通工專業(yè)-光纖通信技術(shù)-第四章-光探測(cè)器與光接收機(jī)

1、 第4章 光探測(cè)器與光接收系統(tǒng)本章內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)本章內(nèi)容 光探測(cè)器：光探測(cè)器的物理基礎(chǔ)。 光電二極管（PIN）：工作原理及特性參數(shù)。 雪崩光電二極管（APD）：工作原理及特性參數(shù)。 光接收機(jī)：組成及主要性能指標(biāo)。本章重點(diǎn) 光探測(cè)器的工作原理和光接收機(jī)的靈敏度的計(jì)算。本章難點(diǎn) 光探測(cè)器的物理基礎(chǔ)。第4章 光探測(cè)器與光接收系統(tǒng)光探測(cè)器1光接收機(jī)2本章內(nèi)容2022/8/274.1 光探測(cè)器 光信號(hào)經(jīng)過光纖傳輸?shù)竭_(dá)接收端后，在接收端有一個(gè)接收光信號(hào)的元件。但是由于目前我們對(duì)光的認(rèn)識(shí)還沒有達(dá)到對(duì)電的認(rèn)識(shí)的程度，所以我們并不能通過對(duì)光信號(hào)的直接還原而獲得原來的信號(hào)。在他們之間還存在一個(gè)將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?/p>

2、號(hào)，然后再由電子線路進(jìn)行放大的過程，最后再還原成原來的信號(hào)。這一接收轉(zhuǎn)換元件稱作光探測(cè)器，或者光電檢測(cè)器，簡稱探測(cè)器，又叫光電檢波器或者光電二極管。常用的光檢測(cè)器有兩種類型：P性+本征區(qū)（I）+N型光電二極管雪崩光電二極管（APD） 光接收機(jī)的作用：探測(cè)經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減、波形被展寬的微弱光信號(hào)，并進(jìn)行放大、再生，恢復(fù)原始信號(hào)。 光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)是靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，其中最主要的是靈敏度，光檢測(cè)器是光接收機(jī)的核心部件 ；接收機(jī)理論中，中心問題就是如何降低輸入端的噪聲、提高接收靈敏度。處理電路電信號(hào)放大4.1 光探測(cè)器光纖通信系統(tǒng)對(duì)光探測(cè)器的要求 （1）靈敏度高：靈敏度高表示探測(cè)器把光功

3、率轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯男矢?。在?shí)際的光接收機(jī)中，光纖傳來的信號(hào)極其微弱，有時(shí)只有1nw左右。為了得到較大的信號(hào)電流，人們希望靈敏度盡可能的高。 （2）響應(yīng)速度快：指射入光信號(hào)后，馬上就有電信號(hào)輸出；光信號(hào)一停，電信號(hào)也停止輸出，不要延遲。這樣才能重現(xiàn)入射信號(hào)。實(shí)際上電信號(hào)完全不延遲是不可能的，但是應(yīng)該限制在一個(gè)范圍之內(nèi)。隨著光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率的不斷提高，超高速的傳輸對(duì)光電檢測(cè)器的響應(yīng)速度的要求越來越高，對(duì)其制造技術(shù)提出了更高的要求。（3）噪聲小：為了提高光纖傳輸系統(tǒng)的性能，要求系統(tǒng)的各個(gè)組成部分的噪聲要求足夠小。但是對(duì)于光電檢測(cè)器要求特別嚴(yán)格，因?yàn)樗窃跇O其微弱的信號(hào)條件下工作，又處于光接收機(jī)的

4、最前端，如果在光電變換過程中引入的噪聲過大，則會(huì)使信號(hào)噪聲比降低，影響重現(xiàn)原來的信號(hào)。（4）穩(wěn)定可靠：要求檢測(cè)器的主要性能盡可能不受或者少受外界溫度變換和環(huán)境變換的影響。（5）工作電壓低（6）壽命長（7）價(jià)格低數(shù)字光接收機(jī)的組成數(shù)字光接收機(jī)可以分為圖中的8個(gè)部分，或者分為三大塊。1. 光檢測(cè)器 完成光電轉(zhuǎn)換，然后送入前置放大器，但是光電流非常小，在nAA量級(jí)。2. 前置放大器 低噪聲放大器，改善信噪比，其噪聲對(duì)整個(gè)放大器的輸出噪聲影響很大，影響光接收機(jī)的靈敏度。輸出毫伏級(jí)的電壓。 3. 主放大器 把前端輸出的信號(hào)放大到后繼電路需要的電平，即保證增益/提供足夠的增益。4. 均衡濾波 減小噪聲，克

