第四章光檢測器與光接收機(jī)

1、第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)第四章 光檢測器與光接收機(jī) 在光纖通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)的任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真，恢復(fù)出光纖傳輸后由光載波所攜帶的信息，因此光接收機(jī)的輸出特性綜合反映了整個光纖通信系統(tǒng)的性能。 本章首先介紹光檢測器的原理與特性，然后以數(shù)字接收機(jī)為例對光接收機(jī)進(jìn)行詳細(xì)說明。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)第一節(jié)：第一節(jié)：概述概述第二節(jié)：光檢測器第二節(jié)：光檢測器第三節(jié)：數(shù)字接收機(jī)第三節(jié)：數(shù)字接收機(jī)第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 光接收機(jī)光接收機(jī)可分兩類：模擬接收機(jī)模擬接收機(jī)和數(shù)字接收機(jī)，數(shù)字接收

2、機(jī)，如下圖。 它們均由光檢測器光檢測器、低噪聲前置放大器及其他信低噪聲前置放大器及其他信號處理電路號處理電路組成。 數(shù)字接收機(jī)比較復(fù)雜，在主放大器后還有均衡濾波、定時提取與判決再生、峰值檢波與AGC放大等電路。 光檢測器的作用是把接收到的光信號轉(zhuǎn)換成光電流。 前置放大器的作用是對光檢測器生成的光電流進(jìn)行低噪聲放大。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 光纖通信接收機(jī)框圖(a)模擬接收機(jī); (b)數(shù)字接收機(jī)第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 光檢測器和低噪聲放大器構(gòu)成接收機(jī)前端接收機(jī)前端，其性能的優(yōu)劣是決定接收靈敏度接收靈敏度的主要因素主要因素。 主放大器的作用

3、是把前端輸出的毫伏級信號放大到后面信號處理電路所需的電平(13V(峰峰)。 其余電路則對信號進(jìn)行進(jìn)一步的處理、整形，以提高系統(tǒng)的性能，最后解調(diào)出發(fā)送信息。 衡量接收機(jī)性能的主要指標(biāo)主要指標(biāo)是接收靈敏度接收靈敏度及動態(tài)動態(tài)范圍范圍。1）接受靈敏度）接受靈敏度 接受靈敏度是指達(dá)到指定誤碼率誤碼率或信噪比信噪比時的最最小接收信號光功率小接收信號光功率，通常用dBm表示。 影響接受靈敏度的主要因素是光信號檢測過程及前置放大器中的各種噪聲各種噪聲。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)2）動態(tài)范圍 在實(shí)際的系統(tǒng)中，由于中繼距離、光纖損耗、連接器及熔接頭損耗不同，發(fā)送功率隨溫度的變化及老化原

4、因，接收光功率有一定的范圍。定義：定義： 最大允許的接收光功率與最小可接收光功率之差為光接收機(jī)的動態(tài)范圍動態(tài)范圍。 最大光功率最大光功率決定于非線性失真及前置放大器的飽和電平。 最小光功率最小光功率則決定于接受靈敏度。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)第二節(jié)第二節(jié) 光檢測器光檢測器 光纖通信系統(tǒng)對光檢測器的要求：在工作波長上光電轉(zhuǎn)換效率高，即對一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；響應(yīng)速度快，線性好及頻帶寬，使信號失真盡量小。；噪聲低，器件本身對信號的影響??；體積小、壽命長、高可靠、工作電壓低等。 在光纖通信中，滿足上述要求的光檢測器有兩種：PIN光電二極管光電二極管和

5、雪崩二極管雪崩二極管(APD)第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)一、光檢測器的工作原理一、光檢測器的工作原理1） PN結(jié)的光電效應(yīng)結(jié)的光電效應(yīng) 光電二極管（PD）是一個工作在反向偏壓反向偏壓下的PN結(jié)二極管，如下圖。由光電二極管作成的光檢測器的核心核心是PN結(jié)的光電效應(yīng)。 當(dāng)PN結(jié)加反向偏壓時，外加電場方向與PN結(jié)的內(nèi)建電場方向一致，勢壘加強(qiáng)，在PN結(jié)界面附近載流子基本上耗盡形成耗盡區(qū)耗盡區(qū)。當(dāng)光束入射到PN結(jié)上，且光子能量hv大于半導(dǎo)體材料的帶隙Eg時，價帶上的電價帶上的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶上子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶上，形成一個電子電子空穴空穴對對。 第第4 4章章

6、光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)半導(dǎo)體中的光發(fā)射(e)反向偏置的pn結(jié)第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 在耗盡區(qū)，在內(nèi)建電場的作用下電子向在耗盡區(qū)，在內(nèi)建電場的作用下電子向N區(qū)漂移，區(qū)漂移，空穴向空穴向P區(qū)漂移，如果區(qū)漂移，如果PN結(jié)外電路構(gòu)成回路，就會形結(jié)外電路構(gòu)成回路，就會形成光電流成光電流。當(dāng)入射光功率變化時，光電流也隨之線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。當(dāng)入射光子能量小于Eg時，不論入射光有多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足：gcghEhcE即存在 第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) c為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長，稱為截截

