浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本

1、浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 第五章第五章 光檢測(cè)器與光接收機(jī)光檢測(cè)器與光接收機(jī) 5.1 光檢測(cè)器光檢測(cè)器 5.2 光電二極管特性光電二極管特性 5.3 光接收機(jī)光接收機(jī) 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 HHOR7100A經(jīng)濟(jì)型小殼光接收機(jī) 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 家用雙向光接收機(jī) 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 探測(cè)器 抑制碼間干擾抑制碼間干擾 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 n光電轉(zhuǎn)換器件，光接收機(jī)的首要部件 n當(dāng)前的光檢測(cè)器主要是半導(dǎo)體光檢測(cè)器 q 以光電二極管應(yīng)用最廣泛。 q常用的有PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD） n要求: q高效率、 q響應(yīng)速度快，線性好及頻帶寬 q低噪聲、器件本身

2、對(duì)信號(hào)的影響小。 q體積小、壽命長(zhǎng)、高可靠、工作電壓低等。 5.1 光檢測(cè)器光檢測(cè)器 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 5.1 光檢測(cè)器光檢測(cè)器 光電二極管光檢測(cè)器的原理光電二極管光檢測(cè)器的原理 光 子 電 子 導(dǎo) 帶 hf c /e 價(jià) 帶 eU 空 穴 Eg n工作原理-受激吸收。 加反向偏壓，形成耗盡區(qū)。 在半導(dǎo)體材料上，當(dāng)入射 光子能量h超過帶隙能量Eg 時(shí)，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。 在外加電壓建立的電場(chǎng)的 作用下，電子向N區(qū)漂移， 空穴向P區(qū)漂移。 電子到達(dá)N區(qū)，空穴到達(dá)P 區(qū)，被外電路吸收，形成光 生電流。 n其光生電流大小Ip與入射光 功率Pin成比例： inp RPI 浙江傳媒學(xué)院第五章上

3、課版本 5.1.1 PN光電二極管(1) sr vw 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 5.1.1 PN光電二極管(1) 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 nPINPIN光電二極管光電二極管 n結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：在PN結(jié)間插入一層非摻雜或輕摻雜半導(dǎo)體材料，以增大耗 盡區(qū)寬度w，達(dá)到減小擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響，提高響應(yīng)度的要求。由于 PN結(jié)中間插入的半導(dǎo)體材料近似為本征半導(dǎo)體(Intrinsic)，因此這 種結(jié)構(gòu)稱為PIN光電二極管。 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 PIN光電二極管光電二極管 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 n每個(gè)在能級(jí)之間躍遷的電子只吸收一個(gè)光子每個(gè)在能級(jí)之間躍遷的電子只吸收一個(gè)光子 n產(chǎn)生光電流需滿足條件：

4、產(chǎn)生光電流需滿足條件： hf Eg因因 =c/f 即即: C=hc/Eg Eg使用電子伏特（ev）, 為微米（ m） 截止波長(zhǎng)：截止波長(zhǎng)：Si: c=1.06 m Ge,InGaAs: c=1.6 m n響應(yīng)波長(zhǎng)響應(yīng)波長(zhǎng): Si: 0.5-1.0 m Ge, InGaAs: 1.1-1.6 m PIN光電二極管光電二極管 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 雪崩光電二極管雪崩光電二極管 nPIN:1個(gè)光子最多產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴對(duì),無增益 nAPD:利用電離碰撞, 1個(gè)光子產(chǎn)生多對(duì)電子-空穴對(duì),有增益 n工作過程： 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 Ip: 光生電流光生電流 Pin：入射光功率：入射光功率 光

5、電二極管特性光電二極管特性 1.量子效率量子效率 n入射光功率Pin中含有大量光子，能轉(zhuǎn)換為光電流的 光子數(shù)和入射總光子數(shù)之比稱為量子效率. hfP qI in p 產(chǎn)的電子可信度的數(shù) 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 光電二極管特性光電二極管特性 1.24 P in Ie R Phf R: 響應(yīng)度響應(yīng)度 可用響應(yīng)時(shí)間來表征。 取決于渡越耗盡層時(shí)間 e 為電子電荷，其值為1.610-19 C。 sr vw 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 (a) 響應(yīng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 APD倍增系數(shù) 倍增系數(shù) 1 G P GS B I G I VI R V IG-平均輸出電流， IP-一次光生電

