光检测器和光接收器
M
1 1 (V / VBR
)n
（4.1.7）
式中，n是与温度有关的特性指数，n = 2.5～7；VBR是雪崩击穿电压，对于不同的半
导体材料，该值从70～200V不等；V为反向偏置电压，一般取其为VBR的80%～90%。
APD管使用时必须注意保持工作电压低于雪崩击穿电压，以免损坏器件。
4.2 光检测器的特性参数 4.2.1 光检测器性能参数
载流子在耗尽区的漂移时间就越长，对带宽的限制也就越大，故需综合考虑。由于
不同半导体材料对不同波长的光吸收系数不同，所以本征区的宽度选取也各不相同。
例如Si PIN光吸收系数比InGaAs PIN小两个数量级，所以它的本征区宽度大约是
40m，而InGaAs PIN本征区宽度大约是4m。这也决定了两种不同材料制成的光检
Mq
h
MRPIN
APD光检测器的响应度在0.75～130之间。
3．响应光谱
为了产生光生载流子，入射光子的能量必须大于光检测器材料的禁带宽度，即满足条件
h Eg
（4.2.5）
常用半导体材料的禁带宽度和对应波长见表4.1。
表4.1 常用半导体材料的禁带宽度和对应波长
半导体材料 Si
半导体材料 Ge
式（4.2.5）也可以表示成
hc Eg
c
（4.2.6）
式中，c称为截止波长。也就是说，对确定的半导体检测材料，只有波长小于截止波 长的光才能被检测到，并且探测器的量子效率随着波长的变化而变化，这种特性被
称做响应光谱。所以光检测器不具有通用性，各种材料的响应光谱不同。常用的光
电半导体材料有Si，Ge，InGaAs，InGaAsP，GaAsP等，图4.2.1示出了几种材料的响
第四章光检测器与光接收机要点
第4章 光检测器与光接收机
2）PIN光电二极管
a、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。 结构如下图：
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。
1 05 Ge 1 04
数 (cm－ 1) 吸 收 系
GaAs 1 03
1 02 Si 1 01 0 .4 0 .6 0 .8
1 .0 1 .2 波长 / m
In 0 .70Ga0 .30As 0 .64P0 .36
1 .4 1 .6 1 .8
材料吸收系数随波长的变化情况
In 0 .53Ga0 .47As
第一节：概述
第二节：光检测器
第三节：数字接收机
第4章 光检测器与光接收机
第一节 概述 光接收机可分两类：模拟接收机和数字接收机， 如下图。 它们均由光检测器、低噪声前置放大器及其他信 号处理电路组成。 数字接收机比较复杂，在主放大器后还有均衡滤 波、定时提取与判决再生、峰值检波与AGC放大等电 路。 光检测器的作用是把接收到的光信号转换成光电
如下图，为检测器电路及其等效电路，其中 CPN 为 检测器的结电容； Rb为偏置电阻；Ra、Ca分别为放大器 的输入电阻和输入电容； Rs为检测器的串联电阻，通常 只有几欧，可以忽略。 影响响应速度的主要因素有： （ 1 ）检测器及其有关电路的 RC时间常数，设它造 成的脉冲前沿上升时间为：ιRC 要提高响应速度，就要降低整个电路的时间常数。 从检测器本身来看，就要尽可能降低结电容
光纤通信原理第四章光接收机
若两个随机变量的概率分布都是高斯函数，则它 们之和的概率密度函数也是高斯函数，且其方差等于 两个随机变量的方差之和。高斯分布的这一特点使接 收机灵敏度的计算得到简化。
在高斯近似下，放大器和均衡滤波器输出端的总
噪声的概率密度函数依然是高斯函数，且总噪声功率 为
•放大器输出噪声主要由前置级决定，只要第一级的增 益足够大，以后各级引入的噪声可略，
•分析时把所有噪声等效到输入端。
放大器输入端的噪声源
电阻的热噪声和有源器件的噪声，都是由无限
多个统计独立的不规则电子的运动产生的，它们的 总和的统计特性服从正态分布。放大器噪声的概率 密度函数可以表示为高斯函数
f x 21expx2m22
1．光接收机输入端等效电路及噪声源
is(t)：光电检测器等效电流源，in(t):光电检测 器的散粒噪声，Cd:光电检测器的结电容。Rb和Cs： 偏置电阻和偏置电路的杂散电容，Ra和Ca：放大 器的输入电阻和电容。