7、止波長止波長。 以Si為材料的光電二極管,c=1.06m;以Ge為材料的光電二極管，c=1.60m。 利用光電效應(yīng)可以制造出簡單的PN結(jié)光電二極管。但這種光電二極管結(jié)構(gòu)簡單，無法降低暗電流和提高響應(yīng)度，器件的穩(wěn)定度也比較差，實(shí)際上不適合做光纖通信的檢測器。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)2）PIN光電二極管光電二極管a、PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)光電二極管的結(jié)構(gòu) PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、N型半導(dǎo)體之間，生成一層摻雜極低的本征材料，稱為I層。在外加反向偏置電壓作用下，在外加反向偏置電壓作用下，I層中形成很寬的耗盡層層中形成很寬的耗盡層。 結(jié)構(gòu)如下圖： 由于I層吸收

8、系數(shù)很小，入射光可以很容易地進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量的電子電子空穴空穴對，因此大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。另外，I層兩側(cè)的P層、N層很薄，光生載流子的漂移時間很短，大大提高了器件的響應(yīng)速度。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)P+增 透 膜光電 極電 極(a)NPI電 極(b)PIN光電二極管結(jié)構(gòu) 第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)PIN光電二極管及能帶圖動畫演示第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)b、PIN光電二極管的特性光電二極管的特性 PIN光電二極管的主要特性包括波長響應(yīng)范圍波長響應(yīng)范圍、響應(yīng)度響應(yīng)度、量子效率量子效率、響應(yīng)速度響

9、應(yīng)速度及噪聲特性噪聲特性等。q波長響應(yīng)范圍波長響應(yīng)范圍 不同半導(dǎo)體材料存在著上限波長即截止波長截止波長。當(dāng)入射波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于截止波長時，光電轉(zhuǎn)換效率會大大降低。 因此，半導(dǎo)體光電檢測器只可以對一定波長范圍的光信號進(jìn)行有效的光電轉(zhuǎn)換，這一波長范圍就是波波長響應(yīng)范圍長響應(yīng)范圍。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 由于半導(dǎo)體材料對光的吸收，光在材料中按指數(shù)率衰減，因此在厚度W的材料內(nèi)被吸收的光功率為：WePWP)(01)( 式中：P0為入射光功率；()為材料吸收系數(shù)，其大小與材料性質(zhì)有關(guān)，且是波長的函數(shù)。 半導(dǎo)體材料的吸收作用隨波長減小而迅速增強(qiáng)，即隨波長減小而變大。 下圖為光纖通信

10、中用作光檢測器的幾種材料的吸收系數(shù)隨波長的變化情況。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)0.4波長 / m105GeGaAsSi吸收系數(shù) (cm1)In0.70Ga0.30As0.64P0.36In0.53Ga0.47As1041031021010.60.81.01.21.41.61.8材料吸收系數(shù)隨波長的變化情況材料吸收系數(shù)隨波長的變化情況 第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 從圖中可以看出，當(dāng)波長很短時，材料的吸收系數(shù)很大，這樣，光在半導(dǎo)體材料表層即被吸收殆光在半導(dǎo)體材料表層即被吸收殆盡盡。在表層產(chǎn)生的光生載流子要擴(kuò)散到耗盡層才能產(chǎn)生光生電流，而在表層為零

11、電場擴(kuò)散區(qū)，擴(kuò)散速度很慢，在光生載流子還沒有到達(dá)耗盡層時就大量被復(fù)合掉了，使得光電轉(zhuǎn)換效率在波長很短時大大下降。 綜上所述，檢測某波長的光時要選擇合適材料檢測某波長的光時要選擇合適材料作成的光檢測器。作成的光檢測器。 首先首先，材料的帶隙決定了截止波長要大于被檢測的光波波長，否則材料對光透明透明，不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 其次其次，材料的吸收系數(shù)不能太大，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率。 SiPIN光電二極管的波長響應(yīng)范圍為0.51m。 GePIN和InGaAsPIN光電二極管的波長響應(yīng)范圍約為11.7m。q響應(yīng)度響應(yīng)度 響應(yīng)度是描述光檢測器能量轉(zhuǎn)換效率的一

12、個參量。它定義為：第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 其中，P0為入射到光電二極管上的光功率；Ip為所產(chǎn)生的光電流。它的單位為A/W。q量子效率量子效率 量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即：= 光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電子空穴對數(shù) 入射光子數(shù) 第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)其中,e為電子電荷，其值為1.610-19 C。所以有：1.24eRhf 式中,單位取m?？梢?，光電檢測器的響應(yīng)度隨光電檢測器的響應(yīng)度隨波長的增大而增大。波長的增大而增大。 下圖為PIN光電二極管的響應(yīng)度響應(yīng)度、量子效率量子效率與波波