5、服、消除放大器及其他部件(光纖)引起的信號(hào)波形失真，使噪聲及碼間干擾降到最低，對(duì)失真的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出信號(hào)波形供正確判決。5. 判決器 設(shè)置判決電平，使放大器送過來的輸入信號(hào)與判決門限電平比較。判決時(shí)刻，被判碼元的瞬時(shí)值最大，而相鄰碼元在此時(shí)刻的瞬時(shí)值為0。 6. 譯碼器 如果發(fā)射端進(jìn)行線路編碼、擾碼，在接收端需要有相應(yīng)的譯碼/解擾電路。7. AGC電路 通過AGC電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制，使輸出信號(hào)在一定范圍內(nèi)不受輸入信號(hào)變化的影響，保證主放大器的動(dòng)態(tài)范圍。8. 時(shí)鐘提取/時(shí)鐘恢復(fù) 同步脈沖提取，以供在準(zhǔn)確時(shí)刻抽樣判決。當(dāng)光照射到光電二極管的光敏面上時(shí)，能量大于或等于帶隙能量Eg的光子將激勵(lì)

6、價(jià)帶上的電子吸收光子的能量而躍遷到導(dǎo)帶上（受激吸收），可以產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì)（稱為光生載流子）。在耗盡層，由于內(nèi)部電場的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)， 形成漂移電流。4.1 光探測(cè)器 4.1.1光電檢測(cè)原理PN結(jié)的光電效應(yīng) 光電二極管(PD)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能， 是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。 在耗盡層兩側(cè)是沒有電場的中性區(qū)，由于熱運(yùn)動(dòng)，部分光生電子和空穴通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入耗盡層，然后在內(nèi)電場作用下，形成和漂移電流相同方向的擴(kuò)散電流。漂移電流分量和擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電流。當(dāng)與P層和N層連接的電路開路時(shí)，便在兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。當(dāng)連接的電路閉合時(shí)

7、，N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)，便形成了光生電流。 當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子 - 空穴對(duì)的運(yùn)動(dòng)，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡單的光電二極管(PD)。 PN結(jié)耗盡層內(nèi)建電場當(dāng)PN結(jié)兩端加上反向偏置電壓時(shí)，耗盡區(qū)加寬，勢(shì)壘加強(qiáng)。從而縮小耗盡層兩側(cè)中性層的寬度，提高轉(zhuǎn)換效率外加反向偏置電壓的作用4.1.2 PIN光電二極管一、工作原理與結(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)體之間加一層摻雜濃度非常低或不摻雜的N型本征半導(dǎo)體材料，稱為I（Int

8、rinsic，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散后形成一個(gè)很寬的耗盡層。 I層較厚，幾乎占據(jù)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。因而光產(chǎn)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。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應(yīng)速度。 圖4.4 PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 此動(dòng)畫為PIN光電二極管工作原理動(dòng)畫。 PIN-PD特性參數(shù)(1)量子效率及響應(yīng)度入射平均光功率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.Ip為光生電流

9、的平均值響應(yīng)度：在一定波長的光照射下，一次光生電流Ip和入射平均光功率P0的比值在光電二極管的應(yīng)用中，100個(gè)光子會(huì)產(chǎn)生30到95個(gè)電子空穴對(duì)，因此檢測(cè)器的量子效率范圍為30%95%。為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區(qū)的厚度，使得可以吸收大部分的光子。產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的個(gè)數(shù)入射的光子數(shù) 響應(yīng)時(shí)間/響應(yīng)速度PIN光電二極管響應(yīng)時(shí)間主要由光生載流子在耗盡層的渡越時(shí)間d和擴(kuò)散時(shí)間i 、以及包括光電二極管在內(nèi)的檢測(cè)電路RC常數(shù)所確定 PIN-PD特性參數(shù)(2)響應(yīng)時(shí)間定義： 響應(yīng)時(shí)間是光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后延由90%下降到10%，分別用脈沖上升時(shí)間r和脈沖下降時(shí)間f表