放大器的有源器件会引入噪声。一般将第一 级有源器件的各种噪声源都等效到输入端，分两 种情况：一种是等效为输入端并联的电流噪声源ia, 设它的功率谱密度为sI；另一种是等效为输入端串 联的电压噪声源ea，设它的功率谱密度为SE。
4.2光接收机
4.2.1光接收机简介 4.2.2放大电路及其噪声 4.2.3光接收机灵敏度的计算
4.2.1 光接收机简介
光接收机的组成
光接收机：模拟和数字。模拟光接收机，主要用于 光纤CATV系统；数字光接收机，用于大部分通信系 统。
检测方式：相干和非相干。相干检测，先将接收的 光信号与一个本地振荡光混频，再被光电检测器变换 成中频信号；非相干检测，常用的非相干检测是直接 功率检测，用光电二极管直接将接收的光信号变换成 基带信号。
在高斯近似下，放大器和均衡滤波器输出端的总
噪声的概率密度函数依然是高斯函数，且总噪声功率 为
•放大器输出噪声主要由前置级决定，只要第一级的增 益足够大，以后各级引入的噪声可略，
•分析时把所有噪声等效到输入端。
放大器输入端的噪声源
电阻的热噪声和有源器件的噪声，都是由无限
多个统计独立的不规则电子的运动产生的，它们的 总和的统计特性服从正态分布。放大器噪声的概率 密度函数可以表示为高斯函数
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1．光接收机输入端等效电路及噪声源
is(t)：光电检测器等效电流源，in(t):光电检测 器的散粒噪声，Cd:光电检测器的结电容。Rb和Cs： 偏置电阻和偏置电路的杂散电容，Ra和Ca：放大 器的输入电阻和电容。
放大器的有源器件会引入噪声。一般将第一 级有源器件的各种噪声源都等效到输入端，分两 种情况：一种是等效为输入端并联的电流噪声源ia, 设它的功率谱密度为sI；另一种是等效为输入端串 联的电压噪声源ea，设它的功率谱密度为SE。
4.2光接收机
4.2.1光接收机简介 4.2.2放大电路及其噪声 4.2.3光接收机灵敏度的计算
4.2.1 光接收机简介
光接收机的组成
光接收机：模拟和数字。模拟光接收机，主要用于 光纤CATV系统；数字光接收机，用于大部分通信系 统。
检测方式：相干和非相干。相干检测，先将接收的 光信号与一个本地振荡光混频，再被光电检测器变换 成中频信号；非相干检测，常用的非相干检测是直接 功率检测，用光电二极管直接将接收的光信号变换成 基带信号。
第04章 光检测器和光接收机
(4.1.4)
量子效率定义为通过结区的载流子数与入射的光子数之 比， 即
第4章 光检测器和光接收机
通过结区的光生载流子数（光生电子-空穴对数） 入射到器件上的光子数
η=
(4.1.5)
由物理概念可知 光生载流子数（光生电子-空穴对数）=
Ip e
e为电子电荷量， 其值为1.6×10－19 C。
P0 入射的光子数= hν
第4章 光检测器和光接收机
第 4 章 光检测器和光接收机
4.1 光检测器 4.2 光检测器的分类 光检测器的分类 4.3 PIN光电二极管 光电二极管 4.4 雪崩光电二极管 雪崩光电二极管(APD) 4.5 MSM光检测器 光检测器 光检测器 4.6 光检测器的可靠性和注意事项 4.7 IM/DD模式 模式 4.8 光接收机 习题
第4章 光检测器和光接收机
光生载流子在外加负偏压（P接负， N接正）和内建 电场的作用下， 在外电路中出现光电流， 如图4-1-1所示， 从而在电阻R上有信号电压输出。 这样就实现了输出电压 跟随输入光信号变化的光电转换作用。 图4-1-2所示为PN结及其附近的能带分布图， 要注意 的是能带的高、 低是以电子的电位能为依据的， 电位越 负能带越高。
第4章 光检测器和光接收机
（4） 雪崩倍增建立时间（仅对于APD）； （5） RC时间常数。 显然， 一个快速响应的光电检测器， 它的响应时 间一定是短的。 要想具有快速响应的特性， 光电二极 管在结构上首先要减薄零场区， 其次是减小结电容。 采用同轴封装和微带结构可以减小管壳电容， 以进一步 减短响应时间。
第4章 光检测器和光接收机
4.1.2
主要工作特性 主要工作特性
下面介绍衡量光检测器性能的几个主要特性参数。 响应度与量子效率 1. 响应度与量子效率 响应度定义为在一定波长的光照射下， 光电检测 器的平均输出电流Ip与入射的平均光功率P0之比， 表示 I P 如下：