13、長長的關(guān)系?？梢钥闯觯憫?yīng)度、量子效率隨著波長的響應(yīng)度、量子效率隨著波長的變化而變化。變化而變化。 為提高量子效率，必須減少入射表面的反射率，為提高量子效率，必須減少入射表面的反射率，使入射光子盡可能多地進(jìn)入使入射光子盡可能多地進(jìn)入PN結(jié)；同時減少光子在表結(jié)；同時減少光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在面層被吸收的可能性，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)內(nèi)被充分吸收。耗盡區(qū)內(nèi)被充分吸收。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)光電二極管響應(yīng)度、量子效率與波長的關(guān)系第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)q響應(yīng)速度響應(yīng)速度 響應(yīng)速度是光電檢測器的另一個重

14、要參數(shù)，通常通常用響應(yīng)時間（上升時間和下降時間）用響應(yīng)時間（上升時間和下降時間），如下圖來表示。 光檢測器的脈沖響應(yīng)第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 光電二極管在接收機(jī)中使用時通常由偏置電路與放大器相連，這樣檢測器的響應(yīng)特性必然與外電路相關(guān)檢測器的響應(yīng)特性必然與外電路相關(guān)。 如下圖，為檢測器電路及其等效電路，其中CPN為檢測器的結(jié)電容； Rb為偏置電阻；Ra、Ca分別為放大器的輸入電阻和輸入電容； Rs為檢測器的串聯(lián)電阻，通常只有幾歐，可以忽略。 影響響應(yīng)速度的主要因素有：影響響應(yīng)速度的主要因素有： （1）檢測器及其有關(guān)電路的RC時間常數(shù)，設(shè)它造成的脈沖前沿上升時間為：RC

15、 要提高響應(yīng)速度，就要降低整個電路的時間常數(shù)。要提高響應(yīng)速度，就要降低整個電路的時間常數(shù)。從檢測器本身來看，就要盡可能降低結(jié)電容從檢測器本身來看，就要盡可能降低結(jié)電容第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)光檢測器電路及等效電路第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)WACPN 式中，為材料的介電常數(shù)，A為結(jié)面積，W為耗盡區(qū)厚度。 （2）載流子漂移通過耗盡區(qū)的渡越時間，設(shè)上升時間為： dr 光電二極管的響應(yīng)速度主要受到耗盡區(qū)內(nèi)的載主要受到耗盡區(qū)內(nèi)的載流子在電場作用下的漂移通過所需時間流子在電場作用下的漂移通過所需時間(即渡越時間即渡越時間)的限制。的限制。ddrvWt渡

16、越時間：第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 式中，vd為光身載流子的漂移速度。 漂移運(yùn)動的速度與電場強(qiáng)度有關(guān)，電場強(qiáng)度較低時，漂移速度正比于電場強(qiáng)度，當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到某一值后，漂移速度不再變化。 （3）耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散引起的延遲，設(shè)）耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散引起的延遲，設(shè)上升時間為：上升時間為： di 耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子一部分復(fù)合，一部分?jǐn)U散到耗盡區(qū)，被電路吸收。 由于擴(kuò)散速度比漂移速度慢得多，因此，這部分載流子會帶來附加時延，會使輸出電信號脈沖拖尾加長。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)總的上升時間為：總的上升時間為：21222didrRCr第第4

17、 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)q噪聲特性 光電二極管的噪聲包括量子噪聲量子噪聲、暗電流噪聲暗電流噪聲、漏電流噪聲漏電流噪聲以及負(fù)載電阻的熱噪聲負(fù)載電阻的熱噪聲。 除負(fù)載電阻的熱噪聲以外，其它都為散彈噪聲。散彈噪聲散彈噪聲是由于帶電粒子產(chǎn)生和運(yùn)動的隨機(jī)性而引起的一種具有均勻頻譜的白噪聲。 量子噪聲量子噪聲是由于光電子產(chǎn)生和收集的統(tǒng)計(jì)特性造成的，與平均光電流Ip成正比。 來自噪聲電流的均方值可表示為：22sPieIff為噪聲帶寬第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 暗電流噪聲暗電流噪聲是當(dāng)沒有入射光時流過器件偏置電路的電流，它是由于PN結(jié)內(nèi)熱效應(yīng)產(chǎn)生的電子空穴對形成