10、示。響應(yīng)速度反映半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號(hào)變化快慢的狀態(tài)，是光電二極管的另一重要參數(shù)，用響應(yīng)時(shí)間或響應(yīng)帶寬表示。擴(kuò)散引起拖尾響應(yīng)時(shí)間受三個(gè)因素的影響：渡越時(shí)間 渡越時(shí)間是耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子穿越耗盡層所需的時(shí)間，用d表示 （4.5） W為耗盡層寬度；為載流子的漂移速度。擴(kuò)散時(shí)間 在耗盡區(qū)以外產(chǎn)生的載流子要產(chǎn)生擴(kuò)散，擴(kuò)散區(qū)的電場很小，擴(kuò)散時(shí)間很長，擴(kuò)散時(shí)間用i來表示。i的存在會(huì)產(chǎn)生脈沖拖尾。減小耗盡層的寬度,可以減小渡越時(shí)間 ，但是同時(shí)降低了量子效率。所以必須在響應(yīng)速度和量子效率之間采取折衷。光電檢測(cè)電路 光電檢測(cè)電路會(huì)對(duì)響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生影響，不同的電路時(shí)間常數(shù)產(chǎn)生的上升時(shí)間是不

11、同的。光電檢測(cè)器的10%90%電路上升時(shí)間為 （4.6） 式中，CT為電路的總電容，RT為電路的總電阻?？紤]上述三個(gè)因素的影響，總的上升時(shí)間為噪聲直接影響光接收機(jī)的靈敏度。散粒噪聲（信號(hào)電流和暗電流產(chǎn)生）暗電流是器件在反偏壓0.9UB條件下，沒有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向電流，與光電二極管的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)熱噪聲（由負(fù)載電阻和后級(jí)放大器輸入電阻產(chǎn)生）噪聲IP :信號(hào)電流;Id:暗電流;B:放大器帶寬;k=1.3810-23J/K為波爾茲曼常數(shù)T:等效噪聲溫度，R:等效電阻 PIN-PD特性參數(shù)(3)噪聲量子噪聲暗電流產(chǎn)生的噪聲熱噪聲APD工作原理PN結(jié)的雪崩擊穿倍增效應(yīng)4.1.3 雪崩光電二極管APD

12、在PN結(jié)上加以反向電壓，當(dāng)反向電壓增加時(shí)，空間電荷區(qū)中電場隨著增加，載流子在空間電荷區(qū)(耗盡層)中漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)將受到強(qiáng)電場的加速作用，獲得巨大的動(dòng)能，使得載流子在碰撞到原子時(shí)，有可能產(chǎn)生電子空穴對(duì)。 這些電子和空穴在高壓作用下又去碰撞其他的原子，產(chǎn)生更多的電子空穴對(duì)。如此鏈鎖反應(yīng)，一下子就會(huì)產(chǎn)生出大量的電子空穴對(duì)，以致通過PN結(jié)的反向電流猛增，于是出現(xiàn)PN結(jié)擊穿現(xiàn)象。PIN:1個(gè)光子最多產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴對(duì),無增益APD: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APD基本結(jié)構(gòu)：增加了一個(gè)附加層，倍增區(qū)或增益區(qū)，以實(shí)現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生二次電子空穴對(duì)。耗盡層仍為I層，起產(chǎn)生一次電子空穴對(duì)的作