光纤通信4-光检测器与光接收机ppt课件
hc Eg
hc 1 . 24 E E eV ) g g(
m ) c(
由于吸收系数取决于光波长，因此，特定的半导体材料只能应用在有限的波长 范围内。
3、 雪崩光电二极管(APD) 1 ）雪崩光电二极管的的结构
P 高掺杂的 型半导体，为接触层；
I轻掺杂半导体层，为漂移区（光吸收区）； P型半导体，为倍增层（或称雪崩区）； N+高掺杂的 型半导体，为接触层。
S (f )eI Q p
0 . 9 1 . 3 0 . 94 A / W R 1 . 24 1.24
3、APD 光电二极管中所有载流子产生的倍增因子M
M
IM M Ip
m
V
m
1 1(Vj /VB)n
j
加在PN结的有效电压 雪崩电压 适配因子，与材料 及结构有关
I M 雪崩增益后输出电流的平均值
w耗尽区宽度
产生的光电流
P sw 0 Ip e eP ( 1 e ) hf hf
e w s R ( 1 e ) hc
eP sw 0( 1 e ) hc
I p RP
光吸收系数与波长的关系曲线
s ( )
c
hf
?
Eg
hf Eg
N
光电二极管（PD）
1、半导体光电二极管 光子进入PN结，价带的电子受激吸收将 被激发到导带，产生一对光生载流子， 受内建电场的作用，光生载流子的电子 向 N区漂移，空穴向P区漂移，载流子 移动到外部电路形成光电流。
光生电流包括：
耗尽层 势 垒
漂移电流--耗尽区的光生载流子在电场作用下运动形成的电流扩散电流 扩散电流----P区的光生载流子形成的电流 N区的光生载流子形成的电流
第4章光检测器和光接收机
第4章 光检测器和光接收机
4.1光检测器的工作原理
作用：将接收到的光信号转换成电信号。 工作原理： 把能量大于Eg的光照射到半导体材料上， 则处于低能带的电子吸收该能量后而被激励跃 迁到高能带，从而产生电子_空穴对。通过在 半导体材料上外加电场，使得电子_空穴对在 半导体材料中渡越，形成光电流（光生电流）。 当入射光变化时，光生电流随之做线性变化， 从而把光信号转换成电信号。
第4章 光检测器和光接收机
(4)动态范围
在保证系统误码率指标要求下，接收机的最 低光功率和最大允许光功率之比
Pmax D 10 lg Pmin
D的单位为dB
第4章 光检测器和光接收机
PIN光电检测器优点 (1)I区的宽度远大于P区和N区宽度，所以I区有
更多的光子被吸收，从而增加了量子效率； (2)扩散电流很小 (3)反向偏压可以取较小值
第4章 光检测器和光接收机
2 APD光检测器 工作机理：
入射光在光电二极管中产生最初的电子_空穴对，由 于光电二极管上加了较高反向偏置电压，电子_空穴对在 该电场作用下加速运动，获得很大动能，当它们与中性原 子碰撞时，会使中性原子价带上的电子获得能量后跃迁到 导带上去，于是产生新的电子_空穴对，新产生的电子_空 穴对称为二次电子_空穴对。这些二次载流子同样能再强 电场作用下，碰撞别的中性原子进而产生新的电子_空穴 对，这样就引起了产生新载流子的雪崩过程。 这样，一个光子最终产生了许多的载流子，使得光信 号在光电二极管内部就获得了放大。
第4章 光检测器和光接收机
4.3 光接收机
光接收机的作用是把光发射机发送并 经光纤传输的携带有信息的光信号转化成 相应的电信号，然后放大并再生恢复为原 始电信号。
第4章 光检测器和光接收机
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光接收机的主要作用是将经光纤传输后幅度 被衰减，波形被展宽的微弱光信号转变为电信号， 并经放大处理，恢复为原来的信号。
3
4.1 半导体光检测器件
光检测器的作用是将光纤输出的微弱光信号转变 为电信号，它是影响光接收机性能的重要器件。
光纤通信系统对光检测器的基本要求是：
波长段内响应度或灵敏度要高 具有足够的带宽和响应速度 由检测器引入的附加噪声必须最低，暗电流、漏电流和 并联电导必须最小 较低的偏压或偏流，具有高可靠性和长寿命 较小的几何尺寸，便于与光纤及其他电路组装
4
响应度
响应度是表示光检测器能量转换效率的一个参数， 是光检测器的平均输出电流与平均输入光功率之比。表 示为
R0 I p / P0 （A/W） (4-1)
式中：R0——光检测器的响应度 IP——光检测器的平均输出电流 P0——入射在检测器光敏面上的平均光功率
