第四章 光檢測(cè)器和光接收機(jī)

1、光纖通信與數(shù)字傳輸B南京郵電大學(xué)2第四章第四章 光檢測(cè)與光接收機(jī)光檢測(cè)與光接收機(jī)4.1 半導(dǎo)體光檢測(cè)器件4.2 光接收機(jī)4.3 光接收機(jī)噪聲分析4.4 光接收機(jī)的誤碼率4.5 接收機(jī)靈敏度4.6 光中繼機(jī)3概述概述 光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的主要組成部分，它的性能是整個(gè)光纖通信系統(tǒng)性能的綜合反映。由光發(fā)送機(jī)發(fā)出的光信號(hào)在光纖線路中傳輸時(shí)，不僅會(huì)受到損耗的影響而造成幅度衰減，同時(shí)光纖色散和非線性效應(yīng)等可能會(huì)引起脈沖波形展寬，由此造成的信號(hào)質(zhì)量下降會(huì)增加接收機(jī)接收信號(hào)的難度，這些都對(duì)接收機(jī)的性能提出了較高的要求。 光接收機(jī)的主要作用是將經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減，波形被展寬的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并經(jīng)

2、放大處理，恢復(fù)為原來的信號(hào)。44.1 半導(dǎo)體光檢測(cè)器件半導(dǎo)體光檢測(cè)器件 光檢測(cè)器的作用是將光纖輸出的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，它是影響光接收機(jī)性能的重要器件。 光纖通信系統(tǒng)對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是：o 波長段內(nèi)響應(yīng)度或靈敏度要高o 具有足夠的帶寬和響應(yīng)速度o 由檢測(cè)器引入的附加噪聲必須最低，暗電流、漏電流和并聯(lián)電導(dǎo)必須最小o 較低的偏壓或偏流，具有高可靠性和長壽命o 較小的幾何尺寸，便于與光纖及其他電路組裝 5響應(yīng)度響應(yīng)度 響應(yīng)度是表示光檢測(cè)器能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)參數(shù)，是光檢測(cè)器的平均輸出電流與平均輸入光功率之比。表示為 （A/W） (4-1)式中：R0光檢測(cè)器的響應(yīng)度 IP光檢測(cè)器的平均輸出電流

3、P0入射在檢測(cè)器光敏面上的平均光功率00/PIRp64.1 光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理 最基本的半導(dǎo)體光檢測(cè)器是由反向偏置的PN結(jié)構(gòu)成的。在半導(dǎo)體材料的PN結(jié)面上，由于電子和空穴的擴(kuò)散形成了內(nèi)部的電場(chǎng)，稱之為自建場(chǎng)。由于自建場(chǎng)的作用使電子和空穴產(chǎn)生了與擴(kuò)散方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)。在PN結(jié)界面附近形成了高電場(chǎng)的耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)兩邊，電場(chǎng)基本為0，稱為擴(kuò)散區(qū)。耗盡區(qū)和擴(kuò)散區(qū)均為光子的吸收區(qū)，在入射光照射下，要吸收光能量產(chǎn)生光生載流子。 7圖圖4-1 PN結(jié)光電二極管結(jié)光電二極管 PNRLhy擴(kuò)散區(qū)耗盡區(qū) 擴(kuò)散區(qū)吸收區(qū)8圖圖4-2 PN結(jié)光電二極管工作原理結(jié)光電二極管工作原理a）PN結(jié)b）

4、能帶圖9圖圖4-3 光生載流子慢擴(kuò)散使響應(yīng)變慢光生載流子慢擴(kuò)散使響應(yīng)變慢 光功率檢測(cè)電流t光脈沖t電脈沖擴(kuò)散漂移10反向偏壓工作的光電二極管反向偏壓工作的光電二極管 為了克服由于光生載流子擴(kuò)散速度慢于漂移速度而引起的響應(yīng)變慢現(xiàn)象，對(duì)光電二極管采用反向偏壓。 反向偏壓增加了耗盡區(qū)的寬度，從而減少了光生電流中的擴(kuò)散分量，同時(shí)增強(qiáng)的電場(chǎng)也會(huì)加快光生載流子的漂移速度，有利于加快光生載流子的響應(yīng)時(shí)間。114.1.2. 光電二極管光電二極管PIN 在上述的光電二極管的PN結(jié)中間摻入一層濃度很低的N型半導(dǎo)體，就可以增大耗盡區(qū)的寬度，達(dá)到減小擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響，提高響應(yīng)速度的目的。 由于摻入層的摻雜濃度低，近乎本