13、用。工作過程：入射光-一對(duì)電子-空穴對(duì)(一次光生電流)-與晶格碰撞電離-多對(duì)電子-空穴對(duì)(二次光生電流）吸收外電場加速圖 3.25 APD載流子雪崩式倍增示意圖 此動(dòng)畫為APD的場分布動(dòng)畫：和PIN光電二極管相比，其存在一個(gè)雪崩電離的高電場區(qū)。因?yàn)檫@種擊穿現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，電流的猛增象雪崩一樣，所以常稱為雪崩擊穿。 此動(dòng)畫為APD的場分布動(dòng)畫：由于高電場區(qū)的雪崩電離，外電路形成倍增的光生電流。APD的種類APD按使用材料的不同可分為Si-APD（工作在短波長區(qū)）、Ge-APD、InGaAsP-APD等（工作在長波長區(qū)）幾種。Si-APD性能較好，它工作在0.85附近，倍增增益高達(dá)1001000，暗電

14、流很小。Ge-APD工作在長波長區(qū)，它的倍增增益一般不超過15，過剩噪聲大，暗電流也大，因此限制了倍增增益和檢測(cè)靈敏度。APD特性參數(shù)(1)響應(yīng)度、光譜響應(yīng)、響應(yīng)時(shí)間和頻率特性、噪聲（定義與PIN同）倍增因子g：表征一次光生電流產(chǎn)生的平均增益的倍數(shù)定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流Ip的比值g隨反向偏壓、波長和溫度變化U為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長有關(guān)的常數(shù)，R為體電阻。APD特性參數(shù)(2)過剩噪聲因子在APD中，每個(gè)光生載流子不會(huì)經(jīng)歷相同的倍增過程，有隨機(jī)性，這將導(dǎo)致倍增增益的波動(dòng)，這種波動(dòng)是額外的倍增噪聲的主要根源。通常用過剩噪聲因子F來表征這種倍增噪聲。

15、x:附加噪聲指數(shù)均方噪聲電流: 光電二極管一般性能和應(yīng)用性能（表4.1、表4.2）應(yīng)用在短距離的應(yīng)用中，工作在850nm的Si器件對(duì)于大多數(shù)鏈路是個(gè)相對(duì)比較廉價(jià)的解決方案。在長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。 APD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)用場合而選定。InGaAs-APD（響應(yīng)速度快）適于超高速光纖通信系統(tǒng)-5-15-5-15工作電壓 /V120.51結(jié)電容 Cj/pF0.21210響應(yīng)時(shí)間250.11暗電流 Id/nA0.6(1.3 )0.4(0.

16、85 )響應(yīng)度1.01.60.41.0波長響應(yīng)InGaAs-PINSi-PIN表4.1 PIN光電二極管一般特性0.50.70.30.4附加噪聲指數(shù) x203030100倍增因子 g406050100工作電壓 /V0.512結(jié)電容 Cj/pF0.10.30.20.5響應(yīng)時(shí)間10200.11暗電流 Id/nA050.70.5響應(yīng)度11.650.41.0波長響應(yīng)InGaAs-APDSi-APD表4.2 雪崩光電二極管（APD）一般性能光探測(cè)器1光接收機(jī)2本章內(nèi)容光接收機(jī)光信號(hào)光電變換前置放大主放大器均衡濾波判決器時(shí)鐘恢復(fù)輸出AGC電路性能指標(biāo):接收靈敏度、誤碼率或信噪比前端線性通道時(shí)鐘提取與數(shù)據(jù)再

17、生（CDR）對(duì)信號(hào)進(jìn)行高增益放大與整形，提高信噪比，減少誤碼率。譯碼器光接收機(jī)的前端前端：由光電二極管和前置放大器組成。作用：將耦合入光電檢測(cè)器的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)變電流，然后進(jìn)行預(yù)放大（電流電壓轉(zhuǎn)換），以便后級(jí)作進(jìn)一步處理。是光接收機(jī)的核心。要求：低噪聲、高靈敏度、足夠的帶寬電信號(hào)光信號(hào)光電變換前置放大光接收機(jī)光檢測(cè)器的選擇：要視具體應(yīng)用場合而定。PIN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。APD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。從簡化接收機(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。前置放大器的

