第5章 光探測及光接收機

1、第第 3、4 章提問問題章提問問題 一、選擇題一、選擇題1. DFB激光器的工作原理與激光器的工作原理與F-P腔腔LD的工作原理不同，其的工作原理不同，其主要區(qū)別是主要區(qū)別是DFB激光器激光器 (a) 反射只發(fā)生在解理端面，在腔體的任一點，都是這些反射只發(fā)生在解理端面，在腔體的任一點，都是這些端面反射的左右行波的干涉端面反射的左右行波的干涉 (b) 在腔體內(nèi)部具有一個對波長有選擇性的衍射光柵，在在腔體內(nèi)部具有一個對波長有選擇性的衍射光柵，在腔內(nèi)的每一點都有反射，從而使只有滿足布拉格波長條腔內(nèi)的每一點都有反射，從而使只有滿足布拉格波長條件的光波才能建立起振蕩件的光波才能建立起振蕩2. 2. 激光

2、器起振的閾值條件是激光器起振的閾值條件是: :( (a) a) 受激發(fā)射使腔內(nèi)獲得的光增益正好與腔內(nèi)損耗受激發(fā)射使腔內(nèi)獲得的光增益正好與腔內(nèi)損耗相抵消相抵消( (b) b) 諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干一、選擇題一、選擇題3. LD和和 LED的主要區(qū)別是：的主要區(qū)別是：(a) LD本質(zhì)上是非相干光源，譜線較寬；而本質(zhì)上是非相干光源，譜線較寬；而 LED 卻相反卻相反(b) LD是相干光源，它的譜線很窄；而是相干光源，它的譜線很窄；而LED卻相反卻相反4. 直接調(diào)制是信息信號直接調(diào)制光源的直接調(diào)制是信息信號直接調(diào)制光源的(a) 輸出光強輸出光強 (b) 輸出

3、光的相位輸出光的相位5. 光隔離器是一種只允許單方向傳輸光的器件，通常用于消光隔離器是一種只允許單方向傳輸光的器件，通常用于消除除:(a) 反射光的影響反射光的影響(b) 色散的影響色散的影響6. 在由四分之一波長厚的多層介質(zhì)膜組成的電介質(zhì)鏡中，所在由四分之一波長厚的多層介質(zhì)膜組成的電介質(zhì)鏡中，所有從前后相挨的兩個界面上反射的波都具有有從前后相挨的兩個界面上反射的波都具有(a) 相長干涉的特性相長干涉的特性(相位差為相位差為180度度)(b) 相消干涉的特性相消干涉的特性經(jīng)過幾層這樣的反射后，透射光強度將很小，而反射系數(shù)經(jīng)過幾層這樣的反射后，透射光強度將很小，而反射系數(shù)將達到將達到 1。二、填

4、空題二、填空題1. 是把兩個光纖端面結(jié)合在一起，是把兩個光纖端面結(jié)合在一起，以實現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性以實現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性(固定固定)連連接。接。2. DFB激光器腔體損耗與激光器腔體損耗與 有關(guān)有關(guān)3. 激光器的閾值電流和輸出功率激光器的閾值電流和輸出功率對對 很敏感。很敏感。三、名詞解釋三、名詞解釋1. DFB2. 光環(huán)行器光環(huán)行器3. 連接器連接器4. 耦合器耦合器5. 光開關(guān)光開關(guān)6 波分復(fù)用器波分復(fù)用器第五章第五章 光探測及光接收機光探測及光接收機 光電檢測器原理、性能和分類光電檢測器原理、性能和分類 直接檢測接收機的構(gòu)成、信噪比、靈敏直接檢測接收機的構(gòu)成、信噪比、靈敏度和

5、比特誤碼率度和比特誤碼率光探測器光探測器前前 言言 發(fā)射機發(fā)射的光信號經(jīng)光纖傳輸后，由第二章發(fā)射機發(fā)射的光信號經(jīng)光纖傳輸后，由第二章我們知道，不僅幅度衰減了，而且脈沖波形也我們知道，不僅幅度衰減了，而且脈沖波形也展寬了展寬了。 光接收機的作用就是檢測經(jīng)過傳輸后的微弱光光接收機的作用就是檢測經(jīng)過傳輸后的微弱光信號，并放大、整形、再生成原輸入信號。信號，并放大、整形、再生成原輸入信號。 它的主要器件是利用光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)樗闹饕骷抢霉怆娦?yīng)把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕墓怆姍z測器。電信號的光電檢測器。 對光電檢測器的要求是靈敏度高、響應(yīng)快、噪對光電檢測器的要求是靈敏度高、響應(yīng)快、噪聲小、成本低

