光纤通信原理.ppt

光纤通信原理.ppt第五章光电探测器和光接收机
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。
光电检测器
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)
第一节光电检测器的工作原理-半导体光电效应
图5-1 半导体材料的光电效应
半导体材料的光电效应
光频 fc< 的入射光是不能产生光电效应的,将fc 转
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。
截至波长与截至频率
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。
第二节光纤通信中常用的半导体光电探测器
PIN光电二极管结构示意图
图5-3 PIN光电二极管
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。
二、雪崩光电二极管(APD)

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。

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。
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