72光纤通信-复习、小结、习题、单元测试及试题、答案-第3页
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72光纤通信-复习、小结、习题、单元测试及试题、答案-3
5对于掺铒光纤，使用如下波长的光源作为泵浦光，均；6掺铒光纤放大器由：；1一段掺铒光纤和泵浦光源组成；2一段掺铒光纤、光；7前向泵浦掺铒光纤放大器是：；1表示泵浦光比信号光稍前进入掺铒光纤；2表示两个；1表示信号光比泵浦光稍后进入掺铒光纤；2表示信号；9双向泵浦掺铒光纤放大器是：；1表示信号光和泵浦光从两个相反方向进入掺铒光纤；；10下面的掺铒光纤放大器，噪
5 对于掺铒光纤，使用如下波长的光源作为泵浦光，均能在1536nm波长上产生激光过程：
1只在980nm波长； 2只在980nm和530nm波长； 3 只在800nm和980nm波长； 4 可在800nm、980nm、1480nm和530nm等波长。6 掺铒光纤放大器由：1一段掺铒光纤和泵浦光源组成；2 一段掺铒光纤、光耦合器以及光隔离器等组成；3一段掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器以及光隔离器等组成； 4泵浦光源、光耦合器以及光隔离器等组成。7 前向泵浦掺铒光纤放大器是：1表示泵浦光比信号光稍前进入掺铒光纤； 2表示两个泵浦光从两个相同方向进入掺铒光纤； 3 表示信号光比泵浦光稍前进入掺铒光纤； 4表示信号光和泵浦光同向进入掺铒光纤。 8 后向泵浦掺铒光纤放大器是：1表示信号光比泵浦光稍后进入掺铒光纤；2 表示信号光和泵浦光从两个不同方向进入掺铒光纤；3表示泵浦光比信号光稍后进入掺铒光纤； 4表示两个泵浦光从两个相反方向进入掺铒光纤。9 双向泵浦掺铒光纤放大器是：1表示信号光和泵浦光从两个相反方向进入掺铒光纤； 2表示两个泵浦光从两个相反方向进入掺铒光纤； 3 表示两个泵浦光从两个相同方向进入掺铒光纤； 4表示信号光和泵浦光从两个相同方向进入掺铒光纤。10 下面的掺铒光纤放大器，噪声特性较差是：1前向泵浦掺铒光纤放大器；2双向泵浦掺铒光纤放大器；3后向泵浦掺铒光纤放大器； 4反射型泵浦掺铒光纤放大器。五、光发射机与光接收机--- 光发射机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来 自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号 耦合到光纤或光缆去传输。--- 光接收机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤 或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电 路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。光发射机与光接收机 小结一、光发射机- --光发射机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是 将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制， 成为已调光波，然后再将已调 的光信号耦合到光纤或光缆去传输。1、光波的调制----在光纤通信系统中，把随信息变化的电信号加到光载波上，使光载波按信息的变 化而变化，这就是光波的调制。从调制方式与光源的关系上来分，强度调制的方法有 两种：直接调制和外调制。从调制信号的形式来分，光调制又分为模拟调制和数字调 制。2、直接调制----直接调制是用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发出的光功率随信号 而变化。光源直接调制的优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及 高速率下的性能退化的限制。光纤通信中光源多采用直接调制方式。3、外调制----外调制一般是基于电光、磁光、声光效应，让光源输出的连续光载波通过光调制
11器，光信号通过调制器实现对光载波的调制。外调制方式需要调制器，结构复杂，但 可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统。4、模拟调制----模拟调制可分为两类，一类是利用模拟基带信号直接对光源进行调制；另一类采 用连续或脉冲的射频波作副载波，模拟基带信号先对它进行调制，再用该已调制的副 载波去调制光载波。由于模拟调制的调制速率较低，均使用直接调制方式。5、数字调制----数字调制主要指PCM脉码调制。先将连续的模拟信号进行抽样、量化、编码，转化 成一组二进制脉冲代码，对光信号进行通断调制。 数字调制也可使用直接调制和外调 制。