18、的，是PIN的主要噪聲源主要噪聲源。暗電流的均方值可表示為：22ddieIf 式中，Id為暗電流平均值。當(dāng)偏置電壓增大時，當(dāng)偏置電壓增大時，暗電流增大暗電流增大。暗電流還隨著器件溫度的升高而增加暗電流還隨著器件溫度的升高而增加。暗電流的大小與光電二極管的結(jié)面積成正比暗電流的大小與光電二極管的結(jié)面積成正比，故常常用單位面積上的暗電流即暗電流密度來衡量。用單位面積上的暗電流即暗電流密度來衡量。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 下圖給出了幾種光電檢測器常用材料的暗電流密度與偏置電壓的關(guān)系。0105GeGaAsSiIn0.17Ga0.83AsIn0.15Ga0.85As歸一化偏置電

19、壓暗電流密度/ (A/mm2)1061071081091010101110120.20.40.60.81.0In0.31Ga0.69As第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 除此之外，光電二極管中還有表面漏電流表面漏電流。表面表面漏電流是由于器件表面物理特性的不完善，如表面漏電流是由于器件表面物理特性的不完善，如表面缺陷、不清潔和加有偏置電壓而引起的。缺陷、不清潔和加有偏置電壓而引起的。漏電流的均方值可表示為：22LLieIfIL為漏電流平均值 漏電流和暗電流一樣，都只能通過合理設(shè)計(jì)、良好的結(jié)構(gòu)以及嚴(yán)格的工藝來降低。 任何電阻都具有熱噪聲熱噪聲，只要溫度高于絕對零只要溫度高于絕

20、對零度，電阻中大量的電子就會在熱激勵下作無規(guī)則運(yùn)度，電阻中大量的電子就會在熱激勵下作無規(guī)則運(yùn)動，由此在電阻上形成無規(guī)則弱電流，造成電阻的動，由此在電阻上形成無規(guī)則弱電流，造成電阻的熱噪聲。熱噪聲。均方熱噪聲電流為 ：第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)24TkTfiR 式中，R為等效電阻，T為絕對溫度，k為玻爾茲曼常數(shù)。 因此，光電二極管的總均方噪聲電流為光電二極管的總均方噪聲電流為：242 ()PdLkTfie IIIfR 量子噪聲不同于熱噪聲，它伴隨著信號的產(chǎn)生而產(chǎn)生，隨著信號的增大而增大。當(dāng)沒有光入射時，信號消失，量子噪聲也同時消失。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢

21、測器與光接收機(jī)3）雪崩光電二極管（）雪崩光電二極管（APD）a、雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)、雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu) 當(dāng)耗盡區(qū)中的場強(qiáng)達(dá)到足夠高時場強(qiáng)達(dá)到足夠高時，入射光產(chǎn)生的電子或空穴將不斷被加速加速而獲得很高的能量很高的能量，這些高能量的電子和空穴在運(yùn)動過程中與晶格碰撞與晶格碰撞，使晶體中的原子電離原子電離，激發(fā)出新的電子新的電子空穴對空穴對。這些碰撞電離產(chǎn)生的電子和空穴在場中也被加速，也可以電離其它的原子。 經(jīng)過多次電離后，載流子迅速增加，形成雪崩雪崩倍增效應(yīng)倍增效應(yīng)。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) APD就是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。 下圖為一種被

22、稱為拉通型APD（RAPD）的結(jié)構(gòu)。 層為低摻雜區(qū)（接近本征態(tài)），而且很寬。當(dāng)偏壓加達(dá)到一定程度后，耗盡區(qū)將被拉通到層，一直抵達(dá)P+層。 這是一種全耗盡型結(jié)構(gòu)，具有光電轉(zhuǎn)換效率高光電轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快和附加噪聲低附加噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。 第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)一種稱為拉通型一種稱為拉通型APD(RAPD)的結(jié)構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)圖 (a)RAPD的結(jié)構(gòu)示意圖的結(jié)構(gòu)示意圖;(b)場分布示意圖場分布示意圖 動畫演示第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 倍增的高電場區(qū)集中在pn+結(jié)附近窄的區(qū)域內(nèi)。隨著偏置電壓的增加，結(jié)區(qū)的耗盡層逐漸加寬，直到p區(qū)的載流子全

23、部耗盡，是p區(qū)成為耗盡區(qū)。進(jìn)一步加大偏置電壓，耗盡區(qū)逐漸擴(kuò)大，直至“拉通”到整個區(qū)。 區(qū)較寬以提高量子效率。 區(qū)電場比pn+結(jié)區(qū)電場低。 入射光子在區(qū)吸收后建立一次電子空穴對，其中電子在電場作用下向pn+結(jié)漂移，并在pn+結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生雪崩倍增雪崩倍增；一次空穴則直接被P+吸收。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)b、雪崩光電二極管的特性、雪崩光電二極管的特性 與PIN相比，雪崩光電二極管的主要特性也包括波長響應(yīng)范圍、量子效率、響應(yīng)度、響應(yīng)速度等。 除此之外，由于APD中雪崩倍增效應(yīng)的存在，APD的特性還包括雪崩倍增特性雪崩倍增特性、倍增噪聲倍增噪聲、溫度特溫度特性性等。1)倍增因