6、和可靠性高，并且它的光敏面應(yīng)聲小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面應(yīng)與光纖芯徑匹配。與光纖芯徑匹配。 用半導(dǎo)體材料制成的光電檢測器正好滿足這些用半導(dǎo)體材料制成的光電檢測器正好滿足這些要求。要求。5.1 光探測原理光探測原理 發(fā)生受激吸收產(chǎn)生一個電子空穴對發(fā)生受激吸收產(chǎn)生一個電子空穴對; 在在 PN 結(jié)施加反向電壓的情況下，受結(jié)施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子激吸收過程生成的電子 空穴對，在空穴對，在電場的作用下，在外電路形成光生電電場的作用下，在外電路形成光生電流。流。 當(dāng)入射功率變化時，光生電流也隨之當(dāng)入射功率變化時，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)變成電流線性變化，從而把

7、光信號轉(zhuǎn)變成電流信號。信號。 假如入射光子的能量超過禁帶能量假如入射光子的能量超過禁帶能量 Eg，耗盡區(qū)每次吸收一個光子，將產(chǎn)生一個耗盡區(qū)每次吸收一個光子，將產(chǎn)生一個電子空穴對，發(fā)生受激吸收。電子空穴對，發(fā)生受激吸收。光探測原理光探測原理-受激吸收受激吸收Ec c吸收光子后吸收光子后產(chǎn)生電子產(chǎn)生電子Ev光子光子h 輸入輸入(輸出電流)(輸出電流)在在 PN 結(jié)施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子結(jié)施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子 空穴空穴對在電場的作用下對在電場的作用下, 分別離開耗盡區(qū)，電子向分別離開耗盡區(qū)，電子向 N 區(qū)漂移，空穴向區(qū)漂移，空穴向 P 區(qū)漂移，空穴和從負

8、電極進入的電子復(fù)合，電子則離開區(qū)漂移，空穴和從負電極進入的電子復(fù)合，電子則離開 N 區(qū)進入?yún)^(qū)進入正電極。從而在外電路形成光生電流。正電極。從而在外電路形成光生電流。當(dāng)入射功率變化時，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)當(dāng)入射功率變化時，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)變成電流信號。變成電流信號。W為禁帶寬度，又稱為耗盡區(qū)寬度。為禁帶寬度，又稱為耗盡區(qū)寬度。圖圖5.1.1 PN結(jié)光電檢測原理說明結(jié)光電檢測原理說明入入射射光光hvEgSiO2P+h+e-+ERIpVoutW抗抗反反射射膜膜電電極極電電極極耗耗盡盡區(qū)區(qū)Pin空空穴穴h+e-電電子子負負載載電電阻阻RIp光光生生電電流流輸輸出

9、出電電壓壓L LL LN(a) 反反向向偏偏置置的的 PN 結(jié)結(jié), ,當(dāng)當(dāng)光光入入射射時時, ,光光生生電電子子空空穴穴對對分分別別向向N N區(qū)區(qū)和和P P區(qū)區(qū)漂漂移移，在在外外電電路路產(chǎn)產(chǎn)生生光光生生電電流流W= = m幾幾光電檢測器響應(yīng)度光電檢測器響應(yīng)度5.2 光電探測器光電探測器光纖通信中最常用的光電檢測器是光纖通信中最常用的光電檢測器是: PIN 光電二極管光電二極管 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD) 現(xiàn)分別介紹如下現(xiàn)分別介紹如下5.2.1 PIN光電二極管光電二極管-工作原理工作原理簡單的簡單的 PN 結(jié)光電二極管具有兩個主結(jié)光電二極管具有兩個主要的缺點。要的缺點。 首先，它的