18、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，一般采用場效應(yīng)晶體管(FET)。光接收機(jī)的前端光接收機(jī)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：低阻抗前端高阻抗前端跨（互）阻抗前端光接收機(jī)前端的等效電路低阻抗前端從頻帶要求出發(fā)選擇偏置電阻RL優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，不需要或只需要很少的均衡，動(dòng)態(tài)范圍較大缺點(diǎn)：靈敏度低，噪聲較高光接收機(jī)的前端光接收機(jī)高阻抗前端盡量加大偏置電阻，把噪聲減至盡可能小的值優(yōu)點(diǎn)：噪聲較低缺點(diǎn)：動(dòng)態(tài)范圍小、高頻分量損失太大,對(duì)均衡電路提出很高要求. 多用于低速系統(tǒng).跨阻抗前端電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器（電流-電壓轉(zhuǎn)換器）優(yōu)點(diǎn)：寬頻帶（等效輸入電阻很?。?、低噪聲（反饋電阻可以

19、取得很大）、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大等綜合優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用。光接收機(jī)的前端光接收機(jī)光接收機(jī)的線性通道對(duì)主放輸出的失真數(shù)字脈沖進(jìn)行整形，使之成為有利于判決的碼間干擾最小的升余弦波形。可根據(jù)輸入信號(hào)（平均值）大小自動(dòng)調(diào)整放大器增益，使輸出信號(hào)保持恒定。用以擴(kuò)大接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。提供高的增益，放大到適合于判決電路的電平。主放大器均衡濾波AGC電路光接收機(jī) 沒有均衡濾波器將會(huì)出現(xiàn)的問題 在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，送到發(fā)送光端機(jī)進(jìn)行調(diào)制的數(shù)字信號(hào)是一系列矩形脈沖，由信號(hào)分析知道，理想的矩形脈沖具有無窮的帶寬。這種脈沖從發(fā)送光端機(jī)輸出后要經(jīng)過光纖、光電檢測(cè)器、放大器等部件，這些部件的帶寬確是有限的。因此，矩形脈沖

20、頻譜中只有有限的頻率分量可以通過，這樣，從接收機(jī)主放大器輸出的脈沖形狀將不再會(huì)是矩形的了，將可能出現(xiàn)很長的拖尾，如圖4.10（a）所示。這種拖尾現(xiàn)象將會(huì)使前、后碼元的波形重疊，產(chǎn)生碼間干擾，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成判決電路的誤判而產(chǎn)生誤碼。圖4.10 單個(gè)脈沖均衡前后波形的比較有均衡濾波器的波形 均衡濾波器是使經(jīng)過濾波器以后的波形稱為有利于判決的波形。具體的說：經(jīng)過均衡以后的波形在本碼判決時(shí)刻，波形的瞬時(shí)值應(yīng)為最大值；而這個(gè)本碼波形的拖尾在臨碼判決時(shí)刻的瞬時(shí)值應(yīng)為零。這樣，即時(shí)經(jīng)過均衡以后的輸出波形仍有拖尾，但是這個(gè)拖尾在臨碼判決的這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻為零，從而不干擾對(duì)臨碼的判決，上述這種情況可從圖4-10（b

21、）中明顯的看出。判決再生與時(shí)鐘提取任務(wù)：把線性通道輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)為確定是“1”或是“0”，需要對(duì)某時(shí)隙的碼元作出判決。若判決結(jié)果為“1”，則由再生電路產(chǎn)生一個(gè)矩形“1”脈沖；若判決結(jié)果為“0”，則由再生電路產(chǎn)生一個(gè)“0”。為了精確地確定“判決時(shí)刻”，需要從信號(hào)碼流中提取準(zhǔn)確的時(shí)鐘信息作為標(biāo)定，以保證與發(fā)送端一致。判決器時(shí)鐘恢復(fù)輸出光接收機(jī) 判決、再生過程最佳取樣時(shí)間相應(yīng)于“1”和“0”信號(hào)電平相差最大的位置，可由眼圖決定。光接收機(jī)判決再生與時(shí)鐘提取其他電路高壓變換器 高壓變換器是為APD提供合適的電壓，同時(shí)通過調(diào)整平均倍增因子的大小，來進(jìn)一步穩(wěn)定光接收機(jī)的輸出信號(hào)幅度。輔助電路