24、子倍增因子 定義倍增因子g為APD輸出光電流Io和一次光生電流Ip的比值：opIgI第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) g值隨反向偏壓、波長和溫度而變化值隨反向偏壓、波長和溫度而變化。顯然，APD的響應(yīng)度比PIN增加了g倍。 現(xiàn)在APD的g值已達(dá)到幾十甚至上百。2) 噪聲特性噪聲特性 APD中的噪聲除了量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲之外，還有附加的倍增噪聲附加的倍增噪聲。 雪崩倍增效應(yīng)不僅對信號電流有放大作用，而且雪崩倍增效應(yīng)不僅對信號電流有放大作用，而且對噪聲電流也有放大作用對噪聲電流也有放大作用。同時雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的載流子也是隨機(jī)的，所以會引入新的噪聲成分。第第4 4章章

25、 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 用附加噪聲因子附加噪聲因子F(大于大于1）可描述雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性所引起的噪聲增加的倍數(shù)。 通常附加噪聲因子可表示為 ： F=g x 式中，x稱為附加噪聲指數(shù)，反映了不同材料的APD的附加噪聲的大小。 對于Si，x=0.30.5；對于Ge，x=0.61.0；對于InGaAsP，x=0.50.7。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) APD中表面漏電流不被倍增，熱噪聲與PIN的特性相同。 量子噪聲為：222222sPddieI fg FieI fg F暗電流噪聲為第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)3)溫度特性溫度特性 當(dāng)溫度

26、變化時，原子的熱運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起電子、空穴電離系數(shù)的變化，使得APD的增益也隨溫度而變化。隨著溫度的升高，倍增增益隨著溫度的升高，倍增增益下降。下降。 為保持穩(wěn)定的增益，需要在溫度變化的情況下進(jìn)行溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)第三節(jié)第三節(jié) 數(shù)字接收機(jī)數(shù)字接收機(jī)一、數(shù)字光接收機(jī)的組成 數(shù)字光接收機(jī)的組成如下圖所示，主要包括光光檢測器檢測器、前置放大器前置放大器、主放大器主放大器、均衡器均衡器、時鐘提時鐘提取電路取電路、取樣判決器取樣判決器以及自動增益控制（自動增益控制（AGC）電路電路等。光 檢 測 器光 信 號再 生 碼 流前 置放 大 器主

27、放 大 器均 衡 器判 決 器時 鐘提 取AGC電 路數(shù)字光接收機(jī)組成框圖第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 前置放大器前置放大器是低噪聲放大器，它的噪聲對光接收機(jī)的靈敏度影響很大。前置放大器的噪聲取決于放大器的類型。主放大器一般是多級放大器，它的作用是提供足夠的增益，并通過它實(shí)現(xiàn)自動增益控制（AGC），以使輸入光信號在一定范圍內(nèi)變化時，輸出電信號保持恒定不變。主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的動態(tài)范圍。 均衡器均衡器的目的是對經(jīng)光纖傳輸、光電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變（失真）的電信號進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出信號的波形適合于判決（一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形），以消除碼間干擾，減小誤碼

28、率。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 再生電路再生電路包括判決電路判決電路和時鐘提取電路時鐘提取電路，它的功能是從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元時鐘，并逐個對碼元波形進(jìn)行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。 數(shù)字光發(fā)射機(jī)的主要指標(biāo)有靈敏度靈敏度、誤碼率誤碼率和信噪比信噪比。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)二、數(shù)字接收機(jī)的噪聲二、數(shù)字接收機(jī)的噪聲 在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)檬怯伞?”和“1”組成的二進(jìn)制光脈沖信號，這是一種單極性碼，即光功率在“接通”和“斷開”兩個電平上變動。 按照“1”碼時碼元寬度相對于碼元周期T的大小，分為歸零碼（歸零碼（RZ碼

29、）碼）與非歸零碼（非歸零碼（NRZ碼）碼）兩種。 RZ碼的占空比小于0.5，NRZ碼的占空比為1。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)數(shù)字光纖通信中的碼元第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)數(shù)字信號在光纖系統(tǒng)中的傳輸?shù)诘? 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)偏置電阻入射光子熱噪聲放大器放大器噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲量子噪聲光檢測器接收機(jī)的噪聲及其分布第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 數(shù)字信號傳輸過程中由于疊加噪聲噪聲及波形失真波形失真等原因，會使原來發(fā)送的“1”碼，在接收端判決時被誤判為“0”碼；原來發(fā)送的“0”碼，可

