catv光接收機原理及應用.txt心若無塵，一花一世界，一鳥一天堂。我曾經喜歡過你，現在我依然愛你希望月亮照得到的地方都可以留下你的笑容那些飄滿雪的冬天，那個不帶傘的少年，那句被門擋住的誓言，那串被雪覆蓋的再見catv光接收機原理及應用
第一部分光探測器的結構及效能
光探測器在光纖傳輸系統中的任務是光電轉換。在訊號的光傳輸鏈路中，光探測器是光接收機的心臟部件，對於強度調製系統，光探測器把輸入的光束的強度變化轉化為相應的電流變化；對於外差檢測系統，光探測器把訊號光束電場與本振光束電場之積轉化為電流，其變化規律反映訊號光的頻率變化或相位變化。另外，在光傳輸鏈路的監測、探測系統中，光探測器還廣泛用作光強感測器，例如，在雷射器元件中包含光探測器，用以實現傳送光功率的自動控制；在光纖放大器中，用光探測器感知輸入輸出光功率的大小，以實現放大器的狀態控制。
在catv光傳輸系統中對光探測器有如下要求：a、在系統工作的波段範圍內有很高的響應效率，即對工作波段內入射的光訊號，光探測器能輸出較大的光電流，實際上不同材料對各種波長的光的響應效率是不一樣的，在使用光探測器時必須合理選擇所用的器件，才能滿足系統要求。b、有足夠的響應度，輸出電流與輸入光功率是線性關係，以保證訊號不失真。
c、雜訊低，頻帶寬。光探測器在光電變換中引入的雜訊應盡量小，因為光探測器的入射光訊號一般相當微弱，又是光接收機的最前級，對系統的載噪比影響較大。d、可靠性高、壽命長、效能穩定，能適應一定的溫度等環境條件變化，另外還要求光探測器體積小、**低、偏置簡單等。
為了滿足上述系統要求，目前一般都採用半導體光探測器。
一、光探測器的結構
光纖通訊系統中所使用的半導體光電探測器都是利用光電效應原理製成的，所謂光電效應就是指一定波長的光照射到半導體的pn結時，價帶上的電子吸收光子能量而躍遷到導帶，使導帶中有了電子，價帶中有了空穴，從而使pn結中產生光生載流子的一種現象。
當p型半導體和n型半導體結合時（不是機械結合，而是分子間結合），能構成乙個p-n結，在p、n型半導體的交界將發生載流子相互擴散的運動；p型材料中的空穴區比n型材料多，空穴將從p區擴散到n區；同樣n型材料中的電子遠比p型材料的多，也要擴散到p區，達到平衡時，這些向對方擴散的載流子將積聚在p區和n區交介面的附近，形成空間電荷區，稱為結區，如下圖所示：
空間電荷區內，因多數載流子（指p區中的空穴，n區中的電子），幾乎已消耗盡了，故又稱它為耗盡區。耗盡區內形成了內建電場ei以及接觸電勢或勢壘va，ei或va的存在阻止多數載流子繼續向對方擴散，達到了平衡狀態。如果p-n結接收相當能量的光波照射，進入耗盡區的光子就會產生電子——空穴對，並且受內電場ei的加速，空穴順ei方向漂向p區，電子則逆ei方向漂向n區，光照的結果打破了原有結區的平衡狀態。
光生載流子的運動，同樣要在結區形成由場ep和電壓vp，而ep和vp的方向和極性正如與ei和va相反，起到削弱ei和va的作用。電壓vp稱為光生伏特，當光照是穩定的，將p-n結兩端用導線連線，串入電流計就能讀出光電流ip。
p-n結中的光電流是靠耗盡區中的內電場形成的。當以適當能量的光照射p-n結且光強很大，能使光生電場ep=ei，合成電場e=ei-ep=0，即ei已被削減為零，耗盡區也不存在了。這時光生載流子雖仍可在p-n區中產生，但無電場導引和加速，在雜亂的擴散過程中，大部分光生空穴和光生電子相繼復合而消失，不能形成外部電流。
這是不加偏置的p-n結可能出現的問題；零偏置有兩大弊病：（1）器件的響應速度很差，並且很容易飽和；（2）依靠擴散運動形成的光電流響應速度很慢。若在p-n結上加反向偏置電壓v，則勢壘高度增加到va+v，負偏壓在勢壘區產生的電場與內建場方向一致，使勢壘區電場增強，加強了漂移運動，而且n區的電子向正電極運動並被中和，p區的空穴向負電極運動也被中和，這樣耗盡層就被加寬了，響應率和響應速度都可以得到提高。
除了加負偏壓的方法外，還可以通過減小p區和n區的厚度來減小載流子的擴散時間；減少在p區和n區被吸收的光能以及降低半導體的摻雜濃度來加寬耗盡層的方法來提高器件的響應速度，這種結構就是常用的pin光電二極體。
前面講述了光探測器的原理及結構。總的說來，pin無增益、靈敏度稍低、要求偏壓小、暗電流小、動態範圍大，適用於模擬電視傳輸；在catv應用中以pin光探測器居多，因而此處重點講述pin光探測器的效能指標及在光接收機中的應用。