二、光接收机光接收机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号， 经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号 经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。1、线性通道----由光电检测器、前置放大器、主放大器和均衡器构成的这部分电路，称为线性通 道。在光接收机中，线性通道主要完成对信号的线性放大，以满足判决电平的要求。2、光接收机灵敏度-- -光接收机的灵敏度是指满足给定信噪比指标的条件下，光接收机所需要的最小接 收光功率（一）光发射机与光接收机 习题1、说明光发射机的组成及其功能。2、说明光接收机的组成及其功能。3、什么是光波的调制？4、什么是直接调制？5、什么是外调制？6、什么是模拟调制？7、什么是数字调制？8、线性通道是什么？9、光接收机灵敏度指的是什么？10、光接收机的主要质量指标是灵敏度，影响灵敏度的主要因素是什么？（三）单元测试 (单项选择题）1 下面说法正确的是：1光发射机是发射光功率的设备； 2 光发射机是发射光波信号的设备； 3 光发射机是实现光/电转换的光端机； 4光发射机是实现电/光转换的光端机。2 下面说法正确的是：光接收机是实现电/光转换的光端机；光接收机是接收光信号的设备；光接收机是实现光/电转换的光端机；光接收机是接收光功率的设备。3 光发射机的光源，一般采用：1 半导体激光器LD和APD雪崩二极管； 2半导体激光器LD和PIN光电二极管； 3 半导体激光器LD、半导体发光二极管LED和半导体分布反馈激光器DFB； 4半导体发光二极管LED、APD雪崩二极管和半导体分布反馈激光器DFB。4光接收射机中常用的光电检测器是：1PIN光电二极管和半导体激光二极管；2 半导体激光二极管和APD雪崩二极管； 3PIN 12光电二极管和APD雪崩二极管；4半导体发光二极管和APD雪崩二极管。5 发射机发射的光波波长应位于：1光纤的0.40μm～1.80μm波段； 2 光纤的最低损耗窗口，1.55μm； 3 光纤的零色散波长1.31μm； 4 光纤的三个低损耗窗口，即0.85μm、1.31μm和1.55μm波段。6 光接收机的主要质量指标是灵敏度，影响灵敏度的主要因素是：1光接收机接收光信号的强弱； 2光接收机的放大器的倍数； 3光接收机的噪声； 4 光信号的噪声。7 由于光波是频率极高的电磁波，因而实施调制时：1和电通信系统不一样，调制方法必须采用光强调制； 2和电通信系统一样，调制信号只能是基频信号，不可以是频带信号； 3 和电通信系统一样，调制信号可以是基频信号，也可以是频带信号； 4和电通信系统不一样，调制信号只能是基频信号，不可以是频带信号。 8 下面说法正确的是：1PIN光电二极管作为光检测器件时，使用简单，但灵敏度较低；2 APD雪崩二极管作为光检测器件时，使用简单，而且灵敏度高；3PIN光电二极管作为光检测器件时，使用复杂，而且灵敏度较低； 4APD雪崩二极管作为光检测器件时，使用复杂，而且灵敏度较低。 9 作为模拟调制光发射机的光源，对模拟发射机的基本要求是：1光源的输出功率应尽可能准确地随调制信号作非线性变化； 2光源的输出频率应尽可能与调制信号频率相同； 3 光源的输出功率应尽可能准确地随调制信号作线性变化； 4光源的输出频率应尽可能与调制信号频率接近。10 由于数字调制方式的调制信号是PCM脉冲，所以：1光源的P-I曲线的非线性是主要应该考虑的问题；2 调制速率是数字调制电路主要应该考虑的问题；3调制信号是数字调制电路主要应该考虑的问题； 4光源的输出功率是数字调制电路主要应该考虑的问题。六、光纤通信系统----在前面几章中,我们介绍了光纤通信的传输媒介（光纤和光缆）、光源(LED、LD、DFB) 以及光检测器（PIN、APD）等。把传媒介质和光通信器件组合起来，就构成光纤通信系统。 光纤通信既可用于数字通信，也可用于模拟通信。光纤极宽的传输带宽以及高速的激光器 和光检测器，非常适合高速率、大容量的数字通信。---在这一章中我们将介绍1.光纤通信系统的构成； 2．模拟电视光纤传输系统； 3．数 字电视光纤传输系统； 4．波分复用光纤通信系统。光纤通信系统的构成----目前，实用光纤通信系统组成框图如图8-1所示。如图示，光纤通信系统由以下五个部分组成。----（1）光发信机：光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组 成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后 再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。----（2） 光收信机：光收信机是实现光/电转换的光端机。 它由光检测器和光放大器组 成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微 弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。----（3） 光纤或光缆：光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光 信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任 务。----（4）中继器：中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个