5、征（Intrinsic）半導(dǎo)體，故稱I層，這種結(jié)構(gòu)稱為PIN光電二極管。I層較厚，幾乎占盡了整個(gè)耗盡區(qū)。絕大部分的入射光在I層內(nèi)被吸收并產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)。在I層兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，P層和N層很薄，吸收入射光的比例很小。因而光生電流中漂移分量占了主導(dǎo)地位，這就大大加快了響應(yīng)速度。 12圖圖4-4 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)及各層電場(chǎng)分布光電二極管結(jié)構(gòu)及各層電場(chǎng)分布13PIN光電二極管的主要特性光電二極管的主要特性 o 截止波長和吸收系數(shù) o 響應(yīng)度和量子效率 o 響應(yīng)速度 o 線性飽和 o 暗電流 o 噪聲 14截止波長和吸收系數(shù)截止波長和吸收系數(shù) 只有入射光子的能量hf大于半

6、導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。因此對(duì)一種特定材料的檢測(cè)器存在著一個(gè)下限頻率fc和相應(yīng)的上限光波長c?；?qū)懗?式中h為普朗克常數(shù)，c為光速，波長c單位為微米，禁帶寬度Eg單位為電子伏特。 由式可見，只有波長小于c的光才能用由這種材料做成的器件檢測(cè)。c稱為器件的截止波長。gcEhf ggcEEhc/24. 115穿透效應(yīng)穿透效應(yīng) 半導(dǎo)體的吸收作用隨光波長的減小而迅速增強(qiáng)。即隨光波長減小而變大。因此光波長很短時(shí)，光在半導(dǎo)體表面就被吸收殆盡，使得光電轉(zhuǎn)換效率很低。這限制了半導(dǎo)體檢測(cè)器在較短波長上的應(yīng)用。 由上分析可見：要檢測(cè)某波長的入射光，必須要選擇由適當(dāng)材料做成的檢測(cè)器。一方面由其禁帶寬

7、度決定的截止波長要大于入射光波長，否則材料對(duì)光透明，不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。另一方面，吸收系數(shù)不能太大，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率。 16響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)度和量子效率 響應(yīng)度和量子效率是表示光電二極管能量轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)。若入射光功率為P0時(shí)產(chǎn)生的光電流為Ip，則響應(yīng)度R0定義為： （A/w） （4-3）量子效率定義為 （4-4）由4-3、4-4可知： （A/W） （4-5）式中e為電子電量，為光波長，h為普朗克常數(shù)，c為光速。 00/PIRphcehfeR0ehfPIhfPeIpp00/入射光子數(shù)空穴對(duì)數(shù)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電子17圖圖4-5 幾種材料的幾種材料的PIN管管R R0 0，的關(guān)系曲的關(guān)系曲線線

8、18響應(yīng)速度響應(yīng)速度 PIN 光電二極管的響應(yīng)速度可以用響應(yīng)時(shí)間或截至頻率來表示。 響應(yīng)時(shí)間取決于光檢測(cè)電路的上升時(shí)間、載流子在耗盡層中的渡越時(shí)間和耗盡區(qū)外載流子的擴(kuò)散時(shí)間。19線性飽和線性飽和 光檢測(cè)器電路有一定的光功率檢測(cè)范圍。當(dāng)入射光功率太大時(shí)，光電流和光功率將不成正比，從而產(chǎn)生非線性失真。 隨著輸入光功率和輸出電流的增大，檢測(cè)電路中負(fù)載電阻上的壓降增大，光電管上實(shí)際壓降減小，耗盡區(qū)內(nèi)電場(chǎng)減弱，繼而會(huì)引起單位光功率產(chǎn)生的光電流變小。此時(shí)光電轉(zhuǎn)換不再滿足線性關(guān)系，稱為線性飽和。20暗電流暗電流 處于反向偏壓下的半導(dǎo)體光電二極管，在無光照時(shí)仍有電流流過，這部分電流稱為暗電流。光電二極管的暗電

