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)2

1、4.1 光探測(cè)器4.2 光接收機(jī)第4章 光探測(cè)器與光接收系統(tǒng) 本章簡(jiǎn)介 光接收機(jī)的作用就是檢測(cè)經(jīng)過光纖傳輸后的微弱信號(hào)，并放大、整形、再生成原輸入信號(hào)，它的主要器件是利用光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的光探測(cè)器。本章主要介紹光探測(cè)器的工作原理和器件、光接收機(jī)的主要組成、噪聲、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍等。 4.1 光探測(cè)器 光發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號(hào)，在光纖中傳輸時(shí)，不僅幅度被衰減，而且脈沖的波形被展寬。光接收機(jī)的作用，是探測(cè)經(jīng)過傳輸?shù)奈⑷豕庑盘?hào)，并放大，再生成原傳輸?shù)男盘?hào)。 圖4.1 數(shù)字光接收機(jī)的組成 在光接收機(jī)中，首先需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即對(duì)光進(jìn)行解調(diào)，這個(gè)過程是由光電檢測(cè)器（光電二極管或雪崩光電二

2、極管）的光電效應(yīng)來完成的。 光電檢測(cè)器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)送入前置放大器。前置放大器的噪聲對(duì)整個(gè)放大器的輸出噪聲影響甚大，因此，它應(yīng)該是精心設(shè)計(jì)和制作的低噪聲放大器。 主放大器的作用除提供足夠的增益外，它的增益還受AGC 電路控制，使輸出信號(hào)的幅度在一定的范圍內(nèi)不受輸入信號(hào)幅度的影響。 均衡濾波器的作用是保證判決時(shí)不存在碼間干擾。 判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行再生。如果在發(fā)射端進(jìn)行了線路編碼（或擾亂），在接收端還需要有相應(yīng)的譯碼（或解擾）電路。4.1.1半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng) 當(dāng)把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在一起時(shí)，在它們的交界面，兩種載流子（空穴和電子）的濃度差很大，因而P區(qū)的空穴必然向

3、N區(qū)擴(kuò)散，與此同時(shí)，N區(qū)的自由電子也必然向P區(qū)擴(kuò)散。 圖中P區(qū)標(biāo)有負(fù)號(hào)的小圓圈表示除空穴外的負(fù)離子，N區(qū)標(biāo)有正號(hào)的小圓圈表示除自由電子外的正離子。由于擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子與空穴復(fù)合，而擴(kuò)散到N區(qū)的空穴與自由電子復(fù)合，所以在交界面附近，P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，它們是不能移動(dòng)的，稱為空間電荷區(qū)，從而形成內(nèi)建電場(chǎng)。 隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，正好阻止了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。 在內(nèi)建電場(chǎng)的電場(chǎng)力作用下，載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，空穴從N區(qū)向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，電子從P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。在無外電場(chǎng)和其他激發(fā)作用下，參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的多子數(shù)目等于參與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)

4、目，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成PN結(jié)。絕大部分空間電荷區(qū)內(nèi)自由電子和空穴的數(shù)目都非常少，在分析PN結(jié)特性時(shí)常忽略載流子的作用，而只考慮離子區(qū)的電荷，這種方法稱為耗盡層近似，故稱空間電荷區(qū)為耗盡層 當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)，如果光子的能量大于等于帶隙（ ），便發(fā)生受激吸收，此時(shí)在耗盡層會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。耗盡層產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，電子向N區(qū)移動(dòng)，空穴向P區(qū)移動(dòng)，從而形成漂移電流。在耗盡層兩側(cè)是沒有電場(chǎng)的中性區(qū)，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)建電場(chǎng)的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。 光檢測(cè)器正是利用P