13是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲进行整形。 ----（5）光纤连接器、耦合器等无源器件：由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光 缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km)。因此一条光纤线路可能存 在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连 接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。基带模拟电视光纤传输系统一 系统构成框图及主要技术指标----基带模拟视频信号光纤传输系统主要用于高质量的短程传输线路，他是模拟电视光纤 传输最基本的传输形式，因此通过对系统的分析可以了解有关光纤传输系统的基本概念和 基本理论。----系统构成框图如图7-2所示。最主要的技术指标是信噪比及非线性失真特性，高质量广 播级的技术指标如下所示：图象信号：-----------S/N（采用统一加权网络）≥60dB-----------微分增益（DG）≤
1%-----------微分相位（DP）≤
1度---伴音信号：-----------S/N ≥ -61dB-----------非线性失真系数 ≤ 1%数字电视光纤传输系统一 概述----数字信号在传输中具有抗干扰能力强，无噪声和失真积累，不受传输距离影响，能与 多种信息业务兼容传输等优点，因而未来的电视必将从模拟电视过渡到数字电视，但目前 由于现实条件的限制，仍以模拟电视为主。----数字电视信号是将模拟电视信号经过取样、 量化、 编码变成数字信号，经过频带压 缩，使每路电视信号压缩至3～10Mb/s的码率后进行传输的，因而与一般的数字信号一样， 采用同样的方式进行传输、 交换和处理。 数字电视光纤传输系统组成框图如图7-5所示。 在发送端，将经过整形或码形变换处理的数字视频信号对光源进行强度调制，将电脉冲转 换为光脉冲，送入光纤中传输。在接收端，通过光检测器将光脉冲转换为电脉冲，再经放 大，均衡，判决，恢复为标准的数字脉冲信号。数字信号的传输过程与模拟信号相同，但 由于所传输的是数字信号，因而有许多与模拟信号传输要求不同之处。 波分复用光纤通信系统---波分复用(WDM)是指在一根光纤上， 同时传输波长不同的多个光载波信号，而每一个 光载波可以通过频分复用(FDM)或时分复用(TDM)方式，各自载荷多路模拟信号或多路数字 信号。目前单模光纤的工作波长由两个，即1.3 、1.55 ， 这两个波长的低损耗区共约，相当的频带宽度，而每个激光管的带宽只有几埃到几十埃，因而，如一根光纤只传输 一个光源的信号，那就只利用了这一巨大带宽的极小部分。采用波分复用方式可以充分的 利用光纤具有丰富的频带资源，极大的增加光纤线路的通信容量。----波分复用光纤通信系统组成如图7-8所示，N个光发射机分别发射N个不同波长，经过光波分复用器WDM合到一起，耦合进单根光纤中传输。到接收端，经过具有光波长选择功能的解复用器DWDM，将不同波长的光信号分开，送到N个光接收机接收。14光纤通信系统 小结一、光纤通信系统- --光纤通信系统是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信系统。二、光纤通信系统的组成----光纤通信系统由光发信机、光收信机、光中继器、光纤连接器及耦合器的无源器 件等五个部分组成。1、光发信机：----光发信机是实现电/光转换的光端机。 它由光源、驱动器和调制器组成。其功能 是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已 调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。2、光收信机：----光收信机是实现光/电转换的光端机。 它由光检测器和光放大器组成。