10、結(jié)電容或耗盡區(qū)電容較大，首先，它的結(jié)電容或耗盡區(qū)電容較大，RC 時間常數(shù)較大，不利于高頻調(diào)制。時間常數(shù)較大，不利于高頻調(diào)制。 其次，它的耗盡層寬度最大也只有幾微其次，它的耗盡層寬度最大也只有幾微米，此時長波長的穿透深度比耗盡層寬米，此時長波長的穿透深度比耗盡層寬度度 W 還大，所以大多數(shù)光子沒有被耗盡還大，所以大多數(shù)光子沒有被耗盡層吸收，因此長波長的量子效率很低。層吸收，因此長波長的量子效率很低。為了克服為了克服 PN 管存在的問題，人們采用管存在的問題，人們采用 PIN 光電二極管光電二極管PIN 二極管與二極管與 PN 二極管的主要區(qū)別是，在二極管的主要區(qū)別是，在 P 和和 N 層之間加入

11、了層之間加入了一個一個 I 層，作為耗盡層。層，作為耗盡層。I 層的寬度較寬，約有（層的寬度較寬，約有（5 50） m，可吸收絕大多數(shù)光子，使光生電流增加。可吸收絕大多數(shù)光子，使光生電流增加。圖圖5.2.1 PIN光電二極管光電二極管入入射射光光hvEgSiO2P+h+e-+EIpVout抗抗反反射射膜膜電電極極電電極極耗耗盡盡區(qū)區(qū)Pin輸輸出出電電壓壓RL反反向向偏偏置置的的PIN,因因耗耗盡盡區(qū)區(qū)較較寬寬, ,可可以以吸吸收收絕絕大大多多數(shù)數(shù)光光生生電電子子和和空空穴穴對對, ,使使量量子子效效率率提提高高I-SiWN+Vr-RLCdIpVout空空穴穴h+e-電電子子負負載載電電阻阻RI

12、p光光生生電電流流L LW= = m550EVr/WCdP PI IN N管管分分布布電電容容WACrd01. PIN光電二極管的響應(yīng)時間光電二極管的響應(yīng)時間由光生載流子穿越耗盡層的寬度由光生載流子穿越耗盡層的寬度 W 所決所決定。增加定。增加 W 可可吸收吸收更多的光子，從而增加更多的光子，從而增加量子效率，但是載流子穿越量子效率，但是載流子穿越 W 的時間增的時間增加，響應(yīng)速度變慢。載流子在加，響應(yīng)速度變慢。載流子在 W 區(qū)的漂移區(qū)的漂移時間為時間為dtrVWt (5.2.2)式中式中dV是漂移速度。為了減小漂移時間，是漂移速度。為了減小漂移時間，可增加施加的電壓?？稍黾邮┘拥碾妷?。2.

13、光電二極管的響應(yīng)波長光電二極管的響應(yīng)波長 光電二極管的響應(yīng)波長光電二極管的響應(yīng)波長響應(yīng)曲線如下圖所示：各種光電探測器的波長工作。，適用于長波長波段范圍為光電二極管的波長響應(yīng)和作；，適用于短波長波段工范圍為光電二極管的波長響應(yīng)響應(yīng)都有一定的范圍。光電二極管對光波長的因此，不同材料制成的降低。，從而使光電轉(zhuǎn)換效率能有效地轉(zhuǎn)換成光電流空穴對不域里產(chǎn)生的電子電場區(qū)域，在零電場區(qū)層里往往存在著一個零里，光電二極管的表面結(jié)的結(jié)區(qū)附近的耗盡層反向偏壓主要是加在二層里被吸收。面光子在光電二極管的表大，結(jié)果使大量的入射對光的吸收系數(shù)變得很射光波長很短時，材料數(shù)是波長的函數(shù)。當(dāng)入因為材料對光的吸收系一：會大大下降

14、。原因有二太短時，光電轉(zhuǎn)換效率波長。當(dāng)入射光波長止波長外，還有下截止光電二極管除了有上截mInGaAsGemSiPN6 . 11 . 10 . 15 . 0-.圖圖5.2.2 PIN光電二極管光電二極管的波長響應(yīng)曲線的波長響應(yīng)曲線6008001000120014001600180000.20.40.60.81.090%70%50%30%10%InGaAsPGeInGaAsSi(nm)波長波長( )R響響應(yīng)應(yīng)度度量子效率量子效率3. PIN光電二極管的性能參數(shù)光電二極管的性能參數(shù) 量子效率量子效率 響應(yīng)度響應(yīng)度 R 暗電流暗電流 ，表示無光照時出現(xiàn)的反向電，表示無光照時出現(xiàn)的反向電流，它影響接收