二、pin光探測器的技術指標及應用
pin光電二極體在p和n層之間夾有乙個本徵層（i層），p層做得很薄。p和i層之間的結區靜電容做得極小，為0.5-2pf，因此能獲得高速脈衝或射頻電視訊號的優良特性。
pin光電二極體的主要技術指標主要由下列引數來表徵：
1．光電轉換效率。衡量光電轉換效率的特性引數有量子效率和響應度。量子效率n定義為光電子產生率re與光子入射率rp之比，即每1秒鐘內，光電二極體的電極所收集到的電子數與入射到光電二極體的光子數之比，n=re/rp=（ip/e）/(po/hv) 式中：
e是電子電荷，v為光頻，波長越大，ip越大，n就越大，故量子效率有波長依賴性；在應用上自然要求量子效率越高越好。現在商用的pin光電二極體的量子效率為70%—90%，甚至有接近100%的產品。
響應度表示單位入射光功率所產生的光電流，常用r表示：r=ip/p0。r的單位為a/w，利用上式就得到響應度與量子效率的正比關係：
r=en/ hv =eλn/hc 式中c為光速。運用直流電流錶和光功率計，很容易的測量出乙個pin光電二極體的響應度，目前商用的pin光電二極體的響應度為0.8—0.
9a/w。響應度同樣是波長的函式，隨著波長的增加，響應度會變大；因此，同一只光電二極體在接收不同波長的訊號時響應度不一樣，接收1550nm訊號時的響應度就比接收1310nm訊號的響應度高。
製作乙個高量子效率或高響應度的光電二極體需要有以下工藝和技術來保證。 （1）光敏面要做得很薄。因為光敏面是高摻雜的材料，這裡產生的光生載流子需在零場區經過緩慢擴散，才能達到耗盡區成為外部光電流，一些載流子在擴散過程中常常被復合而消失，極薄的光敏面可使光生載流子復合的機率減小，大部分能順利的到達耗盡區，從而提高了量子效率。
（2）耗盡區要足夠寬，使入射光的全光程都能產生載流子。厚度小了，量子效率將降低。（3）為了減小光敏面的光反射損失，可在其表面鍍一層抗反射膜（增透膜），以提高量子效率。
2．結電容。光電二極體可視作乙個電流源，其等效電路如下圖所示：
其中cd為光電二極體的結電容，它可以看作為乙個平板電容，其與耗盡層寬度w和結區面積a有關，有：cd=εa/w 式中ε為耗盡層中半導體材料的介電常數。rs 為光電二極體的串聯電阻，一般很小可以忽略；rp為光電二極體的跨接電阻，其阻值很大，它的影響也可以忽略；rl 為負載電阻。
因此結電容對光電二極體響應速度的影響主要由cd和負載電阻rl決定。從等效電路可以看出，結電容cd起著旁路作用，因而在高頻時使輸出電流減小，結電容限制的截止頻率（即為頻寬）為fc=1/ （2πrlcd）。顯然，快速的響應（高截止頻率）要求降低時間常數rl、cd。
因此要求盡可能的降低結電容cd。降低cd有兩種方法：一是增加耗盡層寬度w，二是減小結面積a。
實際上增加耗盡層寬度w會降低響應速度，這是一對矛盾，因此對耗盡層寬度應進行優化設計。結面積的減小也不是無限的，它受到與之耦合的光纖截面尺寸的限制，目前實用化的pin光電二極體的結電容一般都能做到小於1pf，結電容越小，其截止頻率就越寬，高頻特性就越好。
實際上pin光電二極體的頻寬除了受cd的影響以外，還受器件封裝電容cp的影響，同樣的pin光電二極體管芯由於各生產廠家封裝工藝水平的差異，頻寬也有較大不同，這主要是封裝電容太大，導致頻寬變窄。因而在選用pin光電二極體時，應選用有實力的廠家的產品。
3．擊穿電壓與暗電流
下圖為反向偏置的光電二極體的伏安特性曲線
無光照時，pin作為一種pn結器件，在反向偏壓下也有反向電流流過，這一電流稱為pin光電二極體的暗電流。它主要由pn結內熱效應產生的電子空穴對形成。當偏壓增大時，暗電流增大。
當反偏壓增大到一定值時，暗電流激增，發生了反向擊穿（即為非破壞性的雪崩擊穿，如果此時不能盡快散熱，就會變為破壞性的齊納擊穿）。發生反向擊穿的電壓值稱為反向擊穿電壓，以vb表示，si-pin的典型擊穿電壓值為100多伏。pin工作時的反向偏置電壓一般都遠離擊穿電壓，一般為10—30v，實際光接收機中的實用化應用典型值一般為15v。
暗電流的大小與光電二極體的結面積成正比，故常用單位面積上的暗電流(暗電流密度)來衡量。一般取偏壓為0.9vb時，對應的電流值為器件的電流值；現在商用的短波長si材料pin光電二極體的暗電流一般小於5na，而長波長的ge材料pin光電二極體的暗電流小到0.