5
4.1 光电二极管的工作原理
最基本的半导体光检测器是由反向偏置的PN 结构成的。在半导体材料的PN结面上，由于电子 和空穴的扩散形成了内部的电场，称之为自建场。 由于自建场的作用使电子和空穴产生了与扩散方 向相反的漂移运动。在PN结界面附近形成了高电 场的耗尽区。在耗尽区两边，电场基本为0，称为 扩散区。耗尽区和扩散区均为光子的吸收区，在 入射光照射下，要吸收光能量产生光生载流子。
线
17
响应速度
PIN 光电二极管的响应速度可以用响应时间或 截至频率来表示。
响应时间取决于光检测电路的上升时间、载流 子在耗尽层中的渡越时间和耗尽区外载流子的扩 散时间。
18
线性饱和
光检测器电路有一定的光功率检测范围。当入 射光功率太大时，光电流和光功率将不成正比， 从而产生非线性失真。
随着输入光功率和输出电流的增大，检测电 路中负载电阻上的压降增大，光电管上实际压降 减小，耗尽区内电场减弱，继而会引起单位光功 率产生的光电流变小。此时光电转换不再满足线 性关系，称为线性饱和。
36
1. 光检测和前置放大器
光电检测器完成光电转换。由发送端发出的光信 号经过光纤线路传输后，到达接收端已经很微弱。检 测器输出的电流仅在nA数量级。所以必须采用多级放 大将微弱的电信号放大至判决电路能正确识别。
由于信号微弱又带有噪声，如果采用一般的放大 器进行放大，放大器本身就会将前一级放大器所引入 的噪声也进行放大，信噪比并没有得到改善。因此多 级放大器的前级必须满足低噪声、高增益的要求，才 能得到较大的信噪比。
光纤通信与数字传输B
南京邮电大学
第四章 光检测与光接收机
4.1 半导体光检测器件 4.2 光接收机 4.3 光接收机噪声分析 4.4 光接收机的误码率 4.5 接收机灵敏度 4.6 光中继机
2
概述
光接收机是光纤通信系统的主要组成部分， 它的性能是整个光纤通信系统性能的综合反映。 由光发送机发出的光信号在光纤线路中传输时， 不仅会受到损耗的影响而造成幅度衰减，同时光 纤色散和非线性效应等可能会引起脉冲波形展宽， 由此造成的信号质量下降会增加接收机接收信号 的难度，这些都对接收机的性能提出了较高的要 求。
6
图4-1 PN结光电二极管
收区
7
图4-2 PN结光电二极管工作原理
a）PN结 b）能带图
8
图4-3 光生载流子慢扩散使响应变慢
光
光脉冲
功
率
电脉冲
t
检
测 电 流
漂移
扩散
t
9
反向偏压工作的光电二极管
为了克服由于光生载流子扩散速度慢于漂移速 度而引起的响应变慢现象，对光电二极管采用反 向偏压。
的，因而倍增因子g也是随机变化的。一般所称的倍增因子是指 平均倍增（电流增益系数）G。
G g
式中<g>是表示随机量g的平均值。
（4-15）
25
图4-10 电流增益－偏压、温度关系
26
过剩噪声
当雪崩光电二极管的雪崩增益为G时，它的 信号电流比无倍增时增大了G倍，信号功率增大了 G2 倍 。 由 式 （ 4-18 ） 可 以 看 出 噪 声 功 率 增 大 了 G2F倍。由于F＞2，所以噪声功率增大的速率大 于信号功率增大的速率*。
从判决电路输出的数字信号送至接口的译码 电路进行码型反变换，恢复原来的码型。
34
光接收机主要性能指标
接收灵敏度 反映了接收机检测微弱信号的能力
误码率或信噪比 动态范围
反映了接收机适应输入信号变化的能力
35
4.2.1 光接收电路
光接收电路由检测器、前置放大器、主放大 器、自动增益控制和均衡电路组成。它将光信号 变换成一定幅度的、波形好的电信号，供后续电 路进行再生判决。
11
图4-4 PIN光电二极管结构及各层电场分布
12
PIN光电二极管的主要特性
截止波长和吸收系数 响应度和量子效率 响应速度 线性饱和 暗电流 噪声
13
截止波长和吸收系数
只有入射光子的能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg，
才能产生光电效应。因此对一种特定材料的检测器存在
30
4.2 光接收机
直接检测数字光接收机主要由光接收电路和 输出接口电路组成。接收机的组成框图如图4-11 所示。
31
图4-11 直接检测数字光接收机框图
前置放大
主放
均放
基线恢复
定时判决
无光告警
AGC放大
峰值检波
时钟提取
32
光接收机原理 1
