3.1.2 雪崩光电二极管(APD)
P P(N) N
光
－
＋
I0
APD工作原理 1 、 当 外 加 的 反 向 偏 压 ( 约 100V-150V) 比
PIN情况下高得多时，这个电压几乎都降到
PN结上，已经高出碰撞电离的电场。 2、此时若光从P区照射，则和PIN一样， 大部分光子将在较厚的I层被吸收，因而产 生电子、空穴对。
第二章作业 1、何谓光子的自发辐射、受激吸收和受激辐射？ 2、应如何选择LD的偏置电流？ 3、有一个GaAs-LD，工作波长为870nm，其纵模之间的 间隔为278GHz，GaAs的折射率为n=3.6，计算其光腔的 长度及纵模数。 4、一半导体激光器，谐振腔长L=300微米，工作物质的 损耗系数2mm-1，谐振腔两镜面的反射率为1*0.9，求激光 器的阈值增益系数。 5、已知GaAs激光二极管的中心波长为0.85微米，谐振腔 长为0.4mm，材料折射率为3.7，若在0.8微米-0.9微米范 围内，该激光器的光增益始终大于谐振腔的光衰减，试求 该激光器中可以激发的纵模数量。
式中，U为反向偏压，UB 为击穿电压，n为与材料特性和入 射光波长有关的常数，R为体电阻。 击穿电压：当反向偏压增大到某个值时，g增大到无穷大， 理论上定义g趋向无穷大时所对应的电压为击穿电压。击穿 电压对温度非常敏感。
输出光电流I0
光电流
20℃ 40℃ 70℃
暗电 流 UB
0
反向偏压 U
光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系。
3.2.4光电二极管一般性能和应用
表3.3和表3.4列出半导体光电二极管(PIN和APD)的一般 性能。 APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求较高 的场合，采用APD有利于延长系统的传输距离。但是采用APD 要求有较高的偏置电压和复杂的温度补偿电路，结果增加了成 本。因此在灵敏度要求不高的场合，一般采用PINPD。
2. 过剩噪声因子 雪崩倍增效应不仅对信号电流而且对噪声电流同样起放 大作用，所以如果不考虑别的因素，APD的均方量子噪声电 流为 〈i2q〉=2eIPBg2 (3.26a)
这是对噪声电流直接放大产生的，并未引入新的噪声成 分。事实上，雪崩效应产生的载流子也是随机的，所以引入 新的噪声成分， 并表示为附加噪声因子F。 F(>1)是雪崩效应 的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪 声电流应为 〈i2q〉=2eIPBg2+x (3.26b)
吸收区与雪崩倍增区相互分离的APD管的四层结构
光电二极管的应用
APD是有增益的光电二极管，在光接收机 灵敏度要求较高的场合，采用APD有利于延长 系统的传输距离。但是采用APD要求有较高的 偏置电压和复杂的温度补偿电路，结果增加了 成本。
因此在灵敏度要求不高的场合，一般采用 PIN光电二极管。
SiPIN和APD用于短波长(0.85μm)光纤通信系统。InGaAs PIN用于长波长(1.31 μm和1.55 μm)系统，性能非常稳定， 通 常把它和使用场效应管(FET)的前置放大器集成在同一基片 上，构成FET PIN接收组件，以进一步提高灵敏度，改善器 件的性能。
这种组件已经得到广泛应用。新近研究的InGaAsAPD
APD的结构
目前光纤通信系统中，更多的是采用吸收 区与雪崩倍增区相互分离的APD管，这种APD 管称为SAM-APD。 SAM-APD管有四层结构：1、高掺杂的N+ 型半导体，为接触层；2、型半导体，为倍增层 （或称雪崩区）；3、轻掺杂半导体I层，为漂移 区（光吸收区）；4、高掺杂的P+型半导体，为 接触层。
光纤通信系统的典型误码范围是10-9到10-12。
接收机灵敏度
定义：在保证通信质量(限定误码率，如10-9)的条件下，光接 收机所需的最小平均接收光功率<P>min，并以dBm为单位。
P min S 10 log 3 (dBm) 10
物理意义：灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接 收微弱光信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的 光信号。
第三章 光接收机
接收机的任务 1. 检测出因为长途传输而变得很微弱的信号； 2. 从受到各种干扰的信号中恢复出原始数据。
数字信号传输
系统中的各种干扰 最终产生误码
光接收机主要组成部分
3.1 接收机工作的基本原理
主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、自动增 益控制(AGC)电路、时钟提取电路以及取样判决器。
线性通道
提供高的增 益，放大到 适合于判决 电路的电平 对主放输出的失 真数字脉冲进行 整形和补偿，使 之成为有利于判 决的码间干扰最 小的升余弦波形
主放大器 均衡器
AGC 电路
根据输入信号大小自动调整放大器增益，使 输出信号保持恒定，以扩大接收机动态范围
判决再生与时钟提取