15、機的信噪比流，它影響接收機的信噪比; 響應(yīng)速度響應(yīng)速度, 它表示對光信號的反應(yīng)能力，它表示對光信號的反應(yīng)能力，常用對光脈沖響應(yīng)的上升或下降沿表示常用對光脈沖響應(yīng)的上升或下降沿表示; 結(jié)電容結(jié)電容 (pF), 它影響響應(yīng)速度。它影響響應(yīng)速度。RqhvhvPqIinP24.1hvqRdIdC例題例題 PIN光電二極管的靈敏度光電二極管的靈敏度5.2.2 雪崩光電二極管雪崩光電二極管 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）是利用雪崩倍增效應(yīng)是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度探測器。使光電流得到倍增的高靈敏度探測器。 APD的光敏面是的光敏面是 區(qū)，緊接著是三個摻雜濃區(qū)，緊接著是三個摻雜濃

16、度逐漸加大的度逐漸加大的P區(qū)，分別標(biāo)記為區(qū)，分別標(biāo)記為P,和和 。 APD的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計，使它能承受高的反向偏的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計，使它能承受高的反向偏壓，從而在壓，從而在 PN 結(jié)內(nèi)部形成一個高電場區(qū)。結(jié)內(nèi)部形成一個高電場區(qū)。 APD能提供內(nèi)部增益能提供內(nèi)部增益,且工作速度高，且工作速度高，已廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中。已廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中。PN光生的電子光生的電子 空穴對經(jīng)過高電場區(qū)時被加速。從而獲得足夠的能空穴對經(jīng)過高電場區(qū)時被加速。從而獲得足夠的能量，它們在高速運動中與量，它們在高速運動中與 P 區(qū)晶格上的原子碰撞，使晶格中的原區(qū)晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子電離，從而產(chǎn)生新的電子子電離，

17、從而產(chǎn)生新的電子 空穴對。這種通過碰撞電離產(chǎn)生的空穴對。這種通過碰撞電離產(chǎn)生的電子電子 空穴對，稱為二次電子空穴對，稱為二次電子 空穴對。空穴對。新產(chǎn)生的二次電子和空穴在高電場區(qū)里運動時又被加速，又可能新產(chǎn)生的二次電子和空穴在高電場區(qū)里運動時又被加速，又可能碰撞別的原子，這樣多次碰撞電離的結(jié)果，使載流子迅速增加，碰撞別的原子，這樣多次碰撞電離的結(jié)果，使載流子迅速增加，反向電流迅速加大，形成雪崩倍增效應(yīng)。反向電流迅速加大，形成雪崩倍增效應(yīng)。1. APD工工作作原原理理SiO2P+h+e-ERIpVout電電極極電電極極耗耗盡盡區(qū)區(qū)入入射射光光hvEgL L(a)雪雪崩崩光光電電二二極極管管（A

18、AP PD D）的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)WN+Vr-P E( )x0 0各各區(qū)區(qū)電電場場分分布布, ,雪雪崩崩發(fā)發(fā)生生在在P P區(qū)區(qū)，吸吸收收發(fā)發(fā)生生在在 區(qū)區(qū)(b)x吸吸收收區(qū)區(qū)雪雪崩崩區(qū)區(qū) EN+ Ph+e-雪雪崩崩區(qū)區(qū)(a)離離子子碰碰撞撞過過程程釋釋放放電電子子空空穴穴對對，導(dǎo)導(dǎo)致致雪雪崩崩晶晶格格2. 平均雪崩增益平均雪崩增益通常用通常用平均雪崩增益平均雪崩增益 M 來表示來表示 APD 的的倍增大小，倍增大小，M定義為定義為PMIIM (5.2.4)式中式中PI是初始的光生電流是初始的光生電流，MI是倍增后的是倍增后的總輸出電流的平均值?？傒敵鲭娏鞯钠骄?。M也與結(jié)上所加的也與結(jié)上所加的反向偏

19、壓有關(guān)。反向偏壓有關(guān)。5.2.3 響應(yīng)帶寬響應(yīng)帶寬光電二極管響應(yīng)帶寬定義光電二極管響應(yīng)帶寬定義光發(fā)光發(fā)射機射機LD光纖光纖t光接光接收機收機PD 頻率為 的頻率為 的正弦電信號正弦電信號f調(diào)制頻率調(diào)制頻率 f正弦信號正弦信號 f=(a)傳輸模擬信號的光纖線路(a)傳輸模擬信號的光纖線路0ff3dB el頻率頻率Phig f/Plow f1.00.5電帶寬電帶寬(b)光電二極管(b)光電二極管 響應(yīng)帶寬 響應(yīng)帶寬 上升時間定義為輸入階躍光功率時，探測器輸上升時間定義為輸入階躍光功率時，探測器輸出光電流最大值的出光電流最大值的 10 % 到到 90 % 所需的時間。所需的時間。上升時間定義上升時間