其功能是 将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信 号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。3、光纤或光缆：----光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤 或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。4、中继器：----中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光 信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。5、光纤连接器、耦合器等无源器件：----由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长 度也是有限度的（如1Km)。 因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于 是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连 接器、耦合器等无源器 件的使用是必不可少的。（一）光纤通信系统 习题1、什么是光纤通信系统？2、光纤通信系统由以下哪几个部分组成？3、在光纤通信系统中，中继器的作用是什么？4、画出基带模拟视频信号光纤传输系统构成框图。5、画出数字电视光纤传输系统组成框图。6、画出波分复用光纤通信系统组成框图。7、简述波分复用光纤通信系统的工作原理。8、画出波分复用双向传输系统组成框图。9、简述波分复用双向传输系统的工作原理。10、简述光纤通信具有巨大的通信容量。（二）单元测试 (单项选择题）1光纤通信系统由以下哪几个部分组成？1光发信机、光收信机、光纤或光缆； 2光发信机、光收信机、光纤或光缆、中继器、光纤连接器和耦合器等无源器件； 3 光发信机、光收信机、光纤连接器和耦合器等无源器件； 4光纤或光缆、中继器、光纤连接器和耦合器等无源器件。 2 下面说法中正确的是：1光发信机是实现光/电转换的光端机；2 光发信机任务是把模拟信号转为数字信号；3光 15包含各类专业文献、应用写作文书、高等教育、外语学习资料、文学作品欣赏、专业论文、行业资料、中学教育、72光纤通信-复习、小结、习题、单元测试及试题、答案等内容。　
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光纤放大器的ASE噪声对PIN接收机性能的影响及误码率计算
【摘要】：本文运用随机信号的分析方法推导了存在ＡＳＥ噪声情况下，光纤通信系统误码率的计算公式。利用该式可以根据信号光功率和噪声功率谱密度估算系统的误码率，与实验结果基本符合，从而可以为加光纤放大器的光纤通信系统提供评价信道优劣的依据。本文还论述了ＡＳＥ噪声对ＰＩＮ接收机灵敏度的影响，对于实际系统中接收机的选择具有重要意义
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TN929.11【正文快照】：
光纤放大器的ＡＳＥ噪声对ＰＩＮ接收机性能的影响及误码率计算向强盛徐安士吴德明谢麟振（北京大学北京１００８７１）摘要本文运用随机信号的分析方法推导了存在ＡＳＥ噪声情况下，光纤通信系统误码率的计算公式。利用该式可以根据信号光功率和噪声功率谱密度估算系统的误
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刘庆;[D];中国科学技术大学;2011年
万云;[D];武汉邮电科学研究院;2009年
卢菊;[D];南京理工大学;2004年
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PIN与APD光电二极管特性测试
由于PIN光电二极管响应速度快，频带宽；噪声小；线性好，保真度高；因而适合于光纤
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PIN与APD光电二极管特性测试 & &由于PIN光电二极管响应速度快，频带宽；噪声小；线性好，保真度高；因而适合于光纤通信系统使用。而雪崩光电二极管是一种具有内部雪崩增益的光电二极管，在系统应用中前置放大器的噪声就不会成为影响接收系统性能的主要噪声源。尤其在激光器作光源的光电检测系统中，由于激光器具有很窄的光谱范围，接收时可采用窄带光谱滤光片抑制信号光以外光谱范围的背景辐射，使雪崩光电二极管所组成的接收系统有可能达到背景限。因此，它也已广泛应用于光纤通信，脉冲激光测距等系统中。所以，这里专门开设对此二管的特性测试实验。 & &实验目的 & &(1)验证和掌握PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理和相关特性； & &(2)掌握PIN和APD光电检测器件的特性参数的测量方法及使用方法； & &(3)学会使用雪崩光电二极管的一般方法，确定最佳偏置电压。 & &实验内容 & &(1)测量PIN的暗电流、响应度及其线性范围，画出光电特性曲线； & &(2)测量PIN的击穿电压，画出伏安特性曲线； & &(3)确定在某温度下APD的最佳工作电压与击穿电压； & &(4)测量APD输出背景噪声与外加偏压的关系。 & &实验基本原理 & &1．PIN光电二极管 & &由于材料的吸收等原因使照射到半导体材料上的光，随着深入材料的深度的增加而逐渐减弱。半导体内部距入射表面d处的光功率为 & &P(d)=P(0)exp(-αd) & &(4-1) & &式中：P(0)为照射到材料表面的平均光功率；α为半导体材料的光吸收系数，α决定了入射光深入材料内部的深度，如果α很大，则光子只能进入半导体表面的薄层中。 & &吸收入射光子并产生光生载流子的区域称为光吸收区；耗尽层及其两侧宽度为载流子扩散长度的区域称为作用区。在吸收区产生的光生少数载流子只有一部分进入作用区，这一部分光生载流子以较慢的速度扩散至耗尽层，进入耗尽层后在内建电场作用下作快速漂移运动，从而产生光生伏特效应。由于在作用区内，光生少数载流子的扩散速度较慢，从而影响了产生光生伏特效应的速度，导致PN结对光信号响应速度减慢。如果输入的光信号为光脉冲；则输出的光电脉冲会产生较长的拖尾。 & &由此知，光在耗尽层外被吸收使得光电转换效率降低、光电响应速度变慢。为此，必须设法加宽耗尽层，使照射光子尽可能被耗尽层吸收。显然，给PN结加负偏压有助于加宽耗尽层。但除加负偏压的方法外，还可以通过减小P区和N区的厚度来减小载流子的扩散时间、减少在P区和N区被吸收的光能以及降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层的方法来提高器件的响应速度。这种结构就是常用的PIN光电二极管。 & &下图是PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布。在高掺杂P型和N型半导体之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为I层。在半导体PN结中，掺杂浓度和耗尽层宽度有如下关系： & &LP/LN=DN/DP & &(4—2) & & &式中，DP和DN分别为P区和N区的掺杂浓度；LP和LN分别为P区和N区的耗尽层的宽度。在PIN中，如对于P层和I层(低掺杂N型半导体)形成的PN结，由于I层近于本征半导体，有DNDP，LPLN，即在I层中形成很宽的耗尽层。由于I层有较高的电阻，因此电压基本上降落在该区，使得耗尽层宽度w可以得到加宽，并且可以通过控制I层的厚度来改变。对于高掺杂的N型薄层，产生于其中的光生载流子将很快被复合掉，因此这一层仅是为了减少接触电阻而加的附加层。 & &要使入射光功率有效地转换成光电流，首先必须使入射光能在耗尽层内被吸收，这要求耗尽层宽度W足够宽。但是随着W的增大，在耗尽层的载流子渡越时间τcr也会增大，τcr与W的关系为 & &τcr=W/v & &(4-3) & &式中：v为载流子的平均漂移速度。由于τcr增大，PIN的响应速度将会下降。因此耗尽层宽度W需在响应速度和量子效率之间进行优化。 & &如采用类似于半导体激光器中的双异质结构，则PIN的性能可以大为改善。在这种设计中，P区、N区和I区的带隙能量的选择，使得光吸收只发生在I区，完全消除了扩散电流的影响。在光纤通信系统的应用中，常采用InGaAs材料制成I区和InP材料制成P区及N区的PIN光电二极管，下图为它的结构。InP材料的带隙为1.35eV，大于InGaAs的带隙，对于波长在1.3～1.6μm范围的光是透明的，而InGaAs的I区对1.3～1.6μm的光表现为较强的吸收，几微米的宽度就可以获得较高响应度。在器件的受光面一般要镀增透膜以减弱光在端面上的反射。InGaAs的光探测器一般用于1.3μm和1.55μm的光纤通信系统中。 & & &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、线性饱和、击穿电压和暗电流等。 & &对于不同的半导体材料，均存在着相应的下限频率fc或上限波长λc，λc亦称为光电二极管的截止波长。只有入射光的波长小于λc时，光电二极管才能产生光电效应。Si-PIN的截止波长为1.1μm，故可用于0.85μm的短波长光检测；Ge-PIN和InGaAs-PIN的截止波长为1.7μm，所以它们可用于1.3μm、1.55μm的长波长光检测。 & &当入射光波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大下降。因此，PIN光电二极管是对一定波长范围内的入射光进行光电转换，这一波长范围就是PIN光电二极管的波长响应范围。 & &响应度和量子效率表征了二极管的光电转换效率。响应度R定义为 & &R=IP/Pin & &(4-4) & &式中，Pin为入射到光电二极管上的光功率；IP为在该入射功率下光电二极管产生的光电流；R的单位为A/W。 & &响应速度是光电二极管的一个重要参数。响应速度通常用响应时间来表示。响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的响应——电脉冲的上升或下降时间。响应速度主要受光生载流子的扩散时间、光生载流子通过耗尽层的渡越时间及其结电容的影响。 & &光电二极管的线性饱和指的是它有一定的功率检测范围，当入射功率太强时，光电流和光功率将不成正比，从而产生非线性失真。PIN光电二极管有非常宽的线性工作区，当入射光功率低于mW量级时，器件不会发生饱和。 & &无光照时，PIN作为一种PN结器件，在反向偏压下也有反向电流流过，这一电流称为PIN光电二极管的暗电流。它主要由PN结内热效应产生的电子一空穴对形成。当偏置电压增大时，暗电流增大。当反偏压增大到一定值时，暗电流激增，发生了反向击穿(即为非破坏性的雪崩击穿，如果此时不能尽快散热，就会变为破坏性的齐纳击穿)。发生反向击穿的电压值称为反向击穿电压。Si-PIN的典型击穿电压值为100多伏。PIN工作时的反向偏置都远离击穿电压，一般为10～30V。 & &2．雪崩光电二极管APD & &雪崩光电二极管APD(Avalalache Photodiode)是具有内部增益的光电检测器件，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应。当PN结上加高的反偏压时，耗尽层的电场很强，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高(约3×105V/cm)时，光生载流子获得很大的动能，它们在高速运动中与半导体品格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子—空穴对，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离产生的电子—空穴对，在强电场作用下同样又被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，电流也迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。 & &下图为APD的一种结构。外侧与电极接触的P区和N区都进行了重掺杂，分别以P+和N+表示；在I区和N+区中间是宽度较窄的另一层P区。APD工作在大的反偏压下，当反偏压加大到某一值后，耗尽层从N+—P结区一直扩展(或称拉通)到P+区，包括了中间的P层区和I区。图中的结构为拉通型APD的结构。从图中可以看到，电场在I区分布较弱，而在N+—P区分布较强，碰撞电离区即雪崩区就在N+—P区。尽管I区的电场比N+—P区低得多，但也足够高(可达2×104V/cm)，可以保证载流子达到饱和漂移速度。当入射光照射时，由于雪崩区较窄，不能充分吸收光子，相当多的光子进入了I区。I区很宽，可以充分吸收光子，提高光电转换效率。我们把I区吸收光子产生的电子—空穴对称为初级电子—空穴对。在电场的作用下，初级光生电子从I区向雪崩区漂移，并在雪崩区产生雪崩倍增；而所有的初级空穴则直接被P+层吸收。在雪崩区通过碰撞电离产生的电子—空穴对，称为二次电子—空穴对。可见，I区仍然作为吸收光信号的区域并产生初级光生电子—空穴对，此外它还具有分离初级电子和空穴的作用，初级电子在N+—P区通过碰撞电离形成更多的电子—空穴对，从而实现对初级光电流的放大作用。 & & &碰撞电离产生的雪崩倍增过程本质上是统计性的，即为一个复杂的随机过程。每一个初级光生电子一空穴对在什么位置产生，在什么位置发生碰撞电离，总共碰撞出多少二次电子一空穴对，这些都是随机的。因此与PIN光电二极管相比，APD的特性较为复杂。与PIN光电二极管相比，APD的主要特性也包括：波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度等，除此之外，由于APD管中雪崩倍增的存在，APD的特性还包括了雪崩倍增特性、噪声特性、温度特性等。 & &APD的雪崩倍增因子M定义为 & &M=IP/IP0 & &(4-5) & &式中，IP是APD的输出平均电流；IP0是平均初级光生电流。从定义可见，倍增因子是APD的电流增益系数。由于雪崩倍增过程是一个随机过程，因而倍增因子是在一个平均值之上随机起伏的量，雪崩倍增因子M的定义应理解为统计平均倍增因子。M随反偏压的增大而增大，随W的增加按指数增长。 & &APD的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声、热噪声和附加的倍增噪声。