9、流分為兩部分：一部分為反向偏壓下二極管的反向飽和電流，稱為體暗電流，是由載流子的熱擴(kuò)散形成的，體暗電流由半導(dǎo)體材料及摻雜濃度決定。另一部分是由半導(dǎo)體表面缺陷引起的表面漏電流，稱為表面暗電流。 暗電流與器件的結(jié)面積成正比。故常用單位面積上的暗電流（稱為暗電流密度）來衡量。暗電流隨器件溫度的升高而增大。暗電流的存在限制了光電二極管所能檢測(cè)的最小光功率，也就是降低了接收機(jī)的靈敏度。 21噪聲噪聲 噪聲是光電二極管的一個(gè)重要參數(shù)。噪聲的存在同樣也限制了光電二極管所能檢測(cè)的最小光功率，直接影響了接收靈敏度。 光電二極管的噪聲包括散粒噪聲（又稱量子噪聲）和熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流（在1負(fù)載上消耗的噪

10、聲功率）來描述。224.1.3 雪崩光電二極管雪崩光電二極管APD 光接收機(jī)的靈敏度主要由接收機(jī)的信噪比決定。因此可以采用減小噪聲或增大信號(hào)電流的方法來提高接收機(jī)的靈敏度。 如果采用自身對(duì)光生電流具有放大作用的光檢測(cè)器，即使檢測(cè)器在電流放大過程中會(huì)產(chǎn)生附加噪聲，但只要附加噪聲小于負(fù)載電阻和后級(jí)放大器的噪聲，則這樣的檢測(cè)器必定會(huì)改善接收機(jī)的信噪比，從而提高了接收機(jī)的靈敏度。雪崩光電二極管（APD）就是這樣的一種具有內(nèi)部電流增益的光電轉(zhuǎn)換器件。231. APD的工作原理和結(jié)構(gòu)的工作原理和結(jié)構(gòu) 處于反向偏置的耗盡層光電二極管，當(dāng)外加的反向偏壓不斷增強(qiáng)時(shí)，耗盡層內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下得到加速

11、，獲得很大的動(dòng)能。高能的載流子與半導(dǎo)體晶體內(nèi)的原子相碰撞，將束縛在價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而在耗盡層內(nèi)產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。碰撞電離的反復(fù)循環(huán)使耗盡層內(nèi)的載流子數(shù)雪崩似的急劇增加，通過二極管的電流也就猛增，這就是雪崩倍增效應(yīng)。 雪崩光電二極管（APD）就是利用雪崩倍增效應(yīng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電流增益的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換器件。 24圖圖4-9 APD光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理252. APD的特性的特性 倍增因子是APD內(nèi)部的電流增益系數(shù)。倍增因子g定義為APD雪崩放大后的輸出電流IM和初始光生電流Ip的比值。 （4-14） 雪崩倍增過程是一個(gè)隨機(jī)過程，即每一電子-空穴對(duì)與

12、半導(dǎo)體晶體內(nèi)的原子碰撞電離產(chǎn)生的初始電子-空穴對(duì)的數(shù)目是隨機(jī)的，因而倍增因子g也是隨機(jī)變化的。一般所稱的倍增因子是指平均倍增（電流增益系數(shù)）G。 （4-15）式中是表示隨機(jī)量g的平均值。PMIIg gG26圖圖4-10 電流增益偏壓、溫度關(guān)系電流增益偏壓、溫度關(guān)系27過剩噪聲過剩噪聲 當(dāng)雪崩光電二極管的雪崩增益為G時(shí)，它的信號(hào)電流比無倍增時(shí)增大了G倍，信號(hào)功率增大了G2倍。由式（4-18）可以看出噪聲功率增大了G2F倍。由于F2，所以噪聲功率增大的速率大于信號(hào)功率增大的速率*。*此處分析過程請(qǐng)參閱教材 28APD響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)度和量子效率 由于在APD中光生電流被倍增了G倍，所以它的響應(yīng)