在接收机中，首先由光电检测器光信号转变 为电信号。光电检测器的输出信号电流很小，必 须由低噪声、宽频带的前置放大器进行放大。光 电检测器和前置放大器构成接收机前端，其噪声 性能是决定接收灵敏度的主要因素。
由于掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic） 半导体，故称I层，这种结构称为PIN光电二极管。I层 较厚，几乎占尽了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I 层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是 掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄， 吸收入射光的比例很小。因而光生电流中漂移分量占 了主导地位，这就大大加快了响应速度。
APD 中产生非线性光电变换的原因是器件上 的偏压不能保持恒定，继而会引起雪崩区的变窄 和倍增因子的下降。
APD 暗电流随倍增因子的增大而增大。
29
第四章 光检测与光接收机
4.1 半导体光检测器件 4.2 光接收机 4.3 光接收机噪声分析 4.4 光接收机的误码率 4.5 接收机灵敏度 4.6 光中继机
22
1. APD的工作原理和结构
处于反向偏置的耗尽层光电二极管，当外加的反向偏 压不断增强时，耗尽层内产生的光生载流子在强电场作用 下得到加速，获得很大的动能。高能的载流子与半导体晶 体内的原子相碰撞，将束缚在价带中的电子激发到导带， 从而在耗尽层内产生新的电子-空穴对，这种现象称为碰撞 电离。碰撞电离的反复循环使耗尽层内的载流子数雪崩似 的急剧增加，通过二极管的电流也就猛增，这就是雪崩倍 增效应。
主放大器与均衡器对信号进行高增益的放大 并对经传输和放大后的失真信号进行补偿，整形， 提高信噪比，减少误码率，使输出的脉冲适合判 决的要求。
33
光接收机原理 2
基线处理是将信号的基线（低电平）固定在 某一电平上，解决信号的基线漂移，以便于判决。
定时判决与时钟提取电路作用是从收到的带 有噪声和畸变的波形中识别信码“1”和“0”。然 后由再生电路重新产生和发端一样的数字脉冲序 列。
暗电流与器件的结面积成正比。故常用单位面积 上的暗电流（称为暗电流密度）来衡量。暗电流随器 件温度的升高而增大。暗电流的存在限制了光电二极 管所能检测的最小光功率，也就是降低了接收机的灵 敏度。
20
噪声
噪声是光电二极管的一个重要参数。噪声的 存在同样也限制了光电二极管所能检测的最小光 功率，直接影响了接收灵敏度。
光电二极管的噪声包括散粒噪声（又称量子 噪声）和热噪声。噪声通常用均方噪声电流（在 1Ω负载上消耗的噪声功率）来描述。
21
4.1.3 雪崩光电二极管APD
光接收机的灵敏度主要由接收机的信噪比决定。因此 可以采用减小噪声或增大信号电流的方法来提高接收机的 灵敏度。
如果采用自身对光生电流具有放大作用的光检测器， 即使检测器在电流放大过程中会产生附加噪声，但只要附 加噪声小于负载电阻和后级放大器的噪声，则这样的检测 器必定会改善接收机的信噪比，从而提高了接收机的灵敏 度。雪崩光电二极管（APD）就是这样的一种具有内部电 流增益的光电转换器件。
*此处分析过程请参阅教材
27
APD响应度和量子效率
由于在APD中光生电流被倍增了G倍，所以它 的响应度比PIN管提高了G倍。因为量子效率只与 初始载流子数目有关，与倍增无关，所以不管PIN 还是APD，量子效率总是小于1。
28
APD 线性饱和和暗电流
APD 适宜检测微弱的光信号，当输入光功率 较强时，入射光功率和输出电流之间的线性关系 会被破坏。
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2. 主放和均放
信号经前置放大器输出仍然比较微弱，不能满足 幅度判决的要求，因此还必须加以放大。由于光接收 机的入射光功率有一个可变化的动态范围，因此放大 器增益也应随入射光功率的变化得到相应的调整，以 适应在不同输入信号情况下仍能保持输出电平稳定。 即实现自动增益控制。在光接收机中，把实现自动增 益控制的放大级称为主放大器。
均放电路的主要作用是对接收到的信号进行均衡 以利于定时判决。