5、N結(jié)的光電效應(yīng)制成的，光纖通信中最常用的光電檢測(cè)器是: PIN光電二極管 雪崩光電二極管 在PN結(jié)形成的耗盡層與中性區(qū)相比很薄，因此，入射光大部分先被中性區(qū)所吸收，只有剩余的部分進(jìn)入耗盡層。如前所述，在中性區(qū)被吸收的光子也能產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，但由于中性區(qū)無電場(chǎng)，因此只有部分電子和空穴能夠通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)入耗盡層，形成光生電流。這一方面浪費(fèi)了大量的光子，使得PN光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率低，另一方面，由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)在速度上慢很多，因此擴(kuò)散電流將比漂移電流延遲，實(shí)際上就是降低了光電管的響應(yīng)速度。因此，光電二極管通常要施加反向偏壓，目的是增加耗盡層的寬度，縮小耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度，從而減小光生

6、電流中的擴(kuò)散電流分量，同時(shí)也可提高轉(zhuǎn)換效率。但反向偏壓的作用是有效的，應(yīng)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)。4.1.2 PIN光電二極管PIN光電二極管的工作原理與結(jié)構(gòu) 在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。由于這一摻入層的摻雜濃度低，近乎本征（Intrinsic）半導(dǎo)體，故稱I層，因此這種結(jié)構(gòu)稱為PIN光電二極管. 如圖所示。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

7、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2. PIN光電二極管的主要特性(1)量子效率 量子效率是器件在內(nèi)部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性。量子效率定義為通過結(jié)區(qū)的載流子數(shù)與入射光子數(shù)的比值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 （4.1） 式中，為電子電荷，其值約為；為光頻；為光生電流的平均值；P為平均入射光功率值；h為普朗克常數(shù)。（2）響應(yīng)度 響應(yīng)度是器件在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性。響應(yīng)度的定義是：在一定波長(zhǎng)的光照射下，光電檢測(cè)器的平均輸出電流與入射的平均光功率之比，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 （4.2） 式中，為光生電流的平均值；P為平均入射光功率值。 通過

8、公式（4.1）和（4.2）可得到量子效率和響應(yīng)度的關(guān)系式為 （4.3） 量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。假設(shè)器件表面反射率為零，P層和N層對(duì)量子效率的貢獻(xiàn)可以忽略，在工作電壓下，I層全部耗盡，那么PIN光電二極管的量子效率可以近似表示為 （4.4） 式中， 和 分別為I層的吸收系數(shù)和寬度。由式(4.4)可以看到，當(dāng) 1時(shí)， 1，所以為提高量子效率 ，I層的寬度 要足夠大。 （3）響應(yīng)時(shí)間 表征光檢測(cè)器對(duì)光信號(hào)變化響應(yīng)速度快慢的是它的響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)光檢測(cè)器受階躍光脈沖照射時(shí)，輸出脈沖前沿的10%點(diǎn)到90%點(diǎn)之間的時(shí)間間隔（即上升時(shí)間）來衡量。如圖4.5所示。脈沖后沿的下降時(shí)間對(duì)完全耗

9、盡的光電二極管來說與前沿相同，但在耗盡層未耗盡的低偏壓下兩者可能不同。圖4.5 光檢測(cè)器的脈沖響應(yīng)光電檢測(cè)器的響應(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 表示 （4.5）式中，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(chǎng)很小，擴(kuò)散時(shí)間很長(zhǎng)，擴(kuò)散時(shí)間用 來表示。 的存在會(huì)產(chǎn)生脈沖拖尾。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)間是不同的。光電檢測(cè)器的10%90%電路上升時(shí)間為 （4.6） 式中， 為電路的總電容， 為電路的總電阻?？紤]上述三個(gè)因素的影響，總的上

10、升時(shí)間 （4.7）(3) 噪聲 噪聲是反映光電二極管特性的一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響光接收機(jī)的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信號(hào)電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲(Shot Noise)和由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流(在1 電阻負(fù)載上的噪聲功率)來描述。 均方散粒噪聲電流可由式（4.8）來表示 （4.8）式中，e為電子電荷，B為光電二極管及后繼放大器的等效噪聲帶寬，和分別為信號(hào)電流和暗電流的強(qiáng)度。 式(4.8)的第一項(xiàng)2eIpB稱為量子噪聲，是由于入射光子和所形成的電子-空穴對(duì)都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生的。只要有光信號(hào)輸入就有量子噪聲。這是一種不可克服的本征噪聲，它