13、度比PIN管提高了G倍。因?yàn)榱孔有手慌c初始載流子數(shù)目有關(guān)，與倍增無關(guān)，所以不管PIN還是APD，量子效率總是小于1。29APD 線性飽和和暗電流線性飽和和暗電流 APD 適宜檢測(cè)微弱的光信號(hào)，當(dāng)輸入光功率較強(qiáng)時(shí)，入射光功率和輸出電流之間的線性關(guān)系會(huì)被破壞。 APD 中產(chǎn)生非線性光電變換的原因是器件上的偏壓不能保持恒定，繼而會(huì)引起雪崩區(qū)的變窄和倍增因子的下降。 APD 暗電流隨倍增因子的增大而增大。30第四章第四章 光檢測(cè)與光接收機(jī)光檢測(cè)與光接收機(jī)4.1 半導(dǎo)體光檢測(cè)器件4.2 光接收機(jī)4.3 光接收機(jī)噪聲分析4.4 光接收機(jī)的誤碼率4.5 接收機(jī)靈敏度4.6 光中繼機(jī)314.2 光接收機(jī)光接

14、收機(jī) 直接檢測(cè)數(shù)字光接收機(jī)主要由光接收電路和輸出接口電路組成。接收機(jī)的組成框圖如圖4-11所示。32圖圖4-11 直接檢測(cè)數(shù)字光接收機(jī)框圖直接檢測(cè)數(shù)字光接收機(jī)框圖前置放大無光告警定時(shí)判決基線恢復(fù)均放主放AGC放大峰值檢波時(shí)鐘提取33光接收機(jī)原理光接收機(jī)原理 1 在接收機(jī)中，首先由光電檢測(cè)器光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。光電檢測(cè)器的輸出信號(hào)電流很小，必須由低噪聲、寬頻帶的前置放大器進(jìn)行放大。光電檢測(cè)器和前置放大器構(gòu)成接收機(jī)前端，其噪聲性能是決定接收靈敏度的主要因素。 主放大器與均衡器對(duì)信號(hào)進(jìn)行高增益的放大并對(duì)經(jīng)傳輸和放大后的失真信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，整形，提高信噪比，減少誤碼率，使輸出的脈沖適合判決的要求。 34

15、光接收機(jī)原理光接收機(jī)原理 2 基線處理是將信號(hào)的基線（低電平）固定在某一電平上，解決信號(hào)的基線漂移，以便于判決。 定時(shí)判決與時(shí)鐘提取電路作用是從收到的帶有噪聲和畸變的波形中識(shí)別信碼“1”和“0”。然后由再生電路重新產(chǎn)生和發(fā)端一樣的數(shù)字脈沖序列。 從判決電路輸出的數(shù)字信號(hào)送至接口的譯碼電路進(jìn)行碼型反變換，恢復(fù)原來的碼型。 35光接收機(jī)主要性能指標(biāo)光接收機(jī)主要性能指標(biāo)o 接收靈敏度反映了接收機(jī)檢測(cè)微弱信號(hào)的能力o 誤碼率或信噪比o 動(dòng)態(tài)范圍反映了接收機(jī)適應(yīng)輸入信號(hào)變化的能力364.2.1 光接收電路光接收電路 光接收電路由檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、自動(dòng)增益控制和均衡電路組成。它將光信號(hào)變換成一

16、定幅度的、波形好的電信號(hào)，供后續(xù)電路進(jìn)行再生判決。371. 光檢測(cè)和前置放大器光檢測(cè)和前置放大器 光電檢測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換。由發(fā)送端發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)過光纖線路傳輸后，到達(dá)接收端已經(jīng)很微弱。檢測(cè)器輸出的電流僅在nA數(shù)量級(jí)。所以必須采用多級(jí)放大將微弱的電信號(hào)放大至判決電路能正確識(shí)別。 由于信號(hào)微弱又帶有噪聲，如果采用一般的放大器進(jìn)行放大，放大器本身就會(huì)將前一級(jí)放大器所引入的噪聲也進(jìn)行放大，信噪比并沒有得到改善。因此多級(jí)放大器的前級(jí)必須滿足低噪聲、高增益的要求，才能得到較大的信噪比。382. 主放和均放主放和均放 信號(hào)經(jīng)前置放大器輸出仍然比較微弱，不能滿足幅度判決的要求，因此還必須加以放大。由于光接收機(jī)