30、能被誤判為“1”碼。 產(chǎn)生誤碼的主要原因：光接收機(jī)的噪聲特性光接收機(jī)的噪聲特性和系統(tǒng)帶寬的限制系統(tǒng)帶寬的限制。 下面根據(jù)數(shù)字光接收機(jī)模型簡單地分析一下噪聲來源。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 入射光脈沖為hp(t)，輸出光脈沖為hout(t)。光檢測器用信號電流源is及暗電流源iD表示。光檢測器電容與前置放大器電容并聯(lián)，形成總的輸入電容。線性通道包括前置放大器前置放大器、主放大器主放大器及均衡濾波器均衡濾波器，其傳遞函數(shù)（包括光檢測器）為ZT(w)，它具有電阻量綱，將輸入電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓。接收機(jī)放大噪聲主要來自線性通道前端的前置放大器，用等效輸入噪聲電流源iC表示。數(shù)字

31、光接收機(jī)模型第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)在這個模型中，線性通道輸出的總噪聲功率有三項(xiàng)：入射光脈沖功率產(chǎn)生的噪聲APD暗電流產(chǎn)生的噪聲放大器產(chǎn)生的電路噪聲因此，總噪聲功率為：)(2tnS)(2tnD)(2tnC)()()()(2222tntntntnCDS第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)三、數(shù)字光接收機(jī)的前置放大器電路三、數(shù)字光接收機(jī)的前置放大器電路 由于前置放大器的噪聲特性是影響光接收機(jī)靈敏度的主要因素之一，因此前置放大器必須有良好的噪良好的噪聲特性聲特性，同時還必須考慮帶寬特性帶寬特性。 前置放大器電路有三類，即低阻抗前置放大器電低阻抗前置放大器電

32、路路、高阻抗前置放大器電路高阻抗前置放大器電路和互阻抗前置放大器電路互阻抗前置放大器電路，如下圖。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)接收機(jī)前置放大器(a)電壓放大器; (b)高阻抗前端; (c)互阻抗前端第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 圖(a)的電壓放大器是一種最簡單的設(shè)計(jì)，檢測光電流流過電阻后產(chǎn)生信號電壓，然后進(jìn)行電壓放大。為了獲得大的帶寬，Rb通常取得較小（如50或75 ），直接與微波阻抗匹配，因此稱為低阻抗前端。 圖(b)的高阻抗前端是最靈敏的設(shè)計(jì)，它的輸入電阻非常高（可達(dá)110M )，熱噪聲特別小。但是，它的帶寬非常窄，需要增加均衡網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行頻響特

33、性補(bǔ)償，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 圖(c)的互阻抗前端設(shè)計(jì)采用負(fù)反饋來降低輸入阻抗，改善頻率響應(yīng)，增加動態(tài)范圍。但反饋電阻第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)的存在使設(shè)計(jì)的噪聲性能比高阻抗設(shè)計(jì)稍差。四、數(shù)字接收機(jī)的性能四、數(shù)字接收機(jī)的性能 （一）誤碼率（一）誤碼率 誤碼率是衡量數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量優(yōu)劣的非常重要的指標(biāo)，它反映了在數(shù)字傳輸過程中信息受到損害的程度。 第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)誤碼的定義：誤碼的定義： 光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)的誤碼性能用誤碼率來衡量。即在特定的一段時間內(nèi)所接收的錯誤碼元與同一時間內(nèi)所接收的總碼元數(shù)之比。BER= 錯誤接收的碼元數(shù) 傳輸?shù)?/p>

34、總碼元數(shù) 第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)誤碼發(fā)生的形態(tài)和原因：誤碼發(fā)生的形態(tài)和原因： 誤碼發(fā)生的形態(tài)主要有兩類：一類是隨機(jī)形態(tài)的隨機(jī)形態(tài)的誤碼誤碼，即誤碼主要是單個隨機(jī)發(fā)生的，具有偶然性；另一類是突發(fā)的、成群發(fā)生的誤碼突發(fā)的、成群發(fā)生的誤碼，這種誤碼可能在某個瞬間集中發(fā)生，而其它大部分時間無誤碼發(fā)生。誤碼發(fā)生的原因是多方面的。如電纜數(shù)字網(wǎng)中的熱噪聲，交換設(shè)備的脈沖噪聲干擾，雷電的電磁感應(yīng)，電力線產(chǎn)生的干擾等。 當(dāng)信號從接收機(jī)均衡器輸出時，由于疊加了接收機(jī)前端噪聲及光纖色散等影響，使“1”電平和“0”電平的界限變得不很確定，因而判決時就有可能產(chǎn)生誤碼。如下圖。第第4 4章章

35、 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) BER是在一個較長時間內(nèi)的傳輸碼流中出現(xiàn)誤碼的概率，它對話音影響的程度取決于編碼方法。對于PCM而言，誤碼率對話音的影響程度如下表 所示。接收信號脈沖(a)與它們的概率密度(b)第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)誤碼性能的評定方法：誤碼性能的評定方法： 由于誤碼率隨時間變化，用長時間內(nèi)的平均誤碼率來衡量系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，顯然不夠準(zhǔn)確。在實(shí)際監(jiān)測和評定中， 應(yīng)采用平均誤碼率、劣化分、嚴(yán)重誤碼秒和誤碼秒來表示。 1、平均誤碼率平均誤碼率 在一段較長的時間內(nèi)出現(xiàn)的誤碼個數(shù)和傳輸?shù)目偞a元數(shù)的比