6、流 倍增系數(shù)G與電離系數(shù)及增益區(qū)厚度有關(guān)。 G V 1 10 100 20C 40C 60C T VB 。 APD實(shí)用時(shí)應(yīng)在偏置電路中加溫度補(bǔ)償實(shí)用時(shí)應(yīng)在偏置電路中加溫度補(bǔ)償,或與或與AGC電路連接。電路連接。 APD 的溫度特性的溫度特性 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 光電二極管光電二極管特性特性 n信噪比也是衡量接收機(jī)好壞的重要指標(biāo)，光接收機(jī)的噪聲主要來 源于光電檢測(cè)器和其后面的前置放大器，而暗電流就是光檢測(cè)器 產(chǎn)生噪聲的原因之一。暗電流Id定義為無光照射時(shí)光電二極管的反 向電流，主要是由熱激發(fā)而形成的載流子引起的。 n在PIN光電二極管中，由于體內(nèi)暗電流不會(huì)受到倍增作用且檢測(cè)器 本身處于反

7、向偏置狀態(tài)，所以其值要比表面暗電流小得多。因此， PIN光電二極管的暗電流大小主要決定于其表面暗電流。 n在APD中，由于體內(nèi)暗電流有倍增，其值遠(yuǎn)大于表面暗電流。所 以APD的暗電流主要是指體內(nèi)暗電流。由于倍增作用，APD的暗 電流要比PIN-PD的暗電流大得多。隨溫度上升，暗電流將會(huì)急劇 增加。 n暗電流會(huì)引起光接收機(jī)的噪聲增大，因此，希望器件的暗電流越 小越好。 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 光檢測(cè)器的比較（1） 參數(shù)符號(hào)單位SiGeInGaAs 波長(zhǎng)范圍nm4001100800165011001700 響應(yīng)度RA/W0.40.60.40.50.750.95 暗電流IDnA110505000

8、.52.0 上升時(shí)間rns0.51.00.10.50.050.5 帶寬BGHz0.30.70.53.01.02.0 偏置電壓VBV55105 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 光檢測(cè)器的比較（2） 參數(shù)符號(hào)單位SiGeInGaAs 波長(zhǎng)范圍nm4001100800165011001700 雪崩增益M20400502001040 暗電流IDnA0.11505001050 M=10 上升時(shí)間rns0.120.50.80.10.5 增益帶寬積MBGHz10040021020250 偏置電壓VBV15040020402030 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 n在短距離的應(yīng)用中，工作在850nm的Si器件對(duì)于大多

9、 數(shù)鏈路是個(gè)相對(duì)比較廉價(jià)的解決方案。 n在長(zhǎng)距離的鏈路常常需要工作在1330nm和1550nm窗 口，所以常用基于InGaAs的器件。 nAPD檢測(cè)器與PIN檢測(cè)器相比，具有載流子倍增效應(yīng)， 其探測(cè)靈敏度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度 補(bǔ)償電路。要視具體應(yīng)用場(chǎng)合而選定。 光檢測(cè)器的比較（3） 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 5.3 光接收機(jī)光接收機(jī) 光接收機(jī)的基本組成光接收機(jī)的基本組成 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 5.3 光接收機(jī)光接收機(jī) 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 5.3.1 光接收機(jī)的前端(1) 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 5.3.1 光接收機(jī)的前端(2) n光檢測(cè)器的選擇：要視具體應(yīng)用場(chǎng)

10、合而定。 qPIN光電二極管具有良好的光電轉(zhuǎn)換線性度，不需 要高的工作電壓，響應(yīng)速度快。 qAPD最大的優(yōu)點(diǎn)是它具有載流子倍增效應(yīng)，其探測(cè) 靈敏度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度補(bǔ)償 電路。 q從簡(jiǎn)化接收機(jī)電路考慮，一般情況下多喜歡采用 PIN光電二極管作光探測(cè)器。 n前置放大器的主要作用是保持探測(cè)的電信號(hào)不 失真地放大和保證噪聲最小，一般采用場(chǎng)效應(yīng) 晶體管(FET)。PIN/FET和APD/FET。 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 5.2.1 光接收機(jī)的前端(3) n根據(jù)不同的應(yīng)用要求，前端的設(shè)計(jì)有三種不同的方案： q低阻抗前端 q高阻抗前端 q跨（互）阻抗前端 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 5

11、.3.1 光接收機(jī)的前端(4) 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 5.3.2 光接收機(jī)的線性通道 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 5.3.3 判決再生與時(shí)鐘提取 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 判決、再生過程 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 5.3.4 光接收機(jī)的噪聲特性 n光接收機(jī)的噪聲將影響信噪比SNR和通信質(zhì)量。 主要來自光電探測(cè)器和前置放大器的噪聲。分為 兩類：散粒噪聲和熱噪聲。 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 n接收靈敏度：接收機(jī)工作于某 一誤碼率所要求的最小平均接

