浙江傳媒學(xué)院上課版本

第五章光檢測(cè)器與光接收機(jī)5.1光檢測(cè)器5.2光電二極管特性5.3光接收機(jī)5.4光中繼器HHOR7100A經(jīng)濟(jì)型小殼光接收機(jī)家用雙向光接收機(jī)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電路線性通道對(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。時(shí)鐘提取與數(shù)據(jù)再生（CDR）性能指標(biāo):接收靈敏度誤碼率或信噪比前端光信號(hào)探測(cè)器抑制碼間干擾光電轉(zhuǎn)換器件，光接收機(jī)的首要部件當(dāng)前的光檢測(cè)器主要是半導(dǎo)體光檢測(cè)器以光電二極管應(yīng)用最廣泛。常用的有PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）要求:高效率、響應(yīng)速度快，線性好及頻帶寬低噪聲、器件本身對(duì)信號(hào)的影響小。體積小、壽命長(zhǎng)、高可靠、工作電壓低等。入射光半導(dǎo)體5.1光檢測(cè)器5.1光檢測(cè)器光電二極管光檢測(cè)器的原理工作原理----受激吸收。

加反向偏壓，形成耗盡區(qū)。

□在半導(dǎo)體材料上，當(dāng)入射光子能量h超過帶隙能量Eg時(shí)，產(chǎn)生電子--空穴對(duì)。

□在外加電壓建立的電場(chǎng)的作用下，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移。

□電子到達(dá)N區(qū)，空穴到達(dá)P區(qū)，被外電路吸收，形成光生電流。其光生電流大小Ip與入射光功率Pin成比例：R—光電檢測(cè)器的響應(yīng)度（A/W）5.1.1PN光電二極管(1)工作原理：入射光從P側(cè)進(jìn)入，在耗盡區(qū)光吸收產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)作用下分別向左右兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生光電流。響應(yīng)時(shí)間：由光功率輸入轉(zhuǎn)化為光電流輸出，有一定時(shí)間遲后，其值主要決定于載流子通過耗盡區(qū)的渡越時(shí)間。W為耗盡層寬度，v為載流子漂移速度。帶寬受限的主要因素:產(chǎn)生的光電流中存在擴(kuò)散分量，它與耗盡區(qū)外的光吸收有關(guān)。載流子作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的時(shí)延將使檢測(cè)器輸出電流脈沖后沿的托尾加長(zhǎng)，影響光電二極管的響應(yīng)速度。5.1.1PN光電二極管(1)擴(kuò)散分量的存在導(dǎo)致光電二極管瞬態(tài)響應(yīng)失真考慮漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)PN光電二極管對(duì)矩形脈沖的響應(yīng)解決方法：減小P,N區(qū)厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，使大部分入射光功率在耗盡區(qū)吸收，減少P,N區(qū)吸收的光能--PINPIN光電二極管結(jié)構(gòu)：在PN結(jié)間插入一層非摻雜或輕摻雜半導(dǎo)體材料，以增大耗盡區(qū)寬度w，達(dá)到減小擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響，提高響應(yīng)度的要求。由于PN結(jié)中間插入的半導(dǎo)體材料近似為本征半導(dǎo)體(Intrinsic)，因此這種結(jié)構(gòu)稱為PIN光電二極管。I區(qū)高阻抗,電壓基本都落在I區(qū)PIN光電二極管及反偏時(shí)各層的場(chǎng)分布PIN光電二極管雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)：N區(qū)和P區(qū)：InP（磷化銦），對(duì)>920nm的光透明；I區(qū):InGaAs；

=1300~1600nm強(qiáng)烈吸收InGaAs（銦砷化鎵），電子在InGaAs中的傳輸速度是硅的數(shù)倍。MIT的MTL（微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室）最近演示了用InGaAs制作的晶體管，傳輸電流是最先進(jìn)的硅晶體管的2.5倍。而InGaAs晶體管的尺寸僅僅為60納米。InGaAs晶體管的優(yōu)點(diǎn)是能夠減少芯片尺寸，提高信息處理的速度.廣泛用于探測(cè)器!