36、值。平均誤碼率反映了測試時間內(nèi)的平均誤碼結(jié)果，因此適合于計(jì)量隨機(jī)誤碼，但無法反映誤碼的隨機(jī)性和突發(fā)性。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 2、劣化分、劣化分 每分鐘的誤碼率劣于10-6這個閾值稱為劣化分，用DM表示。我們?nèi)】傆^測時間為TL，它的大小可以是幾天或一個月，一個取樣觀測時間T0為1分鐘。從總觀測時間TL中扣除不可用時間（連續(xù)10秒平均誤碼率劣于10-3）和嚴(yán)重誤碼秒后所得可用分鐘。ITUT建議該性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到在TL內(nèi)累計(jì)的劣化分個數(shù)占可用分鐘數(shù)時間百分?jǐn)?shù)少于10%。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 4、嚴(yán)重誤碼秒、嚴(yán)重誤碼秒 每秒內(nèi)的誤碼率劣于1

37、0-3這個閾值稱為嚴(yán)重誤碼秒，用SES表示。取總觀測時間為TL，一個取樣觀測時間T0為1秒鐘。ITUT建議該性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到在TL中可用時間內(nèi)累計(jì)的嚴(yán)重誤碼秒個數(shù)占可用時間秒數(shù)的時間百分?jǐn)?shù)少于0.2%。 5、誤碼秒、誤碼秒 每個觀測秒內(nèi)，出現(xiàn)的誤碼數(shù)為0，用ES表示。取總觀測時間為TL，一個取樣觀測時間T0為1秒鐘。ITUT建議該性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到在TL中可用時間內(nèi)累計(jì)的誤碼秒占可用時間秒數(shù)的時間百分?jǐn)?shù)少于8%。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)（二）接收靈敏度（二）接收靈敏度 1、接收機(jī)靈敏度的定義接收機(jī)靈敏度的定義 接收機(jī)靈敏度是指在滿足給定誤碼率條件下，光在滿足給定誤碼率條件

38、下，光端機(jī)光接口端機(jī)光接口R點(diǎn)能夠接收到的最小平均光功率電平值點(diǎn)能夠接收到的最小平均光功率電平值LR。通常用dBm作為靈敏度的衡量單位。 接收機(jī)的靈敏度是光端機(jī)的重要性能指標(biāo)，它表示了光端機(jī)接收微弱信號的能力光端機(jī)接收微弱信號的能力。它與系統(tǒng)要求的誤碼率，系統(tǒng)的碼速、接收端光電檢測器的性能有關(guān)。 第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 2、測試方法、測試方法 接收機(jī)靈敏度的測試原理框圖如下圖所示。 測試步驟如下： 誤碼儀發(fā)送符合要求的偽隨機(jī)測試信號。 逐漸加大光可變衰減器的衰減量，使光端機(jī)接收到的光功率逐漸減小，這時誤碼儀檢測到的誤碼率逐漸增加到規(guī)定的誤碼率，并維持一段時間。1.

39、 從R點(diǎn)斷開光端機(jī)的連接器，將光功率計(jì)連接到光可變衰減器的輸出端，讀取光功率計(jì)上的數(shù)值，即是光端機(jī)能夠接收的最小光功率。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)發(fā) 送接 收碼 型發(fā) 生 器誤 碼檢 測光 端 機(jī)光 可 變 衰 減 器誤 碼 儀光 功 率 計(jì)R接收機(jī)靈敏度測試原理圖第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)（三）動態(tài)范圍（三）動態(tài)范圍1、動態(tài)范圍的定義、動態(tài)范圍的定義 光接收機(jī)對它能接收到的光功率有一個最小值（接收機(jī)靈敏度），當(dāng)接收機(jī)收到的信號小于這個最小值時，系統(tǒng)的誤碼率就達(dá)不到要求。若接收機(jī)接收的光功率過大，也會使系統(tǒng)的誤碼率達(dá)不到要求。所以，為了保證系

40、統(tǒng)的誤碼特性，光接收機(jī)收到的光功率只能在一定的范圍內(nèi)。這個范圍就是動態(tài)范圍D。 第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)2、測試方法、測試方法 動態(tài)范圍的測試原理圖與接收機(jī)靈敏度的測試原理圖一樣。測試步驟如下：前三步的測試與接收機(jī)的靈敏度的測試步驟一樣。將可變衰減器的輸出端接回到光端機(jī)的R點(diǎn)，逐漸減小光衰減量，使光端機(jī)收到的光功率逐漸增大，誤碼率也逐漸增大到規(guī)定的值，并維持一段時間。再將光功率計(jì)接回到光衰減器的輸出端，讀取光功率計(jì)上的數(shù)值，即是光端機(jī)能夠收到的最大光功率。1. 根據(jù)公式算出動態(tài)范圍。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)（四）抖動特性（四）抖動特性1、

