1、光二極體及光信號接收器光二極體及光信號接收器4-1 光二極體4-2 雜訊4-3 信號雜訊比值4-4 誤碼率4-5 同調偵測方式4-6 外差偵測的信號雜訊比值4-7 外差偵測接收器4-8 其它的雜訊現象4-9 接收電器設計光二極體及光信號接收器光二極體及光信號接收器 光信號接收器在光纖通信系統中是個重要部份，它常決定系統的可靠性、可行性。它的功能是將光信號轉換成電信號，並達到系統的某些要求，諸如：信號雜訊比、誤碼率。典型的類比及數位光接收器請看圖4.1及圖4.2 ，可看出兩種光接收器都是由光信號經過光二極體偵測接收，此偵測信號被放大器放大，而放大器由低雜訊的前置放大器與後置放大器組成。光二極體及

2、光信號接收器光二極體及光信號接收器我們將就光二極體的種類特性及前置放大器電路加以說明，並且雜訊對信號品質的影響也要詳細加以敘述，看圖4.3。常用在光接收器或前置放大器的偵測器有PIN光二極體，累增崩潰二極體及蕭特基光二極體等三種，高性能光偵測器的要件為：高量子速率、廣頻寬、低暗電流和低雜訊。頻譜響應頻譜響應定義在某特定波長，單位波長區間的響應度，看圖4.4，為Si與InGaAs的頻譜響應曲線圖。光二極體光二極體:PN接面光二極體接面光二極體光二極體是逆向偏壓，此一偏壓在空乏區兩端出現高電場，可以收集由光激發所產生的電荷，此形成光電流，光二極體空乏區內或其附近所產生的電荷，必須經過空乏區至另一側

3、才能形成光電流，因為這些電荷形成的電流是少數載體所構成，如果光二極體是順向偏壓，則多數載體形成的主要電流必遠大於少數載體電流，此時，由光入射所產生的光電流顯得微不足道，入射光強度與光二極體電流之間也沒有明顯的正比關係出現。圖4.5即為光二極體在不同光功率入射之下的電流電壓特性曲線光二極體光二極體:PIN型光二極體型光二極體PIN光二極體是最常用的一種光二極體，因為調整空間電荷區的寬度，可以得到最佳的量子效率及頻率響應；圖4.6(a)是一種典型的PIN光二極體，本質區是由摻雜質比較少的P型半導體構成，它的性質與本質半導體很相近，圖4.6(b)是逆偏壓能階圖，只有在本質區內及其附近產生的光電子電洞

4、，才會形成電流。光二極體光二極體:PIN型光二極體型光二極體npp圖4.7是 光二極體的摻雜質濃度 、空乏區電荷密度、及電場強度的對應圖，NA代表受體雜質濃度，ND代表施體雜質濃度；本質區寬度比 與 層的寬度大許多，所以光子大部分在本質區被吸收產生光電子電洞對，量子效率高；且本質區電場強度很大，因而電子電洞穿越本質區的時間很短，所以頻率的反應速率很快，也就因此PIN光二極體適合在通信上使用。n光二極體光二極體:PIN型光二極體型光二極體由圖4.8(b)中，得之光二極體電流在-15A時，照光功率為30W ，所以這個PIN光二極體的響應度為0.5A/W ，可得到負載方程式VB + Vd + Id

5、RL=0 ，可得到負載方程式於圖4.8(b)上面，當光照射在PIN光二極體的功率大於45W時，接收器即進入飽和區裝態，大於此功率的光信號不再與產生的光電流成線性正比關係。光二極體光二極體:PIN型光二極體型光二極體圖4.9為光通信用PIN光二極體結構，圖(a)為背面照光平臺式及圖(b)正面照光平面式；被面照光結構使得光感測區域沒有被金屬電極遮蔽，因此光二極體可以做的比較小面積，結果電容值比較小，且暗電流值低。平臺式結構有其缺點，一為比平面是結構難製造，另一為平臺式結構pn接面側面與外界空氣接觸，易受到污染及大氣影響使其功能退化，所以穩定度和信賴度較差，但因背面照光結構，電容值和暗電流比較小。光

6、二極體光二極體:PIN型光二極體型光二極體圖4.10為背面照光平臺式PIN光二極體的響應度及量子效率與波長對應圖，短波長的截止是因為InP基座的吸收，而長波長的截止式InGaAs能隙造成的；而商業上成品是有抗反射層鍍膜，使得量子小率由70%提升到90%。光二極體光二極體:蕭特基光二極體蕭特基光二極體圖4.11(a)是蕭特基光二極體的結構圖，在(1)區與(2) 區之間有一個位能障璧 ，限制了電子流流通，而電洞流無此限制，所以金屬與半導體接面不僅有二極體整流作用，且它是單極性的導通，所以頻率反應速率很快，因為位能障璧的存在，電子由圖4.11(b)中的(1)區到(2)區很困難，當光子入射蕭特基二極體