11、決定光接收機(jī)靈敏度的極限。 式(4.8)的第二項(xiàng)2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲。暗電流是器件在反偏壓條件下，沒有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向直流電流，它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴(kuò)散形成的本征暗電流。暗電流與光電二極管的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如Si-PIN：Id100 nA。 均方熱噪聲電流可由式（4.9）來表示 （4.9） 式中，k=1.381023 J/K為波爾茲曼常數(shù)，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負(fù)載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結(jié)果。光電二極管輸出的總均方噪聲電流為 （4.10） 表4.1 PIN光電二極管的一般性能4.1.3雪崩光電二極管(APD)APD的工作原理 雪崩光電二極管

12、APD是利用半導(dǎo)體材料的雪崩倍增效應(yīng)制成的。 APD的雪崩倍增原理為：當(dāng)入射光照射在APD的光敏面上，由于受激吸收原理會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)（這里稱之為一次電子-空穴對(duì)），這些光生載流子經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的高場(chǎng)區(qū)時(shí)被加速，從而獲得足夠的能量。它們?cè)诟咚龠\(yùn)動(dòng)中與晶體的原子碰撞，使晶體中的原子電離而釋放出新的電子-空穴對(duì)（為了區(qū)別，這里稱之為二次電子-空穴對(duì)），這個(gè)過程稱為碰撞電離。 新產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在高場(chǎng)區(qū)中以相反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)又被加速，又可以碰撞其他的原子，再次產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。如此反復(fù)碰撞電離的結(jié)果，使載流子數(shù)迅速增加，導(dǎo)致反向電流快速增長(zhǎng)，形成所謂的雪崩倍增效應(yīng)。 APD的工作原理為：如圖4.6

13、所示，當(dāng)光照射到APD的光敏面上時(shí)，由于受激吸收而在器件內(nèi)產(chǎn)生出一次電子-空穴對(duì)。在外加電場(chǎng)作用下，一次電子空穴對(duì)運(yùn)動(dòng)到高場(chǎng)區(qū)，經(jīng)過反復(fù)的碰撞電離過程而形成雪崩倍增現(xiàn)象，從而產(chǎn)生出大量的二次電子-空穴對(duì)一起運(yùn)動(dòng)到電極。當(dāng)外部電流閉合時(shí)，就會(huì)在外部電路中有電流流過，從而完成光電變換過程。圖 4.6APD載流子雪崩式倍增示意圖APD具有雪崩倍增效應(yīng)這個(gè)有利方面。但是，由于雪崩倍增效應(yīng)的隨機(jī)性會(huì)引入噪聲。但是不采用APD則必然要采用多級(jí)電的放大器，也會(huì)引入噪聲，兩者相比，還是采用APD較為有利。APD按使用材料的不同可分為Si-APD（工作在短波長(zhǎng)區(qū)）、Ge-APD、InGaAsP-APD等（工作在

14、長(zhǎng)波長(zhǎng)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，暗電流很小。Ge-APD工作在長(zhǎng)波長(zhǎng)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。2. APD的主要特性 對(duì)APD特性新引入的參數(shù)是倍增因子和附加噪聲指數(shù)。 (1) 倍增因子由于雪崩倍增效應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程，所以用這種效應(yīng)對(duì)一次光生電流產(chǎn)生的平均增益的倍數(shù)來描述它的放大作用，并把倍增因子g定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。 （4.11） 顯然，APD的響應(yīng)度比PIN增加了g倍。現(xiàn)有APD的g值已達(dá)到幾十甚至上百，隨反向偏壓、波長(zhǎng)和溫度而變化。(