任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号 对某时隙的码元进行判 决，恢复原始信号
APD的结构有多种类型，如图3.26示出的N+PΠP+结构被 称为拉通型APD。在这种类型的结构中，当偏压加大到一定 值后，耗尽层拉通到Π(P)层，一直抵达P+接触层，是一种全 耗尽型结构。拉通型雪崩光电二极管(RAPD)具有光电转换效 率高、响应速度快和附加噪声低等优点。
图3.26 APD结构图
0.4 30％ 0.2 10％ 0
Si适用于0.8—0.9微米波段
0.7
Ge和InGaAs适用于1.3—1.6微米波段 1.1 1.5 1.7 0.9 1.3 m
例题分析
• 1已知PD的响应度为0.6A/W，入射光的波 长为1.3微米，求该PD的量子效率。若该 PD的量子效率调高到70%，求对应的响应 度。 2、一波长为1.31微米，功率为10微瓦的直流光 照射到某个PIN中，PIN产生的光生电流为9微 安，求该PIN的响应度和量子效率。
•2 光电二极管的波长响应 3 光电二极管的光电转化效率：
量子效率和响应度 4 响应速度 5暗电流
PIN光电二极管
P InP
I InGa As
N InP
基于异质结的PIN光电二极管
PIN光电二极管
1.0
＝90％
0.8 70％ 0.6
－1)
InGaAs
Si 50％ Ge
W (·
判决器
再生码流
时钟 提取
为精确确定“判决时刻”， 需要从信号码流中提取准 确的时钟信息作为标定， 以保证与发送端一致
3.2 数字接收机性能
光接收机对码元误判的概率称为误码率(在二元制的 情况下，等于误比特率，BER)： 在传输的码流中，误判的码元数Ne和接收的总码元 数Nt的比值来表示：
Ne Ne BER Nt Bt
光信号 光检测器 前置放大器 主放大器 再生码流 均衡器 判决器
偏压控制
AGC 电路
时钟 提取
前端
线性通道
时钟提取 数据再生
基于强度调制的数字接收机模型
光接收机的核心部分：前端
光信号 光检测器 前置放大器
偏压控制
前端：由光电二极管和前置放大器组成 作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变光生电流， 然后进行预放大，以便后级作进一步处理。 要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽
的特点是响应速度快，传输速率可达几到十几Gb/s，适用于
超高速光纤通信系统。由于GeAPD的暗电流和附加噪声指数
较大，很少用于实际通信系统。
3、入射光功率产生的电子空穴对经过高场区时 不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电
子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，
使晶格中的原子电离，产生新的电子-空穴对。
4、新的电子空穴对受到同样加速运动，又与原 子碰撞电离，产生电子空穴对，称为二次电子 空穴对。如此重复，使强电场区域中的电子和 空穴成倍的增加，载流子和反向光生电流迅速 增大，产生雪崩现象, 这个物理过程称为雪崩倍 增效应。 雪崩过程倍增了一次光生电流，因此，在雪 崩光电二极管内部就产生了放大作用。雪崩光 电二极管就是这样既可以检测光信号，又能放 大光信号电流。
目前我国PIN光电二极管的水平
• 1、Si-PIN管 接收波长0.8-0.9微米，响应度0.50.6微安/微瓦，量子效率80%，暗电流<1nA，上 升时间<1ns，工作电压-15伏； • 2、Ge- PIN管 接收波长1.31微米，响应度0.50.7微安/微瓦，量子效率70%，暗电流0.2微A， 上升时间<1ns，工作电压-15至-5伏； • 3、InGaAsP -PIN管 接收波长1.31、1.55微米， 响应度0.5-0.7微安/微瓦，量子效率60%，暗电 流3nA，上升时间<1ns，工作电压-5伏。
光接收机的动态范围(DR)
定义：在限定的误码率条件下，光接收机所能承受的最大平 均接收光功率<P>max 和所需最小平均接收光功率<P>min 的比 值，用dB表示。根据定义：
p max DR 10 lg (dB) p min
在动态范围之内，需要光接收机能保持稳定输出。
DR的物理含义
APD的平均雪崩增益 由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这种 效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述它的放 大作用， 并把倍增因子g定义为APD输出光电流Io和一次
光生电流Ip的比值。
I0 g IP
显然，APD的响应度比PIN增加了g倍。根据经验，并考 虑到器件体电阻的影响，g可以表示为
物理意义：动态范围表示光接收机接收强光的能力，数字光 接收机的动态范围一般应大于15 dB。
由于使用条件不同，输入光接收机的光信号大小要发生变化， 为实现宽动态范围，采用，最大允许输入的光功率为0.1mw，灵敏 度为0.1微瓦，求其动态范围。