20、定義090%10%Tr=0.7 00.90.1tVoutTr01.0tVin線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)RCVinVouti(a) 階躍脈沖作用于線性系統(tǒng)階躍脈沖作用于線性系統(tǒng)(b)方波作用于方波作用于 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)受受 RC 時間常數(shù)限制的帶寬時間常數(shù)限制的帶寬35. 035. 022 . 22 . 2)9(33333dBrdBrdBdBrdBrrrfTfTffTfTRCCRRCRCInTRCfT成反比關(guān)系，與即的關(guān)系為與帶寬該系統(tǒng)的上升時間電路的電阻和電容值。分別是和式中的上升時間為下，該電路電路，在階躍脈沖作用對于一個成反比。與系統(tǒng)帶寬上升時間成反比與系統(tǒng)帶寬上升時間fTr圖圖5.2.2 APD

21、 波長響應(yīng)曲線波長響應(yīng)曲線6008001000 1200140016001800124710010357050403020InGaAsGeSi(nm)波長波長( )R響響應(yīng)應(yīng)度度例題例題 帶寬帶寬例題例題 InGaAs APD響應(yīng)度響應(yīng)度例題例題 Si APD5.2.4 MSM光電探測器光電探測器 金屬金屬-半導(dǎo)體半導(dǎo)體-金屬（金屬（MSM, Metal-Semiconductor-Metal）光電探測器與光電探測器與PN結(jié)二極管結(jié)構(gòu)不同。它是另一種類型的結(jié)二極管結(jié)構(gòu)不同。它是另一種類型的光電探測器。光電探測器。 然而，它的光然而，它的光/電轉(zhuǎn)換的基本原理卻仍然電轉(zhuǎn)換的基本原理卻仍然相同，即入

22、射光子產(chǎn)生電子相同，即入射光子產(chǎn)生電子-空穴對，電空穴對，電子子-空穴對的流動就產(chǎn)生了光生電流。空穴對的流動就產(chǎn)生了光生電流。圖圖5.2.5 MSM光電探測器結(jié)構(gòu)光電探測器結(jié)構(gòu)+ +_ _有源區(qū)有源區(qū)金屬電極金屬電極 m1MSM光電光電探測器原理探測器原理+ +_ _有有源源區(qū)區(qū)金屬金屬電極電極 象手指狀的平面金屬電極沉淀在半導(dǎo)體的表面，這些電極象手指狀的平面金屬電極沉淀在半導(dǎo)體的表面，這些電極交替地施加電壓，所以這些電極間存在著相當(dāng)高的電場。交替地施加電壓，所以這些電極間存在著相當(dāng)高的電場。 光子撞擊電極間的半導(dǎo)體材料，產(chǎn)生電子光子撞擊電極間的半導(dǎo)體材料，產(chǎn)生電子-空穴對，然后電空穴對，然后

23、電子被正極吸引過去，而空穴被負極吸引過去，于是就產(chǎn)生子被正極吸引過去，而空穴被負極吸引過去，于是就產(chǎn)生了光生電流。了光生電流。 與與PIN和和APD探測器相比，這種結(jié)構(gòu)的結(jié)電容小，所以它的探測器相比，這種結(jié)構(gòu)的結(jié)電容小，所以它的帶寬大，這種器件很有可能工作在帶寬大，這種器件很有可能工作在300GHz。另外它的制造另外它的制造也容易。也容易。 但缺點是靈敏度低（但缺點是靈敏度低（0.4 0.7A/W），），因為半導(dǎo)體材料的一因為半導(dǎo)體材料的一部分面積被金屬電極占據(jù)了，所以有源區(qū)的面積減小了。部分面積被金屬電極占據(jù)了，所以有源區(qū)的面積減小了。5.3 數(shù)字光接收機數(shù)字光接收機 接收機的設(shè)計很大程度上