15、2) 過剩噪聲因子 雪崩倍增效應(yīng)不僅對(duì)信號(hào)電流而且對(duì)噪聲電流同樣起放大作用，所以如果不考慮別的因素，APD的均方量子噪聲電流為 i2q=2eIpBg2 （4.12） 這是對(duì)噪聲電流直接放大產(chǎn)生的，并未引入新的噪聲成分。 事實(shí)上，雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的載流子也是隨機(jī)的，所以引入新的噪聲成分，并表示為附加噪聲因子F。F(1)是雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性引起噪聲增加的倍數(shù)，設(shè)F=gx，APD的均方量子噪聲電流應(yīng)為 i2q =2eIpBg2x （4.13） 式中，x為附加噪聲指數(shù)。 APD暗電流產(chǎn)生的均方噪聲電流應(yīng)為 i2d=2eIdBg2x (4.14) 附加噪聲指數(shù)x與器件所用材料和制造工藝有關(guān)，Si-APD的x=

16、0.30.5，Ge-APD的x=0.81.0，InGaAs-APD的x=0.50.7。當(dāng)式(4.13)和式(4.14)的g=1時(shí)，得到的結(jié)果和PIN相同。 表4.2 APD光電二極管的一般性能4.2 光接收機(jī) 在光纖通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)的作用是把接收來的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樵瓉淼碾娦盘?hào)，并放大處理，恢復(fù)為原始的數(shù)字碼流。它的性能優(yōu)劣直接影光響整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能。4.2.1光接收機(jī)的組成 圖 4.8數(shù)字光接收機(jī)方框圖 （1）光電檢測(cè)器 光電檢測(cè)器的主要作用是將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成包括基本調(diào)制信號(hào)的分量的電信號(hào)。目前采用的光電檢測(cè)器一般是PIN光電二極管或APD雪崩光電二極管，它們性能的優(yōu)劣直接影響整個(gè)

17、光接收機(jī)的性能。（2）前置放大器 在一般的光纖通信系統(tǒng)中，經(jīng)光電檢測(cè)器輸出的光電流是十分微弱的。為了保證通信質(zhì)量，必須將這種微弱的電信號(hào)通過多級(jí)放大器進(jìn)行放大。 放大器在放大的過程中，放大器本身的電阻會(huì)引入熱噪聲，放大器中的晶體管要引入散粒噪聲。不僅如此，在一個(gè)多級(jí)放大器中，后一級(jí)放大器會(huì)把前一級(jí)放大器送出的信號(hào)和噪聲同樣放大，即前一級(jí)引入的噪聲也被放大了。因此，在信號(hào)本身就微弱，同時(shí)又引入噪聲的情況下，對(duì)多級(jí)放大器中的前置放大器就有特別的要求，它應(yīng)該是低噪聲、高增益的放大器，這樣才能得到較大的信噪比。 如圖4.9所示，一臺(tái)性能優(yōu)良的光接收機(jī)，應(yīng)具有無失真地檢測(cè)和恢復(fù)微弱信號(hào)的能力，這首先要求

18、其前端應(yīng)有低噪聲、高靈敏度和足夠的帶寬。根據(jù)不同的要求，前置放大器的設(shè)計(jì)有三種方案：第一種是低阻抗前端，這種前端的放大電路簡(jiǎn)單，不需要或只需要很少的均衡，前置級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍較大，缺點(diǎn)是靈敏度低、噪聲較高；第二種是高阻抗前端，一般只適用于低速系統(tǒng)；第三種是跨（互）阻抗前端，它具有頻帶寬、噪聲低、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大等綜合優(yōu)點(diǎn)，并被廣泛采用。圖 4.9 光接收機(jī)前端框圖（3）功率放大器 功率放大器又稱主放大器，它的主要作用是將信號(hào)幅度放大到適合再生的電信號(hào)。（4）均衡濾波器 均衡濾波器的作用低通濾波和將信號(hào)波形變換成無碼間干擾的信號(hào)波形。下面把沒有均衡濾波器的波形與有均衡濾波器的波形作一比較，就會(huì)發(fā)

19、現(xiàn)均衡濾波器的必要性。 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(zhǎng)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