2—0.5μa。應用上總是希望暗電流越小越好。
為了尋找暗電流更小的長波長pin光電二極體，人們利用了ingaas和ingaasp材料，使長波長的pin的暗電流減小到了1—5na的水平，由於這兩種pin管暗電流較小，因此得到了廣泛的應用，在catv系統中光接收機中的pin管基本上都是ingaas材料。暗電流除了與偏置電壓有關外，暗電流還隨器件溫度的增加而增加，從室溫到70℃，暗電流將增大乙個數量級。要減小器件的暗電流，首先應選擇好的單晶材料，並要嚴格工藝規程；其次要選定良好的表面鈍化層，隔絕周圍氣體對器件的汙染，在異質結光電二極體的設計中，有意將高場區移到寬禁帶材料區，也是減小暗電流的有效措施。
在pin光二極體中，除了暗電流以外，還有表面漏電流。表面漏電流是由於器件表面物理特性不完善，如表面缺陷、不清潔以及表面積大小和加有偏置電壓而引起的。與暗電流一樣，漏電流也是在有偏壓的條件下產生的，它需要通過合理的設計、良好的結構和嚴格的工藝來降低。
4．響應速度。作為光檢測器，在光纖通訊中要能夠檢測高頻調製的光訊號，因此響應速度是光電二極體的乙個重要引數，響應速度通常用響應時間來表示，響應時間的長短，反映光電轉換的速度，它對系統的傳輸速率有極大的影響，是反映調製速率的主要指標。響應速度主要受光生載流子的擴散時間、光生載流子通過耗盡層的渡越時間及其結電容的影響。
（1）結電容對響應時間的影響。由於pin是乙個pn結二極體，因此有一定的結電容。由前面所講的光電二極體的等效電路可知，結電容c是和電流源及負載電阻rl併聯，它對負載電阻起到了分流的作用，對調製訊號來說，結電容c越大，分流作用就越強，負載上的電流就越小，也就是說，光電檢測器輸出光生電流越小，這相當於電二極體接了乙個低通濾波器，其通帶上限為wc=1/（rlc） 其中rl為負載電阻，c為結點容。
顯然c越小，wc越高，光電二極體的頻帶響應特性就越好。（2）載流子渡越時間（t）對響應時間的影響。由於渡越時間的存在，對訊號的高頻成份產生兩方面的不良影響：
一是有較大的相位滯後；二是訊號幅度受到較大削弱，也就是說渡越時間引起了高頻失真，限制了器件的頻寬。通常減少渡越時間的方法是減小耗盡層的寬度和加大反偏壓，加大反偏壓是為了提高載流子的平均漂移速度。但是這兩種方法並不能無限制的增大漂移速度，因為在半導體晶格中，載流子有一定的飽和速度。
由載流子渡越時間限制的光電二極體的截止頻率為fd=0.44v/w=0.44/τ，可以通過對耗盡層寬度w和載流子的平均漂移速度v的優化得到較高fd的光電二極體，目前，ingaas—pin的頻寬可達到20ghz以上。
（3）載流子擴散時間對響應時間的影響。在耗盡層外產生的光生載流子，只有耗盡層為平均擴散長度以內的那部分才能擴散進耗盡層，並最後形成光電流，這部分載流子擴散時間比較長，與擴散長度的平方成正比，因此對pin管來說，擴散時間可通過減薄受光面到耗盡層間的厚度及適當選取耗盡層厚度而減至最小，所以對於實際器件，擴散時間對響應速度的影響很小。
CATV光接收機原理及應用
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