22、 鉗位電路:為了使輸入判決器的信號(hào)穩(wěn)定，在判決器前面還加有鉗位電路，它將已均衡波的幅度底部鉗制在一個(gè)固定的點(diǎn)位上。 溫度補(bǔ)償電路：由于光接收機(jī)環(huán)境溫度變化時(shí)，雪崩管的增益將發(fā)生變化。為了盡可能減少這種變化，就需要給雪崩管的偏壓加溫度補(bǔ)償電路，使雪崩管偏壓隨溫度產(chǎn)生相應(yīng)的變化。 告警電路：當(dāng)輸入光接收機(jī)的光信號(hào)太弱或無光信號(hào)時(shí)，則由告警電路輸出一個(gè)告警信號(hào)至告警盤。光接收機(jī)的噪聲特性光接收機(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。光檢測(cè)器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲背景噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)

23、噪聲及其分布圖：散粒噪聲光接收機(jī)光檢測(cè)器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲背景噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：量子噪聲的產(chǎn)生是由于光信號(hào)入射到光檢測(cè)器上時(shí)，光電子的產(chǎn)生和收集過程具有統(tǒng)計(jì)特性(泊松分布)。光電效應(yīng)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)是隨機(jī)起伏的，這是光檢測(cè)過程的基本特性，從而使當(dāng)其他條件都達(dá)到最佳化時(shí)，接收機(jī)靈敏度具有一個(gè)最低極限。光接收機(jī)光接收機(jī)的噪聲特性光檢測(cè)器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲背景噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：暗電流噪聲：當(dāng)沒有光信號(hào)照射光檢測(cè)器時(shí)，外界的一些雜散光或熱運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生一些

24、電子空穴對(duì)，光檢測(cè)器還會(huì)產(chǎn)生一些電流，這種殘留電流稱為暗電流。光接收機(jī)光接收機(jī)的噪聲特性光檢測(cè)器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲背景噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：漏電流噪聲：當(dāng)光檢測(cè)器表面物理狀態(tài)不完善和加有偏置電壓時(shí)，會(huì)引起很小的漏電流噪聲，但這種噪聲并非本征性噪聲，可通過光檢測(cè)器的合理設(shè)計(jì)，良好的結(jié)構(gòu)和嚴(yán)格的工藝降低。光接收機(jī)光接收機(jī)的噪聲特性光檢測(cè)器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲背景噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：APD倍增噪聲：當(dāng)使用雪崩光電二極管時(shí)，倍增過程的隨機(jī)特性產(chǎn)生附加的噪聲。光接收

25、機(jī)光接收機(jī)的噪聲特性背景噪聲：背景噪聲是輸入光信號(hào)的熱噪聲，它近似與頻率無關(guān)，是一種白噪聲。背景噪聲一般不大，可忽略不計(jì)。設(shè)入射的平均光功率為P，則考慮散粒噪聲引起的電流波動(dòng)時(shí)，光電二極管產(chǎn)生的光電流為： （4.15)為平均光電流，為散粒噪聲電流。 是平穩(wěn)隨機(jī)過程，具有泊松分布，實(shí)際中可用高斯分布近似。散粒噪聲為白噪聲，其譜密度為常數(shù)，雙邊譜密度為 （4.16）式中，e為電子電荷。 如果用單邊譜密度表示，則為的方差與單邊譜密度具有以下關(guān)系： （4.17） 設(shè)接收機(jī)的有效噪聲帶寬為,則可得 （4.18） 除上述由于光子的量子性所產(chǎn)生的散粒噪聲外，暗電流也是一種散粒噪聲。因此考慮暗電流的影響，總的

26、散粒噪聲可表示為 （4.19） 對(duì)于APD光電二極管，還必須考慮倍增因子和倍增過程的隨機(jī)性影響，則散粒噪聲方差為 （4.20）式中，M是倍增因子，是APD的過剩噪聲因子，可由下式表示 （4.21）式中，為電子數(shù)與空穴數(shù)之比。光檢測(cè)器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲背景噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：熱噪聲：是在有限溫度下，導(dǎo)電媒質(zhì)內(nèi)自由電子和振動(dòng)離子間熱相互作用引起的一種隨機(jī)脈動(dòng)。光接收機(jī)光接收機(jī)的噪聲特性放大器噪聲：在一個(gè)多級(jí)放大器中，每一級(jí)放大器都可能引入附加的噪聲，在每一級(jí)放大器里噪聲和信號(hào)都將同樣地被放大。熱噪聲也是用均方噪聲電流（即功率）