7、，被(1)、(2)及(3)區吸收時，(2)、(3)區產生的光電子電洞對會被逆偏壓作用形成光電流，(1)區形成的光電子對光電流無任何幫助。所以要設計高效率的光二極體，金屬層要薄，使得金屬吸收光子少，大部分都被半導體吸收，提高光吸收比率，可在金屬外面鍍上抗反射層。光二極體光二極體:累崩光二極體累崩光二極體累崩光二極體，它可以另外提供內部增益，以增加響應度，也因此累崩型光二極體的靈敏度要比PIN光二極體高了許多。發生累增崩潰的過程敘述如下：空乏區內有很強的電場存在，使得載子得以迅速加速，動能增大，當動能大到某一程度以上時，撞擊到中性原子，游離原子，產生新的電子電洞對，這個電子電洞又經加速，去撞擊原子

8、，產生累增加倍的結果，與分別為電子與電洞行走單位距離衝擊游離多少個載子的機率，看圖4.12(a) ，說明了0到W之間有一強電場存在；(b)圖說明了若此材質屬=0的累崩過程，可知電洞不會游離原子產生電子電洞對；(c)圖說明了=的累崩情形。矽累崩光二極體矽累崩光二極體p它的結構是 ，入射光由 層進入層被吸收，產生光電子電洞對，因逆偏壓存在，使得光電子直射p層，在這一層是有很強電場存在的空乏區，使得光電子在此層產生累崩倍增的效果，光信號因此得到增益放大效應。注意 層必須很薄，才能使光大部分透過層；而層必須很厚，才能吸收大部分光子，提高量子效率，但也因此降低了響應速度。ppnp鍺累崩光二極體鍺累崩光二

9、極體為了在長波長有更高的量子效率及更快響應速度，矽以不符需要，改用鍺取代之，矽材料的衝擊游離係數值比值大約50倍，所以光吸收區產生光電子電洞對，結構設計使得電子入射累崩層，看圖4.14 ，而不用電洞入射p層，這是因為電子入射，才能產生較大的增益及較低的過剩雜訊；但鍺材料的係數值大於值，所以必須設計幾何結構，使得累崩區由電洞入射產生累崩倍增的增益及低過剩雜訊。分離吸收累崩光二極體分離吸收累崩光二極體長波長的光，以矽材質的光偵測器來收受光信號並不恰當，因為量子效率低及長的響應時間在此長波長，而InGaAs或GaInAsP材料比較適當，但是InGaAs及GaInAsP的能隙比較低，形成pn接面形式的

10、光二極體，有很大的穿透電流，造成大的暗電流，為了降低暗電流，設計出分離吸收累崩光二極體的幾何結構，看圖4.15。分離吸收累崩光二極體分離吸收累崩光二極體入射光子被InGaAs層吸收，產生電子電洞對，因為逆偏壓，電洞入射n-InP層，在這一層電洞產生累崩倍增效應，看圖4.16 ，電洞由n-InGaAs入射n-InP ，必須越過穿透過交界處的位能障璧，而InGaAs與n-InP這兩層的厚度與摻雜值濃度必須控制恰當，使得外界逆向偏壓加入時，InGaAs層電場不能太強，才不致於產生穿透效應，但也不能太弱，才能有好的量子效率，而n-InP這一層電場必須很強，才能產生累崩效應。超晶格光二極體超晶格光二極體

11、看圖4.17 ，它是有多層異質結構，這將造成游離係數比值/1；這是因為能帶的不連續性產生的結果；摻雜值低的AlxGa1-xAs層厚度為55nm ，GaAs層厚度約45nm ，互相重疊成多層結構，在逆向偏壓之下，能帶圖改變，使得導電帶的不連續電位差Ec提高到0.48eV ，價電帶的不連續電位差Ev降低到0.08eV ，這使得電子降落到導電帶步階時，產生很大洞能，所以 ，過剩雜訊值大大的降低。步階式光二極體步階式光二極體當低摻雜值得AlxGa1-xAs材料，組成線性的變化，也就是說x值由1值慢慢降到0.55值，將產生能隙由小到大的連續變化，如圖(a)所示，在逆向加壓之下，形成步階狀，如圖(b)，因

12、導電帶Ec值很大，將造成電子在由一臺階降至另一臺階，獲得很大動能，但價電帶的Ec值很小，電洞所得到動能也小，因此衝擊游離係數值遠大於 ，所以過剩雜訊很低，約等於1。雜訊雜訊:熱雜訊熱雜訊熱雜訊主要是來自負載電阻的熱雜訊；即使在理想狀況，無光子入射光二極體且暗電流為零，能有一電流在負載電阻上流通，而它的平均電流為零；這是由於電阻內的自由電子並非靜止不動的，因為自由電子在絕對溫度0K以上時含有動能，運動方向是隨機的，無特定方向，但平均電流值等於0 ，看圖4.19。雜訊雜訊:熱雜訊熱雜訊瞬時熱雜訊功率值為 ，平均功率值則等於 ；iNT符號是熱雜訊電流，而 幅代表熱雜訊電流的均方根值，看圖4.20。2

