第五章 光探测和光接收机VIP免费

第五章光探测和光接收机本章内容对光检测器的基本要求PN结光电检测原理PIN光电二极管APD雪崩光电二极管MSM光电探测器单行载流子光电探测器波导光电探测器数字光接收机对光检测器的基本要求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.波长响应要和光纤的三个低损耗窗口兼容。3.有足够高的响应速度和足够的工作带宽。4.产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。5.光电转换线性好，保真度高。6.工作性能稳定，可靠性高，寿命长。7.功耗和体积小，使用简便。光纤通信常用的光电检测器半导体材料PIN光电二极管APD雪崩光电二极管PN结光电检测原理耗尽区：由于扩散电流和漂移电流方向相反，在平衡状态下两种电流相等，使得总电场为零，等效于空间电荷区的电阻阻值很大，载流子数目很少，称其为耗尽区。电子和空穴的扩散运动PN结界面内部电场漂移运动耗尽区、扩散区如果光子的能量大于或等于带隙(hf≥Eg)当入射光作用在PN结时发生受激吸收、光生载流子在耗尽层形成漂移电流。内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动扩散电流形成与漂移电流同向的在耗尽层两侧热运动半导体材料的光电效应？PN结光电二极管结构入射光hv>EgSiO2P+h+e-+ERIpVoutW抗反射膜电极电极耗尽区Pin空穴h+e-电子负载电阻RIp光生电流输出电压LLN(a)反向偏置的PN结,当光入射时,光生电子空穴对分别向N区和P区漂移，在外电路产生光生电流W=m几PN结光电二极管工作原理当PN结加上反向电压后，在入射光的作用下，由于受激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，在闭合外电路中形成光生电流的器件。当入射光功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。加反向电压？入射光？光生载流子？光生电流？镀抗反射膜以减少反射光强度2n入射光反射光透射光ABd3n1n23nn>抗反射膜1n器件表面5,3,142mnmd反射光的相位差？反射光的幅度？厚度？折射率？312nnn光电二极管的特性inpPIR//PPininIqIhfPhfPq产生的电子空穴对的个数入射光子数24.1hfqR1.响应度R2.量子效率η3.截止波长λc4.响应速度光生载流子的漂移时间、扩散时间、RC时间常数)(24.1eVEEhcggc常用半导体材料的禁带宽度与截止波长PN结光电二极管的缺点耗尽区窄结电容或耗尽区电容较大响应速度慢光电转换效率低PIN光电二极管入射光hv>EgSiO2P+h+e-+EIpVout抗反射膜电极电极耗尽区Pin输出电压RL反向偏置的PIN,因耗尽区较宽,可以吸收绝大多数光生电子和空穴对,使量子效率提高I-SiWN+Vr-RLCdIpVout空穴h+e-电子负载电阻RIp光生电流LW=m5~50E~~Vr/WCdPIN管分布电容在P和N层之间加入了一个I层，作为耗尽层。I层的宽度较宽，约有（5~50）m，吸收系数很小，易进入材料内部吸收绝大多数光子，使光生电流增加。PIN光电二极管工作原理当PN结加上反向电压后，入射光主要在耗尽区被吸收，在耗尽区产生光生载流子(电子--空穴对)。在耗尽区电场作用下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，产生光生电动势。在远离PN结的地方，因没有电场的作用，电子空穴作扩散运动，产生扩散电流。因I层宽，又加了反偏压，空间电荷区（耗尽层）加宽，绝大多数光生载流子在耗尽层内进行高效、高速漂移，产生漂移电流。这个漂移电流远远大于扩散电流，所以PIN光电二极管的灵敏度高。在回路的负载上出现电流，就将光信号转变为了电信号。PIN光电二极管的波长响应曲线6008001000120014001600180000.20.40.60.81.090%70%50%30%10%InGaAsPGeInGaAsSi(nm)波长()R响应度量子效率几种半导体材料的吸收系数随波长的变化PIN输出电流和反向偏压的关系击穿电压APD雪崩光电二极管SiO2P++h+e-ERIpVout电极电极耗尽区入射光hv>EgL(a)雪崩光电二极管（APD）的结构WN+Vr-PE()x0各区电场分布,雪崩发生在P区，吸收发生在区(b)x吸收区雪崩区EN+Ph+e-雪崩区(a)离子碰撞过程释放电子空穴对，导致雪崩晶格APD光电二极管的工作原理APD的光敏面被光子照射之后，光子被吸收而产生电子-空穴对。这些电子-空穴对经过高...