20、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）中明顯的看出。（5）再生器 再生器的作用是將接收的信號(hào)恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)。再生電路包括判決電路和時(shí)鐘提取電路，它的功能是從放大器輸出的信號(hào)與噪聲混合的波形中提取碼元時(shí)鐘，并逐個(gè)地對(duì)碼元波形進(jìn)行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。 圖4.11顯示了信號(hào)再生的過程。 為了判定每一比特是“0”碼還是“1”碼，首先要判定判決時(shí)刻，這就

21、需要從接收到的信號(hào)波形中提取出準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)，該時(shí)鐘信號(hào)提供位定時(shí)信息。時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)?shù)囊葡嗪?，在最佳的取樣時(shí)刻對(duì)接收波形進(jìn)行取樣，然后將取樣幅度與判決閾值（電平值）進(jìn)行比較，確定出收到的碼元是“0”還是“1”，從而把原輸入的數(shù)字信號(hào)恢復(fù)再生。最佳判決時(shí)刻應(yīng)該是升余弦波形的正負(fù)峰值點(diǎn)，這時(shí)取樣幅度最大，抗噪聲能力最強(qiáng)。對(duì)于歸零碼，信號(hào)中本身包含有的頻率分量，只需要使用一個(gè)窄帶濾波器獲得的頻率分量，然后通過倍頻獲得的分量。圖4.11 信號(hào)再生的過程（6）AGC電路 AGC電路的主要作用是穩(wěn)定光接收機(jī)輸出的信號(hào)幅度。（7）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

22、大小，來進(jìn)一步穩(wěn)定光接收機(jī)的輸出信號(hào)幅度。（8）輔助電路 光接收機(jī)除上面介紹的若干部分外，還有一些輔助電路，下面簡(jiǎn)單介紹其中的一部分：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。4.2.2 光接收機(jī)的噪聲1. 光接收機(jī)的噪聲源 散粒噪聲 假設(shè)照射到光電二極管上的光功率是恒定的，也就是

23、說單位時(shí)間內(nèi)平均光子數(shù)是恒定的。但事實(shí)上，在任意特定時(shí)間內(nèi)光子的絕對(duì)數(shù)量是未知的，是一隨機(jī)變量。因此，由光子產(chǎn)生的電子也是一隨機(jī)變量。而且形成光電流的電子數(shù)量由于它們的復(fù)合和吸收也將發(fā)生變化。因此，即使電子的平均數(shù)量是恒定的，其瞬時(shí)的絕對(duì)數(shù)量也是變化的。這種電子的絕對(duì)數(shù)量與平均數(shù)的偏差，稱為散粒噪聲。由于電流就是電子流，因此，可以用電流來描述散粒噪聲。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

24、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。當(dāng)沒有光信號(hào)照射探測(cè)器時(shí)，半導(dǎo)體材料內(nèi)的熱運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，形成所謂的暗電流，因此考慮暗電流的影響，總的散粒噪聲可表示為 （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。由以上結(jié)果可見，散粒噪聲方差比例于平均電流與接收機(jī)帶寬。

25、對(duì)于數(shù)字接收機(jī)，比特“1”與比特“0”平均光電流是不同的，前者要強(qiáng)于后者。在光接收機(jī)的設(shè)計(jì)上，為降低散粒噪聲，帶寬不宜過高，只要能完成均衡濾波功能即可。雪崩倍增噪聲 雪崩倍增噪聲是指由于APD的雪崩倍增帶來的散彈噪聲的倍增以及附加噪聲。如果流過二極管的初始電流以倍增因子g倍增，則其散粒噪聲電流與PIN光電二極管相比增加了g倍，散粒噪聲電流均方值增加了g2倍。由于雪崩倍增過程中的碰撞電離的隨機(jī)性，將會(huì)引入附加的噪聲，稱為雪崩倍增噪聲或者過剩噪聲。漏電流噪聲 漏電流是由于器件表面物理特性不完善所致，它與表面積的大小及偏置電流有關(guān)。我們可以通過嚴(yán)格的工藝制作和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來大大降低漏電流的影響。因

