P(W ) P0 1 e ()W
式中：P0为入射光功率；α(λ)为材料吸收系数， 其大小与材料性质有关，且是波长的函数。
半导体材料的吸收作用随波长减小而迅速增强， 即α随波长减小而变大。
下图为光纤通信中用作光检测器的几种材料的 吸收系数随波长的变化情况。
吸 收 系数(cm－ 1) In0.70Ga0.30As 0.64P0.36
第4章 光检测器与光接收机
半导体中的光发射 (e)反向偏置的pn结
第4章 光检测器与光接收机
在耗尽区，在内建电场的作用下电子向N区漂移， 空穴向P区漂移，如果PN结外电路构成回路，就会形 成光电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性 变化，从而把光信号转换成电信号。当入射光子能量 小于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：
第二节 光检测器
光纤通信系统对光检测器的要求： ➢在工作波长上光电转换效率高，即对一定的入射光功 率，能够输出尽可能大的光电流； ➢响应速度快，线性好及频带宽，使信号失真尽量小。； ➢噪声低，器件本身对信号的影响小； ➢体积小、寿命长、高可靠、工作电压低等。
在光纤通信中，满足上述要求的光检测器有两种： PIN光电二极管和雪崩二极管(APD)
2）动态范围 在实际的系统中，由于中继距离、光纤损耗、连
接器及熔接头损耗不同，发送功率随温度的变化及老 化原因，接收光功率有一定的范围。 定义：
最大允许的接收光功率与最小可接收光功率之差 为光接收机的动态范围。
最大光功率决定于非线性失真及前置放大器的饱 和电平。
最小光功率则决定于接受灵敏度。
第4章 光检测器与光接收机
其余电路则对信号进行进一步的处理、整形，以 提高系统的性能，最后解调出发送信息。
衡量接收机性能的主要指标是接收灵敏度及动态 范围。 1）接受灵敏度
接受灵敏度是指达到指定误码率或信噪比时的最 小接收信号光功率，通常用dBm表示。
影响接受灵敏度的主要因素是光信号检测过程及 前置放大器中的各种噪声。
第4章 光检测器与光接收机
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。
不同半导体材料存在着上限波长即截止波长。当 入射波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大 降低。
因此，半导体光电检测器只可以对一定波长范围 的光信号进行有效的光电转换，这一波长范围就是波 长响应范围。
第4章 光检测器与光接收机
由于半导体材料对光的吸收，光在材料中按 指数率衰减，因此在厚度W的材料内被吸收的光功 率为：
第4章 光检测器与光接收机
第四章 光检测器与光接收机
在光纤通信系统中，光接收机的任务是以最小的 附加噪声及失真，恢复出光纤传输后由光载波所携带 的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光 纤通信系统的性能。
本章首先介绍光检测器的原理与特性，然后以数 字接收机为例对光接收机进行详细说明。
第4章 光检测器与光接收机
第4章 光检测器与光接收机
增透膜 光
P I PN+
(a)
电极 电极
PIN光电二极管结构
电极 (b )
第4章 光检测器与光接收机
动 画 演 示
PIN光电二极管及能带图
第4章 光检测器与光接收机
b、PIN光电二极管的特性 PIN光电二极管的主要特性包括波长响应范围、
响应度、量子效率、响应速度及噪声特性等。 波长响应范围
第4章 光检测器与光接收机
一、光检测器的工作原理
1） PN结的光电效应 光电二极管（PD）是一个工作在反向偏压下的
PN结二极管，如下图。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结界面附近载流 子基本上耗尽形成耗尽区。当光束入射到PN结上，且 光子能量hv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。
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。
In 0. Ge
104 GaA s
103
102 Si
101 0.4
0.6 0.8 1.0 1.2 波 长 /m
1.4 1.6 1.8
材料吸收系数随波长的变化情况
第4章 光检测器与光接收机
从图中可以看出，当波长很短时，材料的吸收 系数很大，这样，光在半导体材料表层即被吸收殆 尽。在表层产生的光生载流子要扩散到耗尽层才能 产生光生电流，而在表层为零电场扩散区，扩散速 度很慢，在光生载流子还没有到达耗尽层时就大量 被复合掉了，使得光电转换效率在波长很短时大大 下降。
光检测器的作用是把接收到的光信号转换成光电 流。
前置放大器的作用是对光检测器生成的光电流进 行低噪声放大。
第4章 光检测器与光接收机
光纤通信接收机框图 (a)模拟接收机; (b)数字接收机
第4章 光检测器与光接收机
光检测器和低噪声放大器构成接收机前端，其性 能的优劣是决定接收灵敏度的主要因素。
主放大器的作用是把前端输出的毫伏级信号放大 到后面信号处理电路所需的电平(1－3V(峰－峰))。
h Eg
即存在
c
hc Eg
第4章 光检测器与光接收机
λc为产生光电效应的入射光的最大波长，称为截 止波长。
以Si为材料的光电二极管,λc=1.06μm;以Ge为材料 的光电二极管，λc=1.60μm。
利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极 管。但这种光电二极管结构简单，无法降低暗电流和 提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合 做光纤通信的检测器。