12、收光功率。靈敏度是光接收機(jī) 的重要指標(biāo)，描述了其準(zhǔn)確檢 測(cè)光信號(hào)的能力。 PR為輸入最小光功率 n誤碼率（BER）： 接收機(jī)判決電路錯(cuò)誤確定一個(gè)比特 的概率。 Bt N N N BER e t e 1mW P 10logr R S靈敏度 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 n光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍是指在保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)的條件下，接收機(jī) 的最大允許平均接收光功率與最小平均接收光功率之差 n可以用dB表示為 maxmin DPP max 10 lg min P D P 動(dòng)態(tài)范圍表征了光接收機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的適應(yīng)能力。 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 n例1: n某光纖通信系統(tǒng)中光源平均發(fā)送光功率為- 28 dBm，

13、光纖線路傳輸距離為 20 km，損耗 系數(shù)為0.5 dBm/km， (1) 試求接收端收到的光功率為多少？ (2) 若接收機(jī)靈敏度為-40 dBm，試問該信號(hào)能 否被正常接收？ (3) 若光源平均發(fā)送光功率增大至-10 dBm，光 接收機(jī)剛好能將其正常接收，試求光接收機(jī) 動(dòng)態(tài)范圍為多少？ 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 n解：(1) 接收端收到的光功率 n P=-28 dBm-0.5 dBm/km20 km n =-38 dBm。 n (2) -38 dBm-40 dBm能正常接收。 n (3) Pmax=-10dBm-0.520 dBm=- 10 dBm-10 dBm=-20 dBm， n 接收

14、機(jī)動(dòng)態(tài)范圍： n D=Pmax-Pmin=-20 dB-(-40 dBm)= 20 dBm。 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 n例2: 在滿足一定誤碼率的條件下，光接收機(jī)最大接收 光功率為0.1 mW，最小接收光功率為1 000 nW。 (1) 求接收機(jī)靈敏度和接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍。 (2) 已知某個(gè)接收機(jī)的靈敏度為-40 dBm，動(dòng)態(tài)范 圍為20 dBm，若收到的光功率為2W ，系統(tǒng)能否 正常工作？ 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 n解：(1) 接收機(jī)靈敏度為 dBm n 動(dòng)態(tài)范圍為 dBm n(2) 根據(jù)靈敏度為-40dBm, 可求得=0.1 ，由動(dòng)態(tài)范圍為20 dBm，可求

15、得為10 W，因?yàn)?10W 2WW ，故能夠正常工作。 9 r 3 1000 10 10lg30 10 P 3 9 0.1 10 10lg20 1000 10 D min r 3 10 lg 10 P P 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 二進(jìn)制信號(hào)的誤碼概率 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 二進(jìn)制信號(hào)的誤碼概率 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 二進(jìn)制信號(hào)的誤碼概率 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 二進(jìn)制信號(hào)的誤碼概率 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 光信號(hào)在光纖通信系統(tǒng)中傳輸會(huì)受到損耗和色散，能量衰減，光信號(hào)在光纖通信系統(tǒng)中傳輸會(huì)受到損耗和色散，能量衰減，

16、脈沖畸變。為保證長(zhǎng)途光纖信號(hào)傳輸質(zhì)量的可靠性，必須要脈沖畸變。為保證長(zhǎng)途光纖信號(hào)傳輸質(zhì)量的可靠性，必須要 在線路的適當(dāng)位置設(shè)立中繼器（又叫再生器，在線路的適當(dāng)位置設(shè)立中繼器（又叫再生器， regenerator）。）。 一般地，每隔一般地，每隔5070km就要設(shè)置一個(gè)光中繼器，用來將就要設(shè)置一個(gè)光中繼器，用來將 經(jīng)過光纖傳輸后有較大衰減和畸變的光信號(hào)變成沒有衰減和經(jīng)過光纖傳輸后有較大衰減和畸變的光信號(hào)變成沒有衰減和 畸變的光信號(hào)，以便增大光的傳輸距離。光中繼器的運(yùn)用，畸變的光信號(hào)，以便增大光的傳輸距離。光中繼器的運(yùn)用， 可以將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖線路傳輸距離的限制從幾百千米延伸到幾可以將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖線路傳輸距離的限制從幾百千米延伸到幾 千千米，例如線路中用千千米，例如線路中用100多個(gè)中繼器可以傳輸多個(gè)中繼器可以傳輸5000千米以千米以 上的光信號(hào)。上的光信號(hào)。 光中繼器 浙江傳媒學(xué)院第五章上課版本 光中繼器分為兩類：光中繼器分為兩類： 1光電混合中繼器：光電混合中繼器： 它將光纖傳來的光信號(hào)進(jìn)行它將光纖傳來的光信號(hào)進(jìn)行O/E/O轉(zhuǎn)換處理，恢復(fù)出不失轉(zhuǎn)換處理