倍增噪声是APD中的主要噪声。 & &倍增噪声的产生主要与两个过程有关，即光子被吸收产生初级电子—空穴对的随机性和在增益区产生二次电子—空穴对的随机性。这两个过程都是不能准确测定的，因此APD倍增因子只能是一个统计平均的概念，是一个复杂的随机函数。 & &由于APD具有电流增益，所以APD的响度比PIN的响应度大大提高。而量子效率只与初级光生载流子数目有关，不涉及倍增问题，故APD的量子效率值总是小于1。 & &APD的线性工作范围没有PIN宽，它适宜于检测微弱光信号。当光功率达到几μW以上时，输出电流和入射光功率之间的线性关系变坏，能够达到的最大倍增增益也降低了，即产生了饱和现象。 & &APD的这种非线性转换的原因与PIN类似，主要是器件上的偏压不能保持恒定。由于偏压降低，使得雪崩区变窄，倍增因子随之下降，这种影响比PIN的情况更明显。它使得数字信号脉冲幅度产生压缩，或使模拟信号产生波形畸变，因而应设法避免。 & &在低偏压下APD没有倍增效应。当偏压升高时，产生倍增效应，输出信号电流增大。当反偏压接近某一电压VB时，电流倍增最大，此时称APD被击穿，电压VB称作击穿电压。如果反偏压进一步提高，则雪崩击穿电流使器件对光生载流子变的越来越不敏感。因此APD的偏置电压接近击穿电压，一般在数十伏到数百伏。提出注意的是，击穿电压并非是APD的破坏电压，撤去该电压后APD仍能正常工作。 & &APD的暗电流有初级暗电流和倍增后的暗电流之分，它随倍增因子的增加而增加；此外还有漏电流，漏电流没有经过倍增。 & &APD的响应速度主要取决于载流子完成倍增过程所需要的时间，载流子越过耗尽层所需的渡越时间以及二极管结电容和负载电阻的RC时间常数等因素。而渡越时间的影响相对比较大，其余因素可通过改进结构设计使影响减至很小。 & &目前，Si雪崩光电二极管有三种结构： & &①斜边角型。是P+N结，雪崩击穿电压非常高，约1800V～2600V，它具有较低的雪崩暗电流。在短波长区(λ0.9μm)响应速度低、增益高；在长波长区(λ＞0.9μm)相应速度快、增益低。 & &②“保护环”结构。这种器件在0.9μm处量子效率较高为30%；在1.06μm处较低只有1%～2%。 & &③“达通型”。这种结构的耗尽区有两部分：一部分是漂移区，在那里光子被吸收；另一部分是窄的倍增区，在那里载流子得到倍增。这种器件响应速度快、增益高，噪声相对来说较低。在室温下，在波长0.9μm处量子效率可达90%；在波长1.06μm处约为20%。工作偏压小于500V。 & &本实验采用“达通型”雪崩光电二极管。它的倍增因子M(或称倍增系数)与外加电压关系如下图所示。由图可以看出，当电压达到一定值时，电流得到倍增。电压到达击穿电压VB，电流急剧上升。此外也可以看出，倍增因子M是随温度变化而变化的。不同温度下有不同的M—V曲线。 & & &使用雪崩光电二极管的要点，就是要根据实际使用情况，选取最佳偏置电压，使管子工作在最佳倍增因子状态。所谓最佳倍增因子，就是系统得到最大信噪比时所对应的倍增因子。为此，需要首先简述一下最佳倍增因子与哪些因素有关。 & &雪崩光电二极管通常应用电路如下图所示。雪崩光电二极管APD与负载电阻RL串连后外加反偏压，输出信号由前置放大器放大后输出。这一电路的信号噪声等效电路如第二个图所示。图中，is为无增益时光电流。 & & & &Mis=RiMPs & &(4-6) & &式中，Ri为器件无增益时的响应度；M为器件的倍增因子；Ps为器件得到的信号光功率。 & &在第二个图中，为散粒噪声功率谱密度(单位赫兹带宽中的均方噪声电流)，它通常由信号光、背景光引入的散粒噪声和器件暗电流引入的散粒噪声所组成。若忽略信号光引入的散粒噪声，可表示为 & &=2q(id+RPb) & &(4-7) & &式中，q为电子电荷；Pb为器件接收到的背景功率。id为器件暗电流。 & &在第二个图中，为热噪声功率谱密度。它是放大器产生的热噪声折合到输入端的等效热噪声和负载电阻RL产生的热噪声均方电流值的和。 & &雪崩光电二极管经放大器后输出的信号噪声功率比为 & &(4-8) & &在碰撞电离过程中，信号光电流平均增加M倍，而载流子倍增有起伏量，也就是噪声功率不是增加M2倍，而是有附加噪声，所以用Mn表示。一般，n＞2，n值的大小与器件材料、结构有密切关系。有时，Mn也表示为Mn=M2F。其中F称过剩噪声系数。实测“达通型”雪崩光电二极管的过剩噪声系数F与倍增因子M的关系如下图所示。 & & &雪崩光电二极管的工作点应该是选择外加负偏压，使器件获得的倍增因子达到输出信噪比最大。显然，我们可以取式(4-8)对M求一阶导数，令其为零而求得最佳倍增因子Mopt为 & & & &由式(4-9)可以看出，最佳倍增因子与器件暗电流、背景功率、负载电阻RL和放大器热噪声谱密度有关。在这些条件中，只要有某一项不同，Mopt也就不同。