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图4-13 主放和均放构成框图
光电检测 前置放大 压控衰减
AGC宽放
信号
输入
AGC1
AGC2
AGC监测
均衡滤波 直流放大
告警
宽放1 宽放2
峰值检波
去再生 电路
眼图 监测
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4.1 半导体光检测器件
光检测器的作用是将光纤输出的微弱光信号转变 为电信号，它是影响光接收机性能的重要器件。
光纤通信系统对光检测器的基本要求是：
波长段内响应度或灵敏度要高 具有足够的带宽和响应速度 由检测器引入的附加噪声必须最低，暗电流、漏电流和 并联电导必须最小 较低的偏压或偏流，具有高可靠性和长寿命 较小的几何尺寸，便于与光纤及其他电路组装
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响应度
响应度是表示光检测器能量转换效率的一个参数， 是光检测器的平均输出电流与平均输入光功率之比。表 示为
R0 I p / P0 （A/W） (4-1)
式中：R0——光检测器的响应度 IP——光检测器的平均输出电流 P0——入射在检测器光敏面上的平均光功率
5
4.1 光电二极管的工作原理
最基本的半导体光检测器是由反向偏置的PN 结构成的。在半导体材料的PN结面上，由于电子 和空穴的扩散形成了内部的电场，称之为自建场。 由于自建场的作用使电子和空穴产生了与扩散方 向相反的漂移运动。在PN结界面附近形成了高电 场的耗尽区。在耗尽区两边，电场基本为0，称为 扩散区。耗尽区和扩散区均为光子的吸收区，在 入射光照射下，要吸收光能量产生光生载流子。
线
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响应速度
PIN 光电二极管的响应速度可以用响应时间或 截至频率来表示。
响应时间取决于光检测电路的上升时间、载流 子在耗尽层中的渡越时间和耗尽区外载流子的扩 散时间。
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线性饱和
光检测器电路有一定的光功率检测范围。当入 射光功率太大时，光电流和光功率将不成正比， 从而产生非线性失真。
随着输入光功率和输出电流的增大，检测电 路中负载电阻上的压降增大，光电管上实际压降 减小，耗尽区内电场减弱，继而会引起单位光功 率产生的光电流变小。此时光电转换不再满足线 性关系，称为线性饱和。
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1. 光检测和前置放大器
光电检测器完成光电转换。由发送端发出的光信 号经过光纤线路传输后，到达接收端已经很微弱。检 测器输出的电流仅在nA数量级。所以必须采用多级放 大将微弱的电信号放大至判决电路能正确识别。
由于信号微弱又带有噪声，如果采用一般的放大 器进行放大，放大器本身就会将前一级放大器所引入 的噪声也进行放大，信噪比并没有得到改善。因此多 级放大器的前级必须满足低噪声、高增益的要求，才 能得到较大的信噪比。
光纤通信与数字传输B
南京邮电大学
第四章 光检测与光接收机
4.1 半导体光检测器件 4.2 光接收机 4.3 光接收机噪声分析 4.4 光接收机的误码率 4.5 接收机灵敏度 4.6 光中继机
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概述
光接收机是光纤通信系统的主要组成部分， 它的性能是整个光纤通信系统性能的综合反映。 由光发送机发出的光信号在光纤线路中传输时， 不仅会受到损耗的影响而造成幅度衰减，同时光 纤色散和非线性效应等可能会引起脉冲波形展宽， 由此造成的信号质量下降会增加接收机接收信号 的难度，这些都对接收机的性能提出了较高的要 求。
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图4-1 PN结光电二极管
收区
7
图4-2 PN结光电二极管工作原理
a）PN结 b）能带图
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图4-3 光生载流子慢扩散使响应变慢