InGaAsPIN光電二極管的結(jié)構(gòu)每個(gè)在能級(jí)之間躍遷的電子只吸收一個(gè)光子產(chǎn)生光電流需滿足條件： hf≥Eg

因=c/f

即:≤

C=hc/EgEg使用電子伏特（ev）,為微米（m）截止波長(zhǎng)：Si:c=1.06mGe,InGaAs:c=1.6m

響應(yīng)波長(zhǎng):Si:0.5-1.0mGe,InGaAs:1.1-1.6mPIN光電二極管

雪崩光電二極管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(chǎng)加速增加了一個(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)的作用。Ip:光生電流Pin：入射光功率

5.2光電二極管特性

1.量子效率入射光功率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.產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)的個(gè)數(shù)入射的光子數(shù)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。但是，耗盡區(qū)越厚，光生載流子漂移渡越(across)反向偏置結(jié)的時(shí)間就越長(zhǎng)。由于載流子的漂移時(shí)間又決定了光電二極管的響應(yīng)速度，所以必須在響應(yīng)速度和量子效率之間采取折衷。

5.2光電二極管特性

R:響應(yīng)度2.響應(yīng)速度

可用響應(yīng)時(shí)間來表征。

取決于渡越耗盡層時(shí)間

e為電子電荷，其值為1.6×10-19C。3.響應(yīng)度

(a)響應(yīng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系A(chǔ)PD倍增系數(shù)倍增系數(shù)

IG--平均輸出電流，

IP--一次光生電流倍增系數(shù)G與電離系數(shù)及增益區(qū)厚度有關(guān)。GV11010020oC40oC60oC TVB。APD實(shí)用時(shí)應(yīng)在偏置電路中加溫度補(bǔ)償,或與AGC電路連接。APD的溫度特性光電二極管特性信噪比也是衡量接收機(jī)好壞的重要指標(biāo)，光接收機(jī)的噪聲主要來源于光電檢測(cè)器和其后面的前置放大器，而暗電流就是光檢測(cè)器產(chǎn)生噪聲的原因之一。暗電流Id定義為無光照射時(shí)光電二極管的反向電流，主要是由熱激發(fā)而形成的載流子引起的。在PIN光電二極管中，由于體內(nèi)暗電流不會(huì)受到倍增作用且檢測(cè)器本身處于反向偏置狀態(tài)，所以其值要比表面暗電流小得多。因此，PIN光電二極管的暗電流大小主要決定于其表面暗電流。在APD中，由于體內(nèi)暗電流有倍增，其值遠(yuǎn)大于表面暗電流。所以APD的暗電流主要是指體內(nèi)暗電流。由于倍增作用，APD的暗電流要比PIN-PD的暗電流大得多。隨溫度上升，暗電流將會(huì)急劇增加。暗電流會(huì)引起光接收機(jī)的噪聲增大，因此，希望器件的暗電流越小越好。光檢測(cè)器的比較（1）Si、Ge、InGaAspin光電二極管的通用工作特性參數(shù)參數(shù)符號(hào)單位SiGeInGaAs波長(zhǎng)范圍nm400~1100800~16501100~1700響應(yīng)度RA/W0.4~0.60.4~0.50.75~0.95暗電流IDnA1~1050~5000.5~2.0上升時(shí)間rns0.5~1.00.1~0.50.05~0.5帶寬BGHz0.3~0.70.5~3.01.0~2.0偏置電壓VBV55~105Si、Ge、InGaAs雪崩光電二極管的通用工作特性參數(shù)光檢測(cè)器的比較（2）參數(shù)符號(hào)單位SiGeInGaAs波長(zhǎng)范圍nm400~1100800~16501100~1700雪崩增益M——20~40050~20010~40暗電流IDnA0.1~150~50010~50@M=10上升時(shí)間rns0.1~20.5~0.80.1~0.5增益帶寬積M?BGHz100~4002~1020~250偏置電壓VBV150~40020~4020~30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(zhǎng)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(chǎng)合而選定。光檢測(cè)器的比較（3）§5.3光接收機(jī)光接收機(jī)的基本組成§5.3光接收機(jī)5.3.1光接收機(jī)的前端(1)電信號(hào)光信號(hào)光電變換前置放大前端：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5.3.1光接收機(jī)的前端(2)光檢測(cè)器的選擇：要視具體應(yīng)用場(chǎng)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(jiǎn)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(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。PIN/FET和APD/FET。5.2.1光接收機(jī)的前端(3)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(jiǎn)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5.3.1光接收機(jī)的前端(4)高阻抗前端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（等效輸入電阻很小）、低噪聲（反饋電阻可以取得很大）、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大等綜合優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用。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).5.3.2光接收機(jī)的線性通道可根據(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碼間干擾最小的升余弦波形。5.3.3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”，則由再生電路重新輸入一個(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5.3.3判決、再生過程均衡器輸出波形時(shí)鐘再生后的信號(hào)判決電壓最佳取樣時(shí)間相應(yīng)于“1”和“0”信號(hào)電平相差最大的位置，可有眼圖決定。5.3.4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倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：散粒噪聲光檢測(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)。5.3.5光接收機(jī)主要性能指標(biāo)接收靈敏度：接收機(jī)工作于某一誤碼率所要求的最小平均接收光功率。靈敏度是光接收機(jī)的重要指標(biāo)，描述了其準(zhǔn)確檢測(cè)光信號(hào)的能力。