24、取決于發(fā)射機使用接收機的設(shè)計很大程度上取決于發(fā)射機使用的調(diào)制方式，特別是與傳輸信號的種類，即的調(diào)制方式，特別是與傳輸信號的種類，即模擬或數(shù)字信號有關(guān)。模擬或數(shù)字信號有關(guān)。 因為大多數(shù)光波系統(tǒng)使用數(shù)字調(diào)制方式，所因為大多數(shù)光波系統(tǒng)使用數(shù)字調(diào)制方式，所以在本章中，我們集中討論數(shù)字光接收機。以在本章中，我們集中討論數(shù)字光接收機。關(guān)于模擬接收機的設(shè)計，我們將在第六章和關(guān)于模擬接收機的設(shè)計，我們將在第六章和第八章中討論。第八章中討論。 數(shù)字光接收機最主要的性能指標(biāo)是接收光的數(shù)字光接收機最主要的性能指標(biāo)是接收光的靈敏度和光的動態(tài)范圍。靈敏度和光的動態(tài)范圍。圖圖5.3.1 數(shù)字光接收機原理組成圖數(shù)字光接收機

25、原理組成圖均均衡衡濾濾波波信信號號光光光光探探測測器器電電壓壓供供給給光光電電變變換換和和前前放放前前放放主主放放自自動動增增益益控控制制線線性性放放大大判判決決電電路路時時鐘鐘恢恢復(fù)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)恢恢復(fù)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)輸輸出出 接收機前端的光電二極管通常采用PIN或APD,它是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，直接影響光接收機的靈敏度。 低噪聲前置放大器的作用是放大光電二極管產(chǎn)生的微弱電信號，以供主放大器進一步放大和處理。 由于干擾和噪聲的影響，接收機不是對任何微弱信號都能正確接收的。雖然放大器的增益可以做得很大，但在弱信號被放大的同時，噪聲也被放大了，當(dāng)接收信號太弱時，必定會被噪聲淹沒。信號光信號光光探光探測

26、器測器電壓電壓供給供給光電變換和前放光電變換和前放前放前放5.3.1 前置前置放大器放大器 前置放大器在減弱或防止電磁干擾和抑制噪聲方前置放大器在減弱或防止電磁干擾和抑制噪聲方面起著特別重要的作用，所以精心設(shè)計前置放大面起著特別重要的作用，所以精心設(shè)計前置放大器就顯得特別重要。器就顯得特別重要。 光電二極管把光比特流轉(zhuǎn)變成隨時間變化的電信光電二極管把光比特流轉(zhuǎn)變成隨時間變化的電信號。前置放大器的作用是放大該電信號，以供主號。前置放大器的作用是放大該電信號，以供主放大器進一步放大和處理。放大器進一步放大和處理。 前置放大器的設(shè)計前置放大器的設(shè)計,要求在帶寬和靈敏度之間進行要求在帶寬和靈敏度之間進

27、行折衷。折衷。圖圖5.3.2 光接收機光接收機前置放大器等效電路前置放大器等效電路前前放放GID RLCT高高阻阻型型前前放放G RLIDCT 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移阻阻抗抗型型 負載電阻跨接到反向負載電阻跨接到反向放大器的輸入和輸出放大器的輸入和輸出端，盡管端，盡管RL仍然很大，仍然很大，但負反饋使輸入阻抗但負反饋使輸入阻抗減小了減小了G 倍，因此帶倍，因此帶寬也比高阻抗放大器寬也比高阻抗放大器的擴大了的擴大了G 倍。倍。 它的靈敏度高、頻帶它的靈敏度高、頻帶寬。動態(tài)范圍也比高寬。動態(tài)范圍也比高阻抗前置放大器的大。阻抗前置放大器的大。因此光接收機常使用因此光接收機常使用這種結(jié)構(gòu)的前放。這種結(jié)構(gòu)的前放。前放

28、前放G RLIDCT 轉(zhuǎn)移阻抗型轉(zhuǎn)移阻抗型轉(zhuǎn)移阻抗前置放大器轉(zhuǎn)移阻抗前置放大器濾濾波波主放主放自動增自動增益控制益控制均均衡衡5.3.2 線性放大線性放大 由主放大器、低通濾波器由主放大器、低通濾波器和自動增益控制電路組成。和自動增益控制電路組成。 有時候，為了校正和補償有時候，為了校正和補償前端對帶寬的限制，在主前端對帶寬的限制，在主放大器之前還要插入一個放大器之前還要插入一個均衡器。均衡器。 低通濾波器的作用是整形低通濾波器的作用是整形電壓脈沖，減小噪聲，同電壓脈沖，減小噪聲，同時避免引入更多的碼間干時避免引入更多的碼間干擾。擾。 采用自動增益控制電路，采用自動增益控制電路，在接收機平均入

