《光纤通信技术》第四章-光探测器与光接收系统.pptx

光纤通信技术通信与信息工程学院通信与信息工程学院1

目录第1章绪论第2章光纤光缆第3章光源与光发射系统第4章光探测器与光接收系统第5章光无源器件第6章光通信中的光放大器第7章光纤通信系统与网络2022/4/4通信与信息工程学院2

第4章光探测器与光接收机通信与信息工程学院3

本章内容光子探测器光接收机框图光接收机灵敏度接收机的动态范围和自动增益控制(AGC)电路接收机的再生电路通信与信息工程学院4

§4.1光子探测器光电探测器通常分为2类:(1)光子探测器（利用各种光子效应）；（2）热探测器（利用温度）。光子效应：光电子发射、光电导变化效应、光生伏特、光电磁等。光热效应：温差电、电阻率变化、自发极化强度变化、气体体积和压强变化等。基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材料中的电子能逸出材料表面，这各种器件称为外光电效应器件。基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件，在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材料中出现光生自由电子和空穴，这种器件称为内光电效应器件。2022/4/4通信与信息工程学院5

4.1.1光电子发射探测器应用光电子发射效应制成的光电探测器称为光电子发射探测器。在光电子发射探测器中，入射辐射的作用是使电子从光电阴极表面发射到周围的空间中，即产生光电子发射。产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴极的逸出功。光电子发射的能量转换公式为122V0hm????为使价带中的电子能跃迁到导带上，必须使入射光子的能量大于禁带宽度Eg，即hchc???,即1.24?m?Eg?c??EEgg使材料具有光电发射的截止波长λc??hc1.24()?m?c??2022/4/4通信与信息工程学院6

光电倍增管的工作原理图是光电倍增管的工作原理图。图4-1中K为光电发射阴极，D为聚焦板，D1～D10为倍增极（或打拿极），A为收集电子的阳极。倍增极间的电压逐级增加，极间电压约为80～150V。2022/4/4通信与信息工程学院7

光电倍增管的性能光电倍增管的性能主要由阴极和倍增极以及极间电压决定。负电子亲和势材料是目前最好的光电阴极材料。倍增极二次电子发射特性用二次系数σ描述，即?n?Nn?1Nnσ值主要取决于倍增极材料和极间电压如果倍增极的总数为n，且各级性能相同，考虑到电子的传输损失，则光电倍增管的电流增益M为f为第一倍增极对阴极发射电子的收集率；g为各倍增极之间的电子Mf??iA??g?n传递效率，良好的电子光学设计可iK始f、g值在0.9以上。n和σ值愈大，M值就愈高，但过多的倍增极不仅使倍增管加长，而且使电子渡越效应变得严重，从而严重影响倍增管的频率特性和噪声特性。2022/4/4通信与信息工程学院8

4.1.2光电导探测器图4-2光敏电阻（以非本征n型半导体为例）分析模型2022/4/4通信与信息工程学院9

1.光电转换规律图中V表示外加偏置电压，l、b和d分别表示n型半导体得三维尺寸，光功率P在x方向均匀入射，假定光电导材料的吸收系数为α，表面反射率为R，则光功率在材料内部沿x方向的变化规律为??xPxPR??????e1相应的光生面电流密度j（x）为jxevnx?????式中e为电子电荷，v为电子在外电场方向的漂移速度，n（x）为在x处的电子密度。流过电极的总电流为ddijxbdxevbnxdx????00????2022/4/4通信与信息工程学院10

稳态下，电子得复合率为n(x)/τ，而电子的产生率等于单位面积、单位时间吸收的光子数乘以量子效率η，产生率＝复合率得：??xnx????????1?RPeτ为电子的平均寿命，hbl?η为量子效率应用上面两式得：e?iMP?M为电荷放大系数h?d??x有效量子效率???1????Rdx?0e?nV?M为电荷放大系数，u是电子迁移率，寸。V为外加偏压，l为结构尺M?2nl2022/4/4通信与信息工程学院11

2.光电导探测电路典型的光电探测器在电路中的连接如图4-3所示。电路中的参数Vb和RL均会影响输出信号的电压值，那么，如何选择Vb和RL？2022/4/4通信与信息工程学院12

从图4-3可见，负载电阻RL两端的直流压降为?RLVVRLb?RRLd当光辐射照到探测器上时，探测器电阻Rd就发生变化，负载电阻RL两端压降也就发生变化，这个电压的变化量就是信号电压Vs?VRLRLVVsb?????RRdd2?Rd??RRLd??VVsb????Rd????12RL2????RL??RRLd???RRLd当上式等于0时，有RL＝Rd，信号电压为极大值。2022/4/4通信与信息工程学院13

从图4-3可见，在偏压Vb作用下，通过探测器电流I为I?VbRRLd?在探测器上消耗的功率P为P?IR2d经验数据－探测器的功耗不应超过0.1W/cm2，若探测器的面积为