26、為漏電流不經(jīng)過APD的倍增區(qū)，因此漏電流不會(huì)被倍增。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)。熱噪聲 熱噪聲是在有限溫度下，導(dǎo)電介質(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)。在一個(gè)電阻中，即使沒有外加電壓也會(huì)由于熱噪聲而產(chǎn)生電流的隨機(jī)波動(dòng)。熱噪聲引起的電流的隨機(jī)波動(dòng) ，其譜密度在0-1THz范圍內(nèi)均與頻率無關(guān)，近乎是一種白噪聲， 可以用穩(wěn)態(tài)高斯隨機(jī)過程來描述，對(duì)于負(fù)載電阻 ，其熱噪聲電流的雙邊譜密度由下式給出 （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

27、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。 放大器噪聲 在強(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)的光接收機(jī)中，把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)以后，還要經(jīng)過一系列電的放大等電路系統(tǒng)。在這些電路中，電阻將引入熱噪聲，晶體管也將引入熱噪聲，尤其是前置放大器晶體管引入的噪聲影響更為嚴(yán)重。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。在這種情況下多級(jí)放大器的第一級(jí)就顯得至關(guān)重要。只要第一級(jí)放大器的增益足夠高，后面各級(jí)放大器對(duì)噪聲的影響就比較小。所以我們更關(guān)心前置放大器的噪聲。2. 噪聲的評(píng)價(jià)方法 噪聲是一種

28、隨機(jī)性的起伏量，它表現(xiàn)為無規(guī)則的電磁場(chǎng)形式，其瞬時(shí)電壓的變化形式如圖4.13所示。圖4.13 噪聲電壓及其均方隨時(shí)間的變化由于噪聲電壓 的振幅、相位等均隨時(shí)間做無規(guī)則的變化，其瞬時(shí)值的平均為零，即 ，因而無法用平均值來評(píng)價(jià)噪聲的大小。（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）信噪比（SNR） 信噪比（SNR）是評(píng)價(jià)光接收機(jī)性能的重要指標(biāo)，其定義為 （ 4.28

29、）均方散粒噪聲電流 （4.30）式中， 是接收機(jī)的帶寬，e為電子電荷。 對(duì)于熱噪聲，產(chǎn)生原因是負(fù)載電阻內(nèi)部的自由電子或電荷載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的噪聲。附加的熱噪聲電流用表示，則均方熱噪聲電流為 （4.31） 式中， 為玻爾思曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。 如果放大器的噪聲指數(shù)為 ，則該噪聲經(jīng)放大器要擴(kuò)大 倍，獲得的總均方噪聲電流為則信噪比為（4.32） (4.33) 對(duì)于PIN光接收機(jī)，通常熱噪聲占主導(dǎo)地位，散粒噪聲可忽略，則PIN光接收機(jī)的信噪比為 （4.34） 上式表明，在熱噪聲限制下，SNR與 的平方成正比，而且與 成正比，這說明可以通過大的負(fù)載電阻來提高SNR，這也是大多數(shù)光接收機(jī)采用高阻

30、抗或互阻抗前端的原因之一。4.2.3 光接收機(jī)的主要性能 光接收機(jī)的誤碼率和靈敏度是描述光接收機(jī)準(zhǔn)確檢測(cè)光信號(hào)能力的性能指標(biāo)。4.2.3.1光接收機(jī)的誤碼率光接收機(jī)的誤碼率BER的定義是： （4.35） 由于噪聲的存在，放大器輸出的是一個(gè)信號(hào)加噪聲的隨機(jī)過程，其取樣值是隨機(jī)變量，因此在判決時(shí)可能發(fā)生誤判，把發(fā)射的“0”碼誤判為“1”碼，或把“1”碼誤判為“0”碼。光接收機(jī)對(duì)碼元誤判的概率稱為誤碼率(在二元制的情況下，等于誤比特率BER)。誤碼率可以用在足夠長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)傳輸?shù)拇a流中，誤判的碼元數(shù)和接收的總碼元數(shù)的比值來表示。碼元被誤判的概率，可以用噪聲電流(壓)的概率密度函數(shù)來計(jì)算。如圖4.14

