【圖】光接收器件介紹
(2023/6/1 7:00:00)
光接收器件介紹
光接收器件介紹
光接收器件即光檢測器，作用是將光纖輸出的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。對光檢測器要求：
①在工作波長范圍光電轉(zhuǎn)換效率高；
②檢測過程引入的附加噪聲盡可能小；
③響度速度快、線性好、頻帶寬；
④高可靠性，長壽命，尺寸與光纖直徑相配，工作電壓低。
常見的光檢測器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管APD(avalanchephotodiode）以及由二者為核心派生出來的組件。
1.PIN光電二極管
PIN光電二極管是在PN結(jié)的P型層和N型層之間夾了一層本征半導(dǎo)體semiconductor)，形成P-I-N結(jié)構(gòu)而得名，如圖12.1所示：
如圖12.1所示，處于反偏狀態(tài)的器件，電源在PN結(jié)形成的電場E與內(nèi)建電場Ei同方向，使耗盡區(qū)加寬。當(dāng)光波注入時，能在較寬的范圍內(nèi)激發(fā)出載流子，由于i區(qū)有電場，光生載流子以較快的漂移速度向電極移動，形成外部電流：
2 APD雪崩二極管
當(dāng)耗盡區(qū)中的場強(qiáng)達(dá)到足夠大（~3*1O^5V/cm）時，光生載流子將被加速到很高的速度，在運(yùn)動過程中與晶格中的原子碰撞時會使之電離，產(chǎn)生額外的電子空穴對。這些新生電子和空穴也被加速，發(fā)生新的碰撞和電離，產(chǎn)生更多的電子一空穴對。這個物理過程稱為雪崩效應(yīng)，它倍增 了一次光電流，使之得到放大。由于倍增過程是隨機(jī)產(chǎn)生的，倍增增益就取統(tǒng)計平均值。＜g>=G。倍增增益與許多因素有關(guān)，如載流子電
離系數(shù)，雪崩區(qū)的寬度以及反向偏壓的高低等。
3. PIN-FET(PIN-TIA)
單個光電二極管作為接收器件使用常常很難實現(xiàn)高靈敏度，在要求高的場合經(jīng)常將其與前端放大器集成在一個單片電路上并用金屬屏蔽體密封。在高阻抗設(shè)計中，由于場效應(yīng)管FET輸入阻抗高，常被選為前端晶體管，與PIN管構(gòu)成所謂的PIN-FET器件。圖12.4是一種常見PIN-FET組件電路，其中Rf引入了電壓并聯(lián)負(fù)反饋--這是跨阻放大器所需要的。
圖12.4常見PIN-FET電路
圖12.5所示的另一種電路沒有負(fù)反饋。兩種電路都使用了共源一共基結(jié)構(gòu)，提供足夠的放大器帶寬。輸出級采用射級跟隨器，提高帶負(fù)載能力。
與輸入級不采用FET時，相應(yīng)的組件就稱為PIN-TIA(Trans-impedanceAlllplifier）。有一些廠家提供單獨(dú)的TIA放大器，則必須配單獨(dú)的PIN管使用，在電路設(shè)計時要考慮如何抗干擾。
4 .APD-FET(APD-TIA)
APD-FET和PIN-FET類似，只不過APD所需偏置電壓較高，所以一般不宜采用圖12.4那樣的電路，宜采用圖12.6那樣的電路，或者帶反饋的如LaserITon公司的QDAx-500，如圖12.6所示。在深度負(fù)反饋（電壓并聯(lián)）條件下，放大器Ul的增益即為反饋電阻值4kQ。
APD-TIA的應(yīng)用與PIN-TIA應(yīng)用類似，由于APD的擊穿電壓會隨溫度而變化，在實際應(yīng)用中對APD的偏壓要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，多數(shù)APD組件都集成了溫敏元件以便進(jìn)行補(bǔ)償。
光接收器件介紹
光接收器件即光檢測器，作用是將光纖輸出的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。對光檢測器要求：
①在工作波長范圍光電轉(zhuǎn)換效率高；
②檢測過程引入的附加噪聲盡可能小；
③響度速度快、線性好、頻帶寬；
④高可靠性，長壽命，尺寸與光纖直徑相配，工作電壓低。
常見的光檢測器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管APD(avalanchephotodiode）以及由二者為核心派生出來的組件。
1.PIN光電二極管
PIN光電二極管是在PN結(jié)的P型層和N型層之間夾了一層本征半導(dǎo)體semiconductor)，形成P-I-N結(jié)構(gòu)而得名，如圖12.1所示：
如圖12.1所示，處于反偏狀態(tài)的器件，電源在PN結(jié)形成的電場E與內(nèi)建電場Ei同方向，使耗盡區(qū)加寬。當(dāng)光波注入時，能在較寬的范圍內(nèi)激發(fā)出載流子，由于i區(qū)有電場，光生載流子以較快的漂移速度向電極移動，形成外部電流：
2 APD雪崩二極管
當(dāng)耗盡區(qū)中的場強(qiáng)達(dá)到足夠大（~3*1O^5V/cm）時，光生載流子將被加速到很高的速度，在運(yùn)動過程中與晶格中的原子碰撞時會使之電離，產(chǎn)生額外的電子空穴對。這些新生電子和空穴也被加速，發(fā)生新的碰撞和電離，產(chǎn)生更多的電子一空穴對。這個物理過程稱為雪崩效應(yīng)，它倍增 了一次光電流，使之得到放大。由于倍增過程是隨機(jī)產(chǎn)生的，倍增增益就取統(tǒng)計平均值。＜g>=G。倍增增益與許多因素有關(guān)，如載流子電
離系數(shù)，雪崩區(qū)的寬度以及反向偏壓的高低等。
3. PIN-FET(PIN-TIA)
單個光電二極管作為接收器件使用常常很難實現(xiàn)高靈敏度，在要求高的場合經(jīng)常將其與前端放大器集成在一個單片電路上并用金屬屏蔽體密封。在高阻抗設(shè)計中，由于場效應(yīng)管FET輸入阻抗高，常被選為前端晶體管，與PIN管構(gòu)成所謂的PIN-FET器件。圖12.4是一種常見PIN-FET組件電路，其中Rf引入了電壓并聯(lián)負(fù)反饋--這是跨阻放大器所需要的。
圖12.4常見PIN-FET電路
圖12.5所示的另一種電路沒有負(fù)反饋。兩種電路都使用了共源一共基結(jié)構(gòu)，提供足夠的放大器帶寬。輸出級采用射級跟隨器，提高帶負(fù)載能力。
與輸入級不采用FET時，相應(yīng)的組件就稱為PIN-TIA(Trans-impedanceAlllplifier）。有一些廠家提供單獨(dú)的TIA放大器，則必須配單獨(dú)的PIN管使用，在電路設(shè)計時要考慮如何抗干擾。
4 .APD-FET(APD-TIA)
APD-FET和PIN-FET類似，只不過APD所需偏置電壓較高，所以一般不宜采用圖12.4那樣的電路，宜采用圖12.6那樣的電路，或者帶反饋的如LaserITon公司的QDAx-500，如圖12.6所示。在深度負(fù)反饋（電壓并聯(lián)）條件下，放大器Ul的增益即為反饋電阻值4kQ。
APD-TIA的應(yīng)用與PIN-TIA應(yīng)用類似，由于APD的擊穿電壓會隨溫度而變化，在實際應(yīng)用中對APD的偏壓要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，多數(shù)APD組件都集成了溫敏元件以便進(jìn)行補(bǔ)償。
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