29、射光功率在接收機平均入射光功率一定的變化范圍內(nèi)，可以一定的變化范圍內(nèi)，可以把放大器的增益自動控制把放大器的增益自動控制在固定的輸出電平上在固定的輸出電平上。判決判決電路電路時鐘時鐘恢復(fù)恢復(fù)數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸出輸出5.3.3 數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)恢復(fù) 數(shù)據(jù)恢復(fù)電路包括判決電路數(shù)據(jù)恢復(fù)電路包括判決電路和時鐘恢復(fù)電路。和時鐘恢復(fù)電路。 它的任務(wù)是把均衡器輸出的它的任務(wù)是把均衡器輸出的升余弦信號恢復(fù)成數(shù)字信號。升余弦信號恢復(fù)成數(shù)字信號。 首先要提取時鐘信號，在最首先要提取時鐘信號，在最佳的取樣時間對升余弦信號佳的取樣時間對升余弦信號進行取樣，然后將取樣幅度進行取樣，然后將取樣幅度與判決閾值進行比較，確

30、定與判決閾值進行比較，確定碼元是碼元是“0”還是還是“1”，從，從而把升余弦波形恢復(fù)再生成而把升余弦波形恢復(fù)再生成原傳輸?shù)臄?shù)字信號。原傳輸?shù)臄?shù)字信號。 最佳的判決時間應(yīng)是升余弦最佳的判決時間應(yīng)是升余弦波形的正負峰值點，這時取波形的正負峰值點，這時取樣幅度最大，抵抗噪聲的能樣幅度最大，抵抗噪聲的能力最強。力最強。選取最佳的判決時間選取最佳的判決時間 01010100 01011010 P tt發(fā)射信號發(fā)射信號誤碼誤碼判決判決時刻時刻判決判決門限門限噪聲噪聲(a)在接收端探測到的在接收端探測到的帶有噪聲的信號帶有噪聲的信號 Str(b)(c)tDtDtDtDtDtDtDtD由于噪聲疊加由于噪聲疊加

31、, ,“0 0 ”碼，”碼，在判決時刻變成在判決時刻變成使“1”碼使“1”碼經(jīng)判決電路后產(chǎn)生了一個誤碼。經(jīng)判決電路后產(chǎn)生了一個誤碼。IDI取樣值取樣值判決判決時刻時刻5.3.4 眼圖分析法眼圖分析法 在實驗室里觀察碼間干擾是否存在的最直觀、在實驗室里觀察碼間干擾是否存在的最直觀、最簡單的方法是眼圖分析法。最簡單的方法是眼圖分析法。通常誤碼率的典通常誤碼率的典型值為型值為109。 將均衡濾波器輸出的隨機脈沖序列輸入到示波將均衡濾波器輸出的隨機脈沖序列輸入到示波器的器的 Y 軸，用時鐘信號作為外觸發(fā)信號，就可軸，用時鐘信號作為外觸發(fā)信號，就可觀察到眼圖。觀察到眼圖。 眼圖的張開度受噪聲和碼間干擾的

32、影響，當(dāng)輸眼圖的張開度受噪聲和碼間干擾的影響，當(dāng)輸出端信噪比很大時，張開度主要受碼間干擾的出端信噪比很大時，張開度主要受碼間干擾的影響。因此，觀察眼圖的張開度就可以估計出影響。因此，觀察眼圖的張開度就可以估計出碼間干擾的大小，這給均衡電路的調(diào)整提供了碼間干擾的大小，這給均衡電路的調(diào)整提供了簡單而適用的觀測手段。簡單而適用的觀測手段。NRZ碼數(shù)字光接收機眼圖碼數(shù)字光接收機眼圖 5.4 接收機信噪比接收機信噪比(SNR) 定義定義SNR為平均信號功率和噪聲功率之比為平均信號功率和噪聲功率之比 光接收機使用光電二極管，將入射光功率光接收機使用光電二極管，將入射光功率轉(zhuǎn)換為電流轉(zhuǎn)換為電流 當(dāng)入射光功率