31、所示，I1是“1”碼的電流，I0是“0”碼的電流。Im是“1”碼的平均電流，而“0”碼的平均電流為0。D為判決門限值，一般取D=Im / 2。在傳輸“1”碼的條件下，如果在取樣時(shí)刻帶有噪聲的電流I1D，則可能被誤判為“1”碼。要確定誤碼率，不僅要知道噪聲功率的大小，而且要知道噪聲的概率分布。圖4.14 計(jì)算誤碼率的示意圖 設(shè)散粒噪聲均方值為s2，熱噪聲均方值為T2，因?yàn)閮蓚€(gè)高斯隨機(jī)變量的和也是高斯隨機(jī)變量，所以抽取的樣值I也符合高斯概率分布。因此，在高斯近似下，均方熱噪聲電流和均方散粒噪聲電流之和的概率密度函數(shù)仍是高斯函數(shù)，且總均方噪聲電流等于均方熱噪聲電流與均方散粒噪聲電流之和，即（4.36

32、） （4.37） P(I)=exp噪聲電流的瞬時(shí)值服從高斯分布后，其概率密度函數(shù)為: 其中I代表噪聲這一高斯隨機(jī)變 量的取值，其方差為2。然而，噪聲電流對(duì)不同的碼元取值不同，所以碼元“1”和碼元“0”的平均值和方差值是不同的。設(shè)“1”碼時(shí)的噪聲電流為I1，“0”碼時(shí)的噪聲電流為I0，12表示接收“1”碼時(shí)的均方噪聲電流，02表示接收“0”碼時(shí)的均方噪聲電流。 P1（I）和P0(I)的分布曲線如圖4.16所示。獲得最小誤碼率的最佳判決電平D0應(yīng)處于兩條概率密度函數(shù)曲線的相交點(diǎn)上。P(1/0)P(0/1)OI“1”碼P20D21P0(I)P1(I)“0”碼I0I1圖4.16 接收信號(hào)脈沖的概率密度

33、 電壓I0超過判決電平D的概率，即把“0”碼誤判為“1”碼的概率為 Pe（1/0）= （4.38）它等于P0（I）曲線上D值右邊部分面積。發(fā)送“1”碼被誤判為“0”碼的概率為 Pe（0/1）= （4.39）它等于P1（I）曲線上D值左邊部分面積。 如果號(hào)碼流中發(fā)送“1”碼和“0”碼的概率是相通的，即均為1/2，則總誤碼率為BER=P(0)Pe(1/0)+P(1)Pe(0/1)=Pe(1/0+Pe(0/1)/2 （4.40） 為了將接收機(jī)的性能和誤碼率聯(lián)系起來，分別對(duì)兩式進(jìn)行變量替換，令x= y= （4.41）則兩式變?yōu)?（4.42） （4.43）總誤碼率為：（4.44） 可得到誤碼率和判決門限

34、之間的關(guān)系，通過調(diào)節(jié)D可使 得BER減小，D值即為最佳判決門限D(zhuǎn)0，而且圖4.16中兩 部分的陰影面積之和最小。但是D0的求解比較困難，通常認(rèn)為Pe（1/0）=Pe(0/1)時(shí)可獲得最小的誤碼率。引入?yún)?shù)Q，Q為超擾比，定義為 總誤碼率可進(jìn)一步化簡(jiǎn)為（4.45） （4.46） 由此可見，只要知道Q值，就可根據(jù)式(4.46) 的積分求出誤碼率，結(jié)果示于圖4.17。例如：Q=6，BER109，Q7，BER=10-12。 圖4.17誤碼率和Q的關(guān)系4.2.3.2光接收機(jī)的靈敏度 靈敏度是衡量光接收機(jī)性能的綜合指標(biāo)。靈敏度Pr的定義是，在保證通信質(zhì)量(限定誤碼率或信噪比)的條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率Pr ，并以dBm為單位。由定義得到（4.47） 靈敏度表示光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，能夠接收微弱光信號(hào)的能力。提高靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號(hào)。那么，理想光接收機(jī)的靈敏度可以達(dá)到多少? 影響光接收機(jī)的靈敏度有哪些因