13、( )LNTR it2LNTR i2NTi雜訊雜訊:熱雜訊熱雜訊當射入光接收器的光功率值大小比熱雜訊功率值大時，雜訊將被蓋掉，則熱雜訊的存在可用圖4.21的等效電路來模擬，此圖中的負載電阻是個理想的無雜訊電阻，而雜訊可完全由電流源來取代。雜訊雜訊:射擊雜訊射擊雜訊射擊雜訊又稱之為量子雜訊，是由於電荷的不連續性所引起的，電荷是自由電子所構成的，當電流再流通時，就是自由電子在流動，自由電子受電場吸力，由靜止到速度直線加快直到碰撞到原子或離子，速度減到零，每個電子的發生便提供了單獨的脈衝電流h(t) ，看圖4.22(a) ，而電流就是由這些無數量的光入射光接收器時，產生的電流eP/hf ，電路上所得

14、到的電流是由此平均電流eP/hf加上射擊雜訊電流iNS ，看圖4.22(c)。雜訊雜訊:射擊雜訊射擊雜訊射擊雜訊的存在可用圖4.23的等效電路來模擬，而圖中的電流源來取代電路的射擊雜訊，電路成為理想的無射擊雜訊存在，射擊雜訊並非與頻帶的位置有關，而只是與系統的頻寬和光信號電流有關，當光信號功率增加時，射擊雜訊亦隨著增加。 信號雜訊比值信號雜訊比值圖4.24是接面型光二極體的等效電路，在光二極體的接面空乏區電阻值Rd非常，大約10M，所以比負載電阻大許多，可忽略掉，而光二極體的型與型區域電阻值非常小，約 ，也可忽略；空乏區接面電容很小，只有幾個值大小，設定它對系統影響不大，它對雜訊的影響則可藉由

15、接收電路的頻寬去考慮，固可省略。信號雜訊比值信號雜訊比值圖4.25是將雜訊現象考慮進去的光二極體等效電路，在不同的情況下，皆可以用這個電路去計算信號品質SNR比值，以下將就固定光功率與調變光功率光源的SNR信號品質計算。信號雜訊比值信號雜訊比值:光功率固定的輸入光功率固定的輸入看圖4.26 ，這是一個單頻道FM視訊傳輸系統的例子，波長1.3m ，頻寬40MHz ，熱雜訊限制系統對光信號功率的變化比較敏感，可由圖4.26中印證，熱雜訊限制系統的斜率比射擊雜訊限制系統的斜率大。為了提高信號雜訊比值，使接收信號有更好品質，除了提高光信號功率之外，也可以提高負載電阻之阻值RL ，但接收電路的頻寬和動態

16、範圍勢必會降低，所以也可使用有內部增益效應的光二極體。信號雜訊比值信號雜訊比值:光功率固定的輸入光功率固定的輸入因為過剩雜訊存在於累崩二極體內，降低了通信品質SNR值，而APD增益值M可由改變APD的外接逆向偏壓值來調變，增益值M由小變大時，SNR值逐漸增大，但M值太大時，信號品質SNR值反而會下降，所以有一最適合的增益值Mopt ，可達到最高的通信品質，看圖4.27。信號雜訊比值信號雜訊比值:光功率固定的輸入光功率固定的輸入圖4.28是三種APD的靈敏度，即感應光信號所需的最低能量，Si APD在光波長0.85m ，Ge APD與InGaAs在1.3m光波長時，三種累崩二極體串接在轉換阻抗式

17、放大器，可以看出，有一適當的APD增益值，使得可偵測出光信號的功率值最低，此值有最高的靈敏度，可得到最好的信號品質。Si有較低的過剩雜訊，所以再長波長時，常使用PIN光二極體串接低雜訊前置放大器來取代Ge或InGaAs APD二極體。誤碼率誤碼率:受限於熱雜訊情形的誤碼率受限於熱雜訊情形的誤碼率當使用PIN光二極體接收電路做直接檢測時，可用圖4.29來對應得到Pe值。必須注意只能使用於熱雜訊限制的情形，它並不適用於射擊雜訊限制的情況。當S/N比值越大時，增加光信號功率值，將使得系統的誤碼機率下降的越快。同調偵測方式同調偵測方式:同調光纖通信系統同調光纖通信系統 各種調變方式可搭配不同的偵測方式