光
光脉冲
功
率
电脉冲
t
检
测 电 流
漂移
扩散
t
9
反向偏压工作的光电二极管
为了克服由于光生载流子扩散速度慢于漂移速 度而引起的响应变慢现象，对光电二极管采用反 向偏压。
的，因而倍增因子g也是随机变化的。一般所称的倍增因子是指 平均倍增（电流增益系数）G。
G g
式中<g>是表示随机量g的平均值。
（4-15）
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图4-10 电流增益－偏压、温度关系
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过剩噪声
当雪崩光电二极管的雪崩增益为G时，它的 信号电流比无倍增时增大了G倍，信号功率增大了 G2 倍 。 由 式 （ 4-18 ） 可 以 看 出 噪 声 功 率 增 大 了 G2F倍。由于F＞2，所以噪声功率增大的速率大 于信号功率增大的速率*。
从判决电路输出的数字信号送至接口的译码 电路进行码型反变换，恢复原来的码型。
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光接收机主要性能指标
接收灵敏度 反映了接收机检测微弱信号的能力
误码率或信噪比 动态范围
反映了接收机适应输入信号变化的能力
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4.2.1 光接收电路
光接收电路由检测器、前置放大器、主放大 器、自动增益控制和均衡电路组成。它将光信号 变换成一定幅度的、波形好的电信号，供后续电 路进行再生判决。
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图4-4 PIN光电二极管结构及各层电场分布
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PIN光电二极管的主要特性
截止波长和吸收系数 响应度和量子效率 响应速度 线性饱和 暗电流 噪声
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截止波长和吸收系数
只有入射光子的能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg，
才能产生光电效应。因此对一种特定材料的检测器存在
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4.2 光接收机
直接检测数字光接收机主要由光接收电路和 输出接口电路组成。接收机的组成框图如图4-11 所示。
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图4-11 直接检测数字光接收机框图
前置放大
主放
均放
基线恢复
定时判决
无光告警
AGC放大
峰值检波
时钟提取
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光接收机原理 1
在接收机中，首先由光电检测器光信号转变 为电信号。光电检测器的输出信号电流很小，必 须由低噪声、宽频带的前置放大器进行放大。光 电检测器和前置放大器构成接收机前端，其噪声 性能是决定接收灵敏度的主要因素。
由于掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic） 半导体，故称I层，这种结构称为PIN光电二极管。I层 较厚，几乎占尽了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I 层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是 掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄， 吸收入射光的比例很小。因而光生电流中漂移分量占 了主导地位，这就大大加快了响应速度。
APD 中产生非线性光电变换的原因是器件上 的偏压不能保持恒定，继而会引起雪崩区的变窄 和倍增因子的下降。
APD 暗电流随倍增因子的增大而增大。