17、的入射光功率有一個(gè)可變化的動(dòng)態(tài)范圍，因此放大器增益也應(yīng)隨入射光功率的變化得到相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)在不同輸入信號(hào)情況下仍能保持輸出電平穩(wěn)定。即實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。在光接收機(jī)中，把實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制的放大級(jí)稱為主放大器。 均放電路的主要作用是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行均衡以利于定時(shí)判決。39圖圖4-13 主放和均放構(gòu)成框圖主放和均放構(gòu)成框圖去監(jiān)測(cè)盤信號(hào)輸入告警AGC1AGC監(jiān)測(cè)光電檢測(cè)前置放大均衡濾波AGC寬放寬放1壓控衰減寬放2直流放大峰值檢波AGC2眼圖監(jiān)測(cè)去再生電路去再生電路去監(jiān)測(cè)盤403. 基線處理與定時(shí)再生基線處理與定時(shí)再生 由于傳輸線路上所傳送的碼流中“0”、“1”分布并不均勻，并不可避免地有連續(xù)的

18、“0”或連續(xù)的“1”出現(xiàn)，使得信號(hào)中的直流成分有起伏變化，這種信號(hào)在接收機(jī)中處理時(shí)，因各級(jí)間的耦合均為交流耦合，即RC耦合，這會(huì)使信號(hào)的基線隨直流成分的變化而漂移。 這種漂移嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使判決產(chǎn)生誤碼。在發(fā)送端雖已進(jìn)行了線路碼型變換，以使碼流中的“0”、“1”分布盡可能均勻使信號(hào)中的直流分量盡可能恒定，但是由于種種原因，難以達(dá)到理想程度。因此在定時(shí)再生電路中，首先要對(duì)基線漂移進(jìn)行處理，即將信號(hào)的基線（低電平）固定在某一電平上。 41基線處理移相定時(shí)判決眼圖信號(hào)非線性處理時(shí)鐘提取時(shí)鐘碼再生幅度判決圖圖4-16 基線處理與定時(shí)再生框圖基線處理與定時(shí)再生框圖42定時(shí)再生定時(shí)再生 經(jīng)過基線處理的信號(hào)，首

19、先要進(jìn)行幅度判決，然后再經(jīng)過時(shí)鐘提取，還原出幅度和時(shí)鐘準(zhǔn)確的再生信號(hào)。434.2.2 輸出電路輸出電路 輸出電路是光端機(jī)接收部分在定時(shí)再生之后的信號(hào)處理部分。通常包括線路碼型反變換、輸出接口兩大部分。低中速率的光端機(jī)，則將這兩部分安裝在一塊機(jī)盤中，稱為輸出盤。在“光電合架”設(shè)備中，取消了輸出接口電路，則碼型反變換部分和光接收電路裝在同一塊機(jī)盤中。444.2.3 其他電路其他電路o 告警電路o 倒換電路o 公務(wù)電路o 電源電路45第四章第四章 光檢測(cè)與光接收機(jī)光檢測(cè)與光接收機(jī)4.1 半導(dǎo)體光檢測(cè)器件4.2 光接收機(jī)4.3 光接收機(jī)噪聲分析4.4 光接收機(jī)的誤碼率4.5 接收機(jī)靈敏度4.6 光中繼

20、機(jī)464.3 光接收機(jī)噪聲分析光接收機(jī)噪聲分析 光接收機(jī)的作用是將接收到的微弱的數(shù)字光信號(hào)通過光電二極管轉(zhuǎn)換為光電流，并經(jīng)放大、整形、判決等信號(hào)處理，完成信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)。一個(gè)性能優(yōu)良的光接收機(jī)應(yīng)具有盡可能高的接收靈敏度。但靈敏度的提高會(huì)受到接收機(jī)中存在的噪聲的影響，噪聲的存在將會(huì)降低接收機(jī)的靈敏度。474.3.1 光接收機(jī)的主要噪聲光接收機(jī)的主要噪聲 光接收機(jī)中存在各種噪聲源，根據(jù)噪聲產(chǎn)生的不同機(jī)理，噪聲可分為兩類：散粒噪聲和熱噪聲。接收機(jī)中的噪聲源及其引入部位如圖4-20所示。其中散粒噪聲包括光檢測(cè)器的量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲和APD倍增噪聲；熱噪聲主要指負(fù)載電阻產(chǎn)生的熱噪聲，放大器

