第四章 光检测器和光接收机
4.1 光检测器的工作原理 4.2 光检测器的特性参数 4.3 光接收机
4.4 光收发合一模块
Light Detector
驱动电路 调制器 光源
中继器 光纤
光电二极 管
光纤
放大器
判决器
光接收机 光接收机是光纤通信系统的重要组成部 分，其作用是将光信号转换回电信号， 恢复光载波所携带的原信号。
4.1 光检测器的工作原理

External Photoelectric Effect(外部光电效应)： 金属表面通过吸收入射光子流的能量从而释 放电子，形成光生电流——真空光电二极管 和光电倍增管 Internal Photoelectric Effect(内部光电效应)： 半导体结型器件通过吸收入射光子产生自由 电荷载流子（电子和空穴）——PN结光电二 极管，PIN结光电二极管，雪崩光电二极管

4.1 Semiconductor Photodiode 半导体光电二极管


半导体光电二极管体积小，重量轻，灵敏度 高，响应速度快，在几伏的偏置电压下即可 工作。 PN型光电二极管 PIN型光电二极管 雪崩型（APD）光电二极管
光探测原理----受激吸收
Ec 吸收光子后 产生电子 (输 出 电 流 ) Ev

例1，铯是一种常见的光致发光材料，其功 函数为1.9eV,计算其截止波长。
1.24 0.65 m 1.9
光波长小于这个值时，光子能量超过功函数， 才能被铯阴极检测到。

Quantum Efficiency 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电子数与入射光子数之比 ，即 发射电子数 每秒钟发射电子数 P hf 入射光子数
PN结光电检测原理

光电二极管（ PD ）是一个工作在反向偏压 下的 PN结二极管，由光电二极管作成的光 检测器的核心是PN结的光电效应。当PN结 加反向偏压时，外加电场方向与 PN结的内 建电场方向一致，势垒加强，在 PN结界面 附近基本上没有载流子，称为耗尽区。当 光束入射到 PN 结上，且光子能量 hf 大于半 导体材料的带隙 Eg 时，价带上的电子吸收 光子能量跃迁到导带上，形成一个电子 — 空穴对。
M 1.9610
N
6
Photomultiplier

光电倍增管产生内部增益(Internal Gain)，可 以在不显著降低信噪比的情况下放大信号， 而放大器的外部增益（External Gain）一般 会引入噪声，降低信噪比。 光电倍增管响应速度很快，不到1ns。 缺点：成本高，体积大，重量大，需要一个 能提供数百伏偏置电压的电压源。
二次发射 电子
Photomultiplier

每个倍增电极的增益(Gain)指每个入射电子所产生 的二次发射电子数的平均值。通常在2~6之间。 假设每个倍增电极的增益为δ，总的增益为：

M

N
通过外电路的电流为：
MeP i hf

例2，假定一个光电倍增管有9个倍增电极， 每个倍增电极的增益为5，计算此光电倍增 管的电流放大倍数。

输入 光子
h
假如入射光子的能量超过禁带能量 Eg，耗尽区 (PN结的结区也就是中间势垒所在区域，没有 自由电子)每次吸收一个光子，将产生一个电子 空穴对，发生受激吸收。
PN型光电二极管检测原理说明 入射光



光电转换器件 原理：光吸收
半导体
在半导体材料上，当入射光子能量hf超过带隙能量 时，每当一个光子被半导体吸收就产生一个电 子—空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电 子和空穴就在半导体中渡越并形成电流流动，称 为光电流。
检测器输出的电流波形
Vacuum photodiode 真空光电二极管
入射光子 阴极 发射电子 阳极
Vacuum photodiode真空光电二极管
Vacuum photodiode

单个电子从阴极逃逸需要一个最低的能量值，称为功函数 (Work Function)，入射光子的能量必须大于此值才能产生 光致电子发射。
主放 大器
均衡 滤波
判 决 器
输出
AGC电路 前端 性能指标:接收灵敏度、 误码率或信噪比 线性通道
时钟恢复 时钟提取与数据再生 （CDR）
对信号进行高增益放大与整形， 提高信噪比，减少误码率。
前 言



发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅 幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了。 光接收机的作用就是检测经过传输后的微 弱光信号，并放大、整形、再生成原输入 信号。 它的主要器件是利用光电效应把光信号转 变为电信号的光电检测器。 对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快 、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的 光敏面应与光纤芯径匹配。 用半导体材料制成的光电检测器正好满足 这些要求。
h

光子能量hv大于功函数时，电子可以吸收光子而逸出，否 则不论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任何一 种材料制作的光电二极管都有截止波长(Cutoff wavelength )C：(um)
1.24 C (eV )
hc

光波长大于这个值时，入射光子没有足够的能量激励检测 器，因而不能被检测到，波长小于这个值时，光子能量超 过功函数，能被检测到。

1．Responsivity 响应度 光检测器的主要性能指标
光检测器的输出电流与入射光功率之比称为 响应度。

IP Pin

单位：安培每瓦/伏特每瓦
2. Rise Time 上升时间tr
在入射光功率呈阶跃变化的条件下，检 测器的输出电流从最大值的10%上升到 90%所用时间。

输入功率波形
光纤通信第四章
Light Detector And Light Receiver 光检测器和光接收机驱动电Biblioteka 调制器 光源中继器 光纤
光电二极 管
光纤
放大器
判决器
光接收机 光接收机是光纤通信系统的重要组成部 分，其作用是将光信号转换回电信号， 恢复光载波所携带的原信号。
光信号 光电 变换
前置 放大
i
eP eP
hf hc
P hf
CP
检测电流正 比于光功率
在光电二极管的应用中， i 100 e个光子会产生 e 30到95个电 子－空穴对，因此检测器的量子效率范围为 30%~95%。
hc
Photomultiplier （PMT） 光电倍增管
入射光子 阴极 倍增电极 阳极