41、抖動的定義、抖動的定義 抖動是數(shù)字信號傳輸中的一種瞬時不穩(wěn)定現(xiàn)象。即數(shù)字信號脈沖的有效瞬間對于標(biāo)準(zhǔn)時間位置的短時間偏離，稱為抖動。下圖為定時抖動的圖解定義。 抖動可分為相位抖動相位抖動和定時抖動定時抖動。 相位抖動：是指傳輸過程中所形成的周期性的相位變化。 定時抖動是：指脈碼傳輸系統(tǒng)中的同步誤差。 第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)發(fā) 送 信 號接 收 信 號定時抖動的圖解定義第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 抖動的大小或幅度通?？捎脮r間時間、相位相位或數(shù)字?jǐn)?shù)字周期周期來表示。 目前多用數(shù)字周期來表示，即“單位間隔”，用符號UI（UnitInterval）

42、，也就是1比特信息所占有的時間間隔。 例如碼速率為34.363Mb/s的脈沖信號，1UI=1/34.363s。顯然它在數(shù)值上等于傳輸比特率的倒數(shù)。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)2、抖動產(chǎn)生的原因、抖動產(chǎn)生的原因 1.數(shù)字再生中繼器引起的抖動。 由于再生中繼器中的定時恢復(fù)電路的不完善及再生中繼器的累計(jì)導(dǎo)致了抖動的產(chǎn)生和累加。 2.數(shù)字復(fù)接及分接器引起的抖動。 在復(fù)接器的支路輸入口，各支路數(shù)字信號附加上碼速調(diào)整控制比特碼速調(diào)整控制比特和幀定位信號幀定位信號形成群輸出信號。而在分接器的輸入口，要將附加比特扣除，恢復(fù)原分支數(shù)字信號，這些將不可避免地引起抖動。第第4 4章章 光檢測

43、器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)3.噪聲引起的抖動。 由于數(shù)字信號處理電路引起的各種噪聲。4.其它原因。 由于環(huán)境溫度的變化、傳輸線路的長短及環(huán)境條件等也會引起抖動。3、抖動的類型、抖動的類型 1.隨機(jī)性抖動。 在再生中繼器內(nèi)與傳輸信號關(guān)系不大的抖動來源稱為隨機(jī)性抖動。這些抖動主要由于環(huán)境變化、器件老化及定時調(diào)諧回路失調(diào)引起。 2.系統(tǒng)性抖動。 由于碼間干擾，定時電路幅度相位轉(zhuǎn)換等因素引起的抖動。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)4、抖動的容限、抖動的容限1.輸入抖動容限 輸入抖動容限是系統(tǒng)允許的輸入信號的最低抖動限值，即加大輸入信號的抖動值，直到設(shè)備由不誤碼即加大輸入信號的抖

44、動值，直到設(shè)備由不誤碼到開始誤碼的這個分界點(diǎn)到開始誤碼的這個分界點(diǎn)。2.輸出抖動容限 系統(tǒng)輸入信號無抖動時,由于數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)的中繼器產(chǎn)生抖動,并按一定規(guī)律進(jìn)行累計(jì),于是在數(shù)字系統(tǒng)輸出端產(chǎn)生抖動。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)3.抖動轉(zhuǎn)移特性 指輸出信號的抖動值和輸入信號的抖動值之比，它是衡量光端機(jī)自身對抖動特性的傳遞關(guān)系。 由于輸入口數(shù)字信號的抖動經(jīng)設(shè)備或系統(tǒng)轉(zhuǎn)移后到達(dá)輸出口，從而構(gòu)成了輸出抖動的另一個來源。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)發(fā) 送電 端 機(jī)光 端 機(jī)光 纖光 纖光 端 機(jī)電 端 機(jī)ABSRBA接 收發(fā) 送接 收中 繼中 繼RS發(fā) 送接 收

45、發(fā) 送接 收光纖數(shù)字通信系統(tǒng)方框圖 一個完整的光纖通信系統(tǒng)的具體組成如下圖所示第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)五、數(shù)字接收機(jī)中的定時提取與判決再生五、數(shù)字接收機(jī)中的定時提取與判決再生（一）定時提取 均衡器輸出的信號脈沖在被判定為“1”碼或“0”碼時，通常在碼元中心、信號最大時進(jìn)行判決，因此抽樣判決時刻的準(zhǔn)確性很重要。 下圖示出了抽樣時間偏差與BER增大倍數(shù)的關(guān)系。第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)BER增大與抽樣時間偏差的關(guān)系第第4 4章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 從圖中可知，接收機(jī)的定時提取電路要有高的穩(wěn)定性。 在數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)中，有兩種