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第四章 光检测与光接收机
4.1 半导体光检测器件 4.2 光接收机 4.3 光接收机噪声分析 4.4 光接收机的误码率 4.5 接收机灵敏度 4.6 光中继机
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1. APD的工作原理和结构
处于反向偏置的耗尽层光电二极管，当外加的反向偏 压不断增强时，耗尽层内产生的光生载流子在强电场作用 下得到加速，获得很大的动能。高能的载流子与半导体晶 体内的原子相碰撞，将束缚在价带中的电子激发到导带， 从而在耗尽层内产生新的电子-空穴对，这种现象称为碰撞 电离。碰撞电离的反复循环使耗尽层内的载流子数雪崩似 的急剧增加，通过二极管的电流也就猛增，这就是雪崩倍 增效应。
主放大器与均衡器对信号进行高增益的放大 并对经传输和放大后的失真信号进行补偿，整形， 提高信噪比，减少误码率，使输出的脉冲适合判 决的要求。
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光接收机原理 2
基线处理是将信号的基线（低电平）固定在 某一电平上，解决信号的基线漂移，以便于判决。
定时判决与时钟提取电路作用是从收到的带 有噪声和畸变的波形中识别信码“1”和“0”。然 后由再生电路重新产生和发端一样的数字脉冲序 列。
暗电流与器件的结面积成正比。故常用单位面积 上的暗电流（称为暗电流密度）来衡量。暗电流随器 件温度的升高而增大。暗电流的存在限制了光电二极 管所能检测的最小光功率，也就是降低了接收机的灵 敏度。
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噪声
噪声是光电二极管的一个重要参数。噪声的 存在同样也限制了光电二极管所能检测的最小光 功率，直接影响了接收灵敏度。
光电二极管的噪声包括散粒噪声（又称量子 噪声）和热噪声。噪声通常用均方噪声电流（在 1Ω负载上消耗的噪声功率）来描述。
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4.1.3 雪崩光电二极管APD
光接收机的灵敏度主要由接收机的信噪比决定。因此 可以采用减小噪声或增大信号电流的方法来提高接收机的 灵敏度。
如果采用自身对光生电流具有放大作用的光检测器， 即使检测器在电流放大过程中会产生附加噪声，但只要附 加噪声小于负载电阻和后级放大器的噪声，则这样的检测 器必定会改善接收机的信噪比，从而提高了接收机的灵敏 度。雪崩光电二极管（APD）就是这样的一种具有内部电 流增益的光电转换器件。
*此处分析过程请参阅教材
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APD响应度和量子效率
由于在APD中光生电流被倍增了G倍，所以它 的响应度比PIN管提高了G倍。因为量子效率只与 初始载流子数目有关，与倍增无关，所以不管PIN 还是APD，量子效率总是小于1。
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APD 线性饱和和暗电流
APD 适宜检测微弱的光信号，当输入光功率 较强时，入射光功率和输出电流之间的线性关系 会被破坏。
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2. 主放和均放
信号经前置放大器输出仍然比较微弱，不能满足 幅度判决的要求，因此还必须加以放大。由于光接收 机的入射光功率有一个可变化的动态范围，因此放大 器增益也应随入射光功率的变化得到相应的调整，以 适应在不同输入信号情况下仍能保持输出电平稳定。 即实现自动增益控制。在光接收机中，把实现自动增 益控制的放大级称为主放大器。
均放电路的主要作用是对接收到的信号进行均衡 以利于定时判决。
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图4-13 主放和均放构成框图
光电检测 前置放大 压控衰减
AGC宽放
信号
输入
AGC1
AGC2
AGC监测
均衡滤波 直流放大
告警
宽放1 宽放2
峰值检波
去再生 电路
眼图 监测