但是，在放大器和负载电阻已定，背景功率确定条件下，可以通过实验分别测出信号和噪声均方根电压与器件外加反偏压的关系，从中找到对应于最大信噪比时的偏压值。实验得出结果是，最佳偏压通常略小于雪崩光电二极管的击穿电压VB。然而在实用中仅此还不能使器件处于最佳状态。其原因是倍增因子是温度的灵敏函数(见雪崩增益M与电压V和温度T关系曲线图)。 & &为了补偿温度变化引起M偏离Mopt，或引起信号增益变化的影响，目前有两种温度补偿方法： & &①在脉冲调制系统中(多用于光纤通讯)，用自动增益控制电路输出电压去调整信号放大电路的增益，或者调整器件供电电源输出电压，以保持输出信号之稳定，其原理如下图所示。 & & &②选择温度系数适合的二极管，作为温度敏感元件去敏感环境温度的变化，在对雪崩光电二极管的偏压电源电路进行控制，调整其输出偏压。例如RCA公司生产的C30817型管其击穿电压的温度系数是1.8V/℃，采用温度补偿的二极管1N94的温度系数约为1.8mV/℃。所以，把补偿管用硅橡胶粘在被用的器件上，把补偿光的变化量放大1000倍，就可控制偏压的自动温度补偿。如下图为温度补偿之一例。图中，补偿管D的电压降和可调基准电压，一起输入到运算放大器A组成的比较放大器中，A输出电压，控制电源第一级调整管Q。室温下定好电路参数，使输出偏压达到所需值。当温度改变后，补偿管电压变化对输出偏压进行自动调整。 & & &温度补偿在背景辐射较低或者背景辐射恒定的情况下是很合适的。如果系统是野外工作，例如，激光脉冲测距或卫星跟踪等系统工作时，背景亮度很高、变化很大。探测器因背景辐射对Mopt的影响要比温度影响更为显著。而系统为了作用距离远，还必须要求器件使用在最佳状态。在这种情况下，只有采用与背景辐射产生的散粒噪声有关的量，去自动调整偏压，才能达到Mopt的要求。 & &在脉冲系统中，噪声影响系统品质的衡量标准，通常不采用信号功率与噪声功率之比(或信号电压与均方根噪声电压之比)，而是用误码率来衡量更为实用。例如，目前激光脉冲测距系统，就成功地使用了按虚警率要求自动调整雪崩光电二极管偏压的方法。下面简述一下这一方法的原理。 & &激光测距原理简单地说，是该机对目标发射一个光脉冲，然后接收目标对此光脉冲反射后的回波脉冲，测出发、收两脉冲所经时间t。因光速c是常数，于是可算出目标距离L=ct。本机所测最大距离对应于最长测距时间tm。由tm可知每秒可测次数n()。如果在测量时间t以内有噪声脉冲超过接收电路阈值电压，系统将误认为是信号脉冲来到，系统就误测一次。如果在n次测量中，误测率为α，则虚警率P为 & &P=αn & &α为百分数。例如α=1%，P=0.01n。虚警率就是每秒误测次数(频率)。如果要求虚警率低，则探测器偏压应该低些，也就是M取低些，这时测距的极限距离会小些。反之就把偏压提高些。所以虚警率是根据系统实际要求而定的。 & &实验证明，雪崩光电二极管在发生碰撞电离时，输出散粒噪声脉冲的分布不服从泊松分布律，前面过剩噪声系数F与倍增因子M的关系曲线图曲线也说明这一问题。所以，不能采用通常方法，例如用泊松分布或正态分布规律去估算噪声脉冲超过某一阈值的概率，然后确定偏压调整所需参数。目前是根据器件实验参数所得经验公式和系统对背景辐射实测结果，来确定偏压调整参数的。 & &由虚警率要求自动调整雪崩光电二极管偏压的原理可由下图来说明。 & & &由雪崩光电二极管APD输出的背景噪声经放大器放大后，其中某些辐度高的噪声脉冲将会超过阈值电路的阈值电压进入系统。在系统测距之前，这些超过阈值的脉冲不断进入脉冲检波电路中，脉冲检波电路将输入脉冲电压变换为直流电压输出。直流电压的幅度是随着输入脉冲数(频率)的多少而变化的。频率高输出电压也高，反之，则低。这个直流电压送到偏压电源中去作为调整电压，以调整电源输出电压，使超过阈值电压的噪声脉冲限制在所要求的频率以下。 & &实验装置与设备 & &1．PIN实验线路与设备器材 & &PIN光电二极管的实验线路也可如下图(b)所示那样简单连接。所用设备器材有： & & &①照度计 & &一台 & &②钨丝灯光源 & &一座 & &③直流稳压电源 & &一台 & &④万用表或数字电压表 &一台 & &⑤微安表 & &一个 & &⑥InGaAs PIN光电二极管与510Ω电阻各一个。 & &2．APD的实验装置 & &APD的实验装置与设备布置如下图所示。 & & &本实验采用带有前置放大器(跟随器)的雪崩光电二极管，如下图中虚线所示。实验电路中外接负载电阻RL=50Ω，后接自制放大器(放大倍数40倍，带宽10MHz)。雪崩光电二极管的击穿电压在350～500V之间，电流不超过50μA。实验时用0～500V直流稳压电源供电，串接μA表(100μA)测量APD的电流。 & & &用高频毫伏表测量信号和噪声均方根电压；用示波器观察波形；用自制脉冲光源(3kHz)作信号光源。
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