21、噪聲（主要是前置放大器噪聲）中，既有熱噪聲，又有散粒噪聲。48圖圖4-20 接收機(jī)噪聲及其分布接收機(jī)噪聲及其分布光電變換負(fù)載電阻放大器信號(hào)輸入噪聲SN量子噪聲暗電流噪聲倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲494.3.2 光檢測(cè)器的噪聲分析光檢測(cè)器的噪聲分析 對(duì)于光檢測(cè)器的噪聲，采用的主要方法是從建立噪聲的數(shù)學(xué)模型著手進(jìn)行分析。（此處推導(dǎo)過程不作要求） 如果規(guī)定誤碼率指標(biāo)為不超過Pe10-9，則最小必須接收的光脈沖能量應(yīng)為 （4-26） 如果量子效率1，則最小檢測(cè)的光脈沖能量必須等于21hf，也就是說最小必須接收21個(gè)光子，才能保證誤碼率不大于10-9。如發(fā)送端發(fā)出的“1”碼和“0”碼等概率出現(xiàn)（數(shù)目相等）

22、每位碼持續(xù)時(shí)間為T，那么平均檢測(cè)光功率必須至少為 （4-27） 這就是接收機(jī)靈敏度對(duì)規(guī)定誤碼率Pe10-9的基本極限，即所謂量子極限。 hfE21minThfP221min50第四章第四章 光檢測(cè)與光接收機(jī)光檢測(cè)與光接收機(jī)4.1 半導(dǎo)體光檢測(cè)器件4.2 光接收機(jī)4.3 光接收機(jī)噪聲分析4.4 光接收機(jī)的誤碼率4.5 接收機(jī)靈敏度4.6 光中繼機(jī)514.4 光接收機(jī)的誤碼率光接收機(jī)的誤碼率* 光接收機(jī)的誤碼主要由散粒噪聲、倍增噪聲、熱噪聲等綜合的總噪聲引起。誤碼的多少及分布不僅和總噪聲的大小有關(guān)，還與總噪聲的分布有關(guān)。入射光子在PIN內(nèi)產(chǎn)生的電子或在APD內(nèi)產(chǎn)生的一次電子通常服從泊松分布。但經(jīng)過

23、電子倍增，再經(jīng)放大、均衡后，噪聲分布變得很復(fù)雜。所以要精確計(jì)算誤碼率及靈敏度就比較困難。 *詳見教材理論分析52圖圖4-29 判決點(diǎn)上的噪聲電壓判決點(diǎn)上的噪聲電壓53圖圖4-30 誤碼率和誤碼率和Q值的關(guān)系值的關(guān)系Q值表示判決點(diǎn)門限 值 與 噪 聲 電 壓（電流）有效值的比值，稱為超擾比，含有信噪比的概念。不同的Q值對(duì)應(yīng)不同的誤碼率值。 54第四章第四章 光檢測(cè)與光接收機(jī)光檢測(cè)與光接收機(jī)4.1 半導(dǎo)體光檢測(cè)器件4.2 光接收機(jī)4.3 光接收機(jī)噪聲分析4.4 光接收機(jī)的誤碼率4.5 接收機(jī)靈敏度4.6 光中繼機(jī)554.5 接收機(jī)靈敏度接收機(jī)靈敏度 接收機(jī)靈敏度是光接收機(jī)最主要的性能指標(biāo)之一，可以

24、直觀地衡量接收機(jī)在一定條件下接收微弱信號(hào)的能力。需要注意的是，衡量或比較接收機(jī)靈敏度一定是在一定的接收條件下才具有意義。56某光接收機(jī)靈敏度實(shí)測(cè)曲線示例某光接收機(jī)靈敏度實(shí)測(cè)曲線示例574.5.1 靈敏度定義和表示方法靈敏度定義和表示方法 光接收機(jī)靈敏度是表征光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，接收微弱光信號(hào)的能力。它可用下列三種物理量表示。 在保證達(dá)到所要求的誤碼率（或信噪比）條件下，接收機(jī)所需的：o 輸入的最小平均光功率PR；o 每個(gè)光脈沖的最低平均光子數(shù)n0；o 每個(gè)光脈沖的最低平均能量Ed。58三種表示方法之間的關(guān)系三種表示方法之間的關(guān)系 （4-61）式中：T為脈沖碼元時(shí)隙，T=1/fbhf是一個(gè)