PR為輸入最小光功率誤碼率（BER）：接收機(jī)判決電路錯(cuò)誤確定一個(gè)比特的概率。噪聲引起誤碼的圖解說明光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍是指在保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)的條件下，接收機(jī)的最大允許平均接收光功率與最小平均接收光功率之差

可以用dB表示為5.3.5光接收機(jī)主要性能指標(biāo)3.動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍表征了光接收機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的適應(yīng)能力。例1:某光纖通信系統(tǒng)中光源平均發(fā)送光功率為-28

dBm，光纖線路傳輸距離為

20

km，損耗系數(shù)為0.5

dBm/km，(1)試求接收端收到的光功率為多少？(2)若接收機(jī)靈敏度為-40dBm，試問該信號(hào)能否被正常接收？(3)若光源平均發(fā)送光功率增大至-10dBm，光接收機(jī)剛好能將其正常接收，試求光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍為多少？解：(1)接收端收到的光功率

P=-28

dBm-0.5

dBm/km×20

km=-38

dBm。

(2)

-38

dBm>-40

dBm能正常接收。

(3)

Pmax=-10dBm-0.5×20

dBm=-10

dBm-10

dBm=-20

dBm，接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍：

D=Pmax-Pmin=-20dB-(-40

dBm)=20

dBm。例2:

在滿足一定誤碼率的條件下，光接收機(jī)最大接收光功率為0.1

mW，最小接收光功率為1

000

nW。

(1)求接收機(jī)靈敏度和接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍。

(2)已知某個(gè)接收機(jī)的靈敏度為-40

dBm，動(dòng)態(tài)范圍為20

dBm，若收到的光功率為2μW

，系統(tǒng)能否正常工作？解：(1)接收機(jī)靈敏度為

dBm

動(dòng)態(tài)范圍為

dBm(2)根據(jù)靈敏度為-40dBm,

可求得=0.1

，由動(dòng)態(tài)范圍為20

dBm，可求得為10

μW，因?yàn)?0μW

>2μW

>0.1μW

，故能夠正常工作。二進(jìn)制信號(hào)的誤碼概率二進(jìn)制信號(hào)的誤碼概率二進(jìn)制信號(hào)的誤碼概率二進(jìn)制信號(hào)的誤碼概率Q被廣泛用來說明接收機(jī)的特性。Q=6，BER=10E-9Q>7，BER<10E-12通常:2.5Gb/s系統(tǒng)的接收靈敏度對(duì)應(yīng)于BER=10E-9；10Gb/s系統(tǒng)的接收靈敏度對(duì)應(yīng)于BER=10E