18、，其各種組合的比較，如圖4.30所示，它是以收信靈敏度作為比較指標，由圖中可見，ASK同調光纖通信系統比傳統的直接強度調變系統改善了收信靈敏度1020dB ，FSK比ASK同調方式改善3dB收信靈敏度，PSK比FSK又改善了3dB ，而同頻偵測比外差偵測方式好，靈敏度增加了3dB。同調偵測原理同調偵測原理:外差偵測方式外差偵測方式外差偵測屬於同調偵測的一種，它須要特性良好的本地振盪光源，產生本地振盪光束與輸入光信號在光耦合器內混合，此混合的信號在進入光偵測器，看圖4.31。注意雷射光束必須使用單一縱向模態輸出，兩個光束都必須是偏極化光波，且使用偏極化保存單模光纖。外差偵測的信號雜訊比值外差偵測

19、的信號雜訊比值圖4.32顯示傳統的直接偵測方式，它的S/N比值在光二極體內部增益某適當值Mopt時有最大值；當增益值M再增加時，S/N值會下降，而同調偵測方式沒有這個困擾，光信號輸入小時，可增加本地振盪信號，以放大微弱的光信號，所以S/N值相對的也被提高，同時S/N比值可十分接近量子限制SNR理想值，看圖4.33。外差偵測接收器外差偵測接收器:方向耦合器形式方向耦合器形式看圖4.35，是一個4埠的方向耦合器，P1功率的光信號輸入於第一個埠端，這個P1的光功率將依照分裂比率，適當的分散光功率到第2個埠及第3個埠中。而P2與P3的比值即是分裂比率，可由元件的結構來調變。可利用此方向耦合器來做成外差

20、偵測接收器，看圖4.36，由第一個埠輸入光信號光束，第2個埠輸入本地振盪光束，在第3個埠安置光偵測器，來接收混合光束。而此方向耦合器是由單模光纖對絞而成，而對絞的長度將決定分裂比值。外差偵測接收器外差偵測接收器:積體光學形式積體光學形式看圖4.37，是一個積體光學形式的方向耦合器，光功率由一個波導耦合多少比例到另一個波導，可由長度L來控制。而鄰近的光波導之間，光能量的互相耦合，是因外洩出波導的電磁波造成的，稱為衰減電場。其他的雜訊現象其他的雜訊現象:模態雜訊模態雜訊此種雜訊發生在通信系統使用多模光纖及雷射光信號源，在光纖內各種縱向模態彼此會有干涉現象發生，因而在光纖橫切面上，形成由“亮”及“暗

21、”點形成的圖案，如圖4.38。其他的雜訊現象其他的雜訊現象:模態雜訊模態雜訊當光源波長因為其他因素而改變或光纖受到振動時，不同模態互相干涉形成的圖案將改變，光纖系統內有連接器或者有光纖的接續，連接器及光纖接合，或多或少有懸接兩端光纖不對準的現象，看圖4.39，當干涉圖形變動時，不對準所造成的損耗也會因此而變動，如此雜訊就造成了。為減少模態雜訊，可使用單模光纖、低同調性的光源、及低損耗的連接器來改善。雷射雜訊雷射雜訊:分配雜訊分配雜訊由於溫度變化時，各模態功率分配發生變化所致，看圖4.40，此種雜訊只存在於多模態光纖雷射二極體。雷射雜訊雷射雜訊:分配雜訊分配雜訊看圖4.41，一個固定光功率雷射，

22、它的光功率能量波包由不同光波長功率構成，然而，在不同時間，這個固定的光能量分配給不同光波長的量會變化的；例如：不同溫度下，在溫度T1時，能量大部分在模態1，在溫度T2時，模態2佔據大部分能量，產生雜訊現象。接收電路設計接收電路設計:電晶體放大器電晶體放大器又分成雙極性電晶體與場效電晶體放大器兩種。雙極性電晶體放大器，看圖4.42(a) ，它是由逆偏壓的光二極體、負載電阻、及雙極性電晶體組成。逆偏壓光二極體與負載電阻作為光信號轉換為電信號，而電晶體的作用為放大信號功能。看圖4.42(b) ，它是將圖4.42(a)中的雙極性電晶體由場效電晶體取代，其他電路元件不變，功能不變。接收電路設計接收電路設計:高輸入阻抗放大器高輸入阻抗放大器當光信號頻寬大於電路頻寬，信號高頻部分被衰減比較多，造成信號失真。為了補救這個缺失，在放大器之後可加上等化器；其功能是可使高頻部分信號加強，以補償放大器所造成的衰減，如此就可以使原有信號波形不變。等化器可以是簡單的RC網路設計。看圖4.43，加上等化器的高輸入阻抗放大器，使整體的頻寬值由f1增加到f2頻寬值，光信號頻寬小於f2值，由接收器接收到的信號不再失真。接收電路設計接收電路設計:高輸入阻抗放大器高輸入阻抗放大器等化器可以