27、表示，其功率譜密度如下： （4.22）式中，稱為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。 進(jìn)一步可以得到熱噪聲方差為 （4.23）上式表明：熱噪聲方差反比例于負(fù)載電阻。在光接收機(jī)的設(shè)計(jì)上，為降低熱噪聲，常采用高阻抗前端。熱噪聲與光電源無關(guān)，即時(shí)沒有光功率輸入，熱噪聲還是存在的。 噪聲的評(píng)價(jià)方法（1）噪聲的大小可用均方值來表示 從統(tǒng)計(jì)理論上講，噪聲電壓的均方值 是完全確定的，它表示單位電阻（1 ）上所損耗的平均功率。因此，噪聲的大小可用 來判定，而 的均方根值為噪聲電壓的有效值。 由于均方噪聲電壓或均方噪聲電流都相當(dāng)于在1電阻上的功率，因此他們常常也稱為噪聲功率。 （2）PIN光接收機(jī)的信噪比SNR=平均

28、信號(hào)功率/噪聲功率R為PIN響應(yīng)度，Pin為輸入光功率，RL為負(fù)載電阻，F(xiàn)n為放大器噪聲系數(shù)， 為有效噪聲帶寬，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度光接收機(jī)光接收機(jī)的噪聲特性4.2光接收機(jī)的靈敏度 靈敏度是光接收機(jī)最重要的性能參數(shù)！靈敏度的概念和誤碼率聯(lián)系在一起。（判決電路） 信號(hào)再生： （判決電路） 判決是通過時(shí)鐘信號(hào)的上升沿在最佳時(shí)刻對(duì)接收的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣，然后將取樣值與判決閾值進(jìn)行比較，若取樣幅度大于判決閾值，則判為“1”，反之判為“0”，從而使信號(hào)得到再生。一、靈敏度的定義 在限定的誤碼率條件下（在保證達(dá)到給定的誤碼率條件下），光接收機(jī)所需要輸入的最小平均光功率min，單位是W或dBm（分

29、貝毫瓦），Pr=10lg (min /1mW) 。5-4 光接收機(jī)的靈敏度二、誤碼率BER (bit error rate) 為什么會(huì)產(chǎn)生誤碼？ 如果有噪聲，則可能導(dǎo)致對(duì)碼元“1”或“0”的誤判，要確定誤碼率BER，那么必須知道噪聲的概率分布。 SNR決定BER。 噪聲的概率分布很復(fù)雜，一般假設(shè)噪聲電流/噪聲電壓瞬時(shí)值服從高斯分布(近似計(jì)算)，其概率密度函數(shù)為式中，x是噪聲隨機(jī)變量的取值，平均值為0；2是均方差。5-4 光接收機(jī)的靈敏度 為什么會(huì)要采用高斯近似計(jì)算？ 利用數(shù)值計(jì)算技術(shù)求得誤碼率的方法非常費(fèi)時(shí)，而且不能對(duì)光接收機(jī)的設(shè)計(jì)提供多少幫助。所以，為了簡化計(jì)算，一般均將概率密度函數(shù)近似成高斯函數(shù)來進(jìn)行相應(yīng)的分析。 光接收機(jī)靈敏度的精確計(jì)算： 從光電檢測(cè)過程實(shí)際的概率密度函數(shù)出發(fā)，通過放大器和光電檢測(cè)器概率密度函數(shù)的卷積計(jì)算求出總噪聲的概率密度函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算接收機(jī)的靈敏度。5-4 光接收機(jī)的靈敏度IID“0”碼t“1”碼I1I0P(01)P(10)P/概率密度圖中的I1：“1”碼的電流； ID：判決閾值的電流（類