33、不變時，兩種基本的噪聲，當(dāng)入射光功率不變時，兩種基本的噪聲，散粒噪聲和熱噪聲也會引起光生電流的起散粒噪聲和熱噪聲也會引起光生電流的起伏伏 電流起伏引入的電噪聲影響接收機性能電流起伏引入的電噪聲影響接收機性能 本節(jié)回顧噪聲機理，并討論光接收機的信本節(jié)回顧噪聲機理，并討論光接收機的信噪比噪比(SNR)5.4.1 PIN光接收機光接收機 SNR 熱噪聲受限SNR 當(dāng)均方根熱噪聲當(dāng)均方根熱噪聲 （散粒噪聲），（散粒噪聲）， 即即 很小時，接收機性能受限于熱噪聲，在很小時，接收機性能受限于熱噪聲，在上式中，忽略散粒噪聲后，上式中，忽略散粒噪聲后，SNR變?yōu)樽優(yōu)?該式表明在熱噪聲占支配地位時，該式表明在熱

34、噪聲占支配地位時，SNR隨隨 變化，且增加負載電阻也可以提高變化，且增加負載電阻也可以提高SNR。這就。這就是為什么大多數(shù)接收機使用高阻或轉(zhuǎn)移阻抗前是為什么大多數(shù)接收機使用高阻或轉(zhuǎn)移阻抗前置放大器的道理。置放大器的道理。sT22)4(innBLPfTFkRRSNR2inPinP散粒噪聲受限散粒噪聲受限 SNR5.4.2 APD 接收機接收機fFRTkfIRPFqMMRPISNRSNRAPDxAPDInGaAsGexAPDSiAPDxMFAPDFfIRPFqMfFRTkPINAPDnLBdinAinTsPxAAdinAsnLBT)/4()(2)(17 . 0/5 . 03 . 0.)(2)4(2

35、2222222為接收機的對于等有關(guān)的指數(shù)。器件的材料及結(jié)構(gòu)類型是與的過剩噪聲指數(shù)，是式中了附加的倍增噪聲：雪崩增益的影響，包含而散粒噪聲卻受到平均相同，即接收機的熱噪聲與。就體現(xiàn)不出大的優(yōu)越性倍，接收機的是接收機相比，此時的與與量子效率關(guān)系）與響應(yīng)度關(guān)系）中，散粒噪聲限制的接收機在大入射功率時，即受有很大的優(yōu)越性。大大提高，性能使得，因此在小入射光功率時倍。的的是的與前相比，噪聲限制接收機中，在小入射功率時，即熱AAinAinTsinnBLsTFPINSNRPINfhvFPfqFRPSNRSNRAPDMSNRPINSNRAPDPMfTFkRRSNR1(2(2)4(2222)(9 .12565.

36、19log10565.19105 .1110225103 . 8102 . 3)1015()(103 . 8101105003001038. 144)(102 . 31050010)515(106 . 12)(23001,1520,500,51181818182922218662321869192dBSNRdBISNRARfTkAfIIqKTFSNRnAInWPMHzfnAIMRPINInGaAsTsPLBTdPsnPindL數(shù)表示用熱噪聲散粒噪聲常溫下即解：放大器沒有噪聲，。信噪比計算接收機的產(chǎn)生平均光電流噪聲，入射光功率假如放大器沒有前置放大器帶寬二極管暗電流，光電光電二極管，負載電阻例：接收機使用5.5 接收機誤碼率和靈敏度接收機誤碼率和靈敏度 圖圖5.5.1 比特誤碼率比特誤碼率SrPtSD發(fā)射信號發(fā)射信號接收信號接收信號TXAMP噪聲噪聲光源光源探測器探測器判決判決 01010100 01011010 P tt發(fā)射信號發(fā)射信號誤碼誤碼判決判決時刻時刻判決判決門限門限噪聲噪聲(a)(b)在接收端探測到的在接收端探測到的帶有噪聲的信號帶有噪聲的信號 Str(c)(d)tDtDtDtDtDtDtDtD由于噪聲疊加由于噪聲疊加, ,“ 0 0 ”碼，”碼，在判決時刻變成在判決時刻變成使“1”碼使“1”碼經(jīng)判決電路后產(chǎn)生了一個誤碼。經(jīng)判決電路