25、光子能量PR的單位為W，常用mW。若用dBm來表示靈敏度Sr，則可寫為： （4-62）ThfnTEPdR220)(1lg10dBmmWPSRr59靈敏度換算示例靈敏度換算示例 例如，某接收機(jī)在保證誤碼率Pe=10-9的條件下，所需接受的最小光功率為15.8nW，則靈敏度為： （4-63） 對(duì)于不同的誤碼率要求，接收機(jī)的靈敏度也不同。而產(chǎn)生誤碼的主要原因是噪聲。光信號(hào)通過接收機(jī)時(shí)，受到各種噪聲影響，降低接收機(jī)的靈敏度。因此，對(duì)接收機(jī)噪聲的研究分析是光接收機(jī)的主要課題。)(4810108 .15lg1039dBmSr604.5.2 靈敏度計(jì)算靈敏度計(jì)算 理想接收機(jī)靈敏度的計(jì)算 所謂理想光纖通信系統(tǒng)

26、，即是假設(shè)系統(tǒng)的頻帶無限寬，系統(tǒng)無噪聲。對(duì)這樣的系統(tǒng)，我們可認(rèn)為，發(fā)送端調(diào)制信號(hào)是矩形脈沖，光脈沖信號(hào)經(jīng)過光纖傳輸?shù)浇邮斩?，?jīng)過光電檢測(cè)器檢測(cè)得到的電信號(hào)還是矩形脈沖。那在這種系統(tǒng)中，接收機(jī)的靈敏度將受到什么限制呢？最大可能的值是多少呢？61理想接收機(jī)靈敏度的計(jì)算理想接收機(jī)靈敏度的計(jì)算 在誤碼率要求為Pe=10-9時(shí)，即可求出Ed，即為理想光纖通信系統(tǒng)接收靈敏度 （4-64） 由上式可見，理想光纖通信系統(tǒng)的靈敏度（Pe=10-9時(shí)）為21個(gè)光子的能量，換句話說，在理想光纖通信系統(tǒng)中，當(dāng)要求誤碼率為10-9時(shí)，光接收機(jī)所接收的每個(gè)“1”碼光脈沖的最少平均光子數(shù)為21個(gè)。 或者用下式表示 （4-6

27、6） 由此可知，理想接收機(jī)的靈敏度僅與光信號(hào)速率、光波頻率（或波長）、檢測(cè)器的量子效率有關(guān)。 /21hfEd/5 .10bRhcfP 62工程中靈敏度的計(jì)算工程中靈敏度的計(jì)算 在實(shí)際工程應(yīng)用中，接收機(jī)所需的最小接收光功率可按如下近似公式計(jì)算。當(dāng)光電檢測(cè)器為PIN時(shí)： （W）（4-70）當(dāng)光電檢測(cè)器為APD時(shí)： （W） （4-71）式中fb為系統(tǒng)碼速M(fèi)bit/s，fb0為基準(zhǔn)計(jì)算碼速，fb0=25Mbit/s。 2/3089)(1025. 310bbReffPP，6/7099)(1064. 110bbReffPP，634.5.3 影響靈敏度的因素影響靈敏度的因素 由上述計(jì)算接收機(jī)最小接收光功率的公式中看出，在一定誤碼率條件下，影響接收機(jī)靈敏度的因素有：碼間干擾、消光比、暗電流、量子效率、光波波長、信號(hào)速率、各種噪聲等。下面只對(duì)碼間干擾、消光比、暗電流的影響進(jìn)行分析。64碼間干擾的影響碼間干擾的影響 在光纖通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)的輸入光脈沖信號(hào)寬度與光發(fā)送脈沖及光纖的帶寬有關(guān)。在光纖色散較大的情況下，