第4章光接收設(shè)備

第4章光接收設(shè)備4.1光接收機(jī)組成及性能指標(biāo)4.2光檢測(cè)器4.3光接收機(jī)電路4.4光接收機(jī)的信噪比4.5光接收機(jī)的靈敏度

4.1光接收電路4.2輸出電路

4.1光接收機(jī)組成及性能指標(biāo)1．光接收機(jī)基本構(gòu)成將輸入光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出電脈沖信號(hào)，即進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換前端線性通道數(shù)字信號(hào)恢復(fù)電路（非線性電路）線路譯碼輸出接口光接收機(jī)光信號(hào)電信號(hào)2．光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)（1）靈敏度Sr定義為Pr是在給定誤碼率條件下，光接收機(jī)所需要的最小平均光功率。靈敏度反映光接收機(jī)接收弱光信號(hào)的能力大小。

光接收機(jī)的靈敏度指標(biāo)主要由光檢測(cè)器件和前置放大器的性能所決定。（2）動(dòng)態(tài)范圍DPmax和Pmin分別是光接收機(jī)在所期望的誤碼率條件下的最大和最小平均接收光功率。其中Pmin就是靈敏度Sr對(duì)應(yīng)的Pr。

動(dòng)態(tài)范圍表示光接收機(jī)在指定的誤碼率條件下所能接收的光功率變化范圍的大小，它反映光接收機(jī)適應(yīng)強(qiáng)光信號(hào)的能力。4.2光檢測(cè)器（PIN和APD）半導(dǎo)體ＰＮ光電二極管內(nèi)光電效應(yīng)是光照射到半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)生受激吸收產(chǎn)生光生載流子形成光電流光照射到半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)生受激吸收產(chǎn)生光生載流子,運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)線回路形成光生電流光生電流包括漂移電流+擴(kuò)散電流檢測(cè)光的原理是光電效應(yīng)有外光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)利用內(nèi)光電效應(yīng)制作的光檢測(cè)器是入射光從P側(cè)進(jìn)入，在耗盡區(qū)內(nèi)、外被吸收現(xiàn)有兩種改進(jìn)方案PIN光電二極管，雪崩光電二極管(APD)漂移電流擴(kuò)散電流在耗盡區(qū)外產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)，由于濃度不均勻進(jìn)行擴(kuò)散分別向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生光電流是擴(kuò)散電流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多，這部分載流子作擴(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拖尾加長(zhǎng)，影響光電二極管的響應(yīng)速度在耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)，并在內(nèi)建場(chǎng)的作用下分別向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生光電流是漂移電流1、PIN光電二極管如何減少擴(kuò)散電流的影響？當(dāng)縮短P區(qū)和N區(qū)的寬度，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，可降低擴(kuò)散的影響加大反向電壓？在pn結(jié)的中間插入一層本征半導(dǎo)體材料這種結(jié)構(gòu)稱為PIN光電二極管增大耗盡層的寬度w減小載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響提高響應(yīng)速度，提高了光電轉(zhuǎn)換效率。通常用于光波系統(tǒng)的PIN光電二極管采用InGaAs作為中間層，用InP作為P層和N層的覆蓋層，光子僅在耗盡區(qū)內(nèi)吸收，完全消除了擴(kuò)散分量，采用幾微米厚的InGaAs,效率可接近100%2、APD雪崩光電二極管APD的結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上能承受高反向偏壓，在PN結(jié)內(nèi)部形成一高電場(chǎng)區(qū)(≈

3×105V／cm)入射光功率產(chǎn)生的電子—空穴經(jīng)過(guò)高場(chǎng)區(qū)時(shí)不斷被加速而獲得很高的能量，這些高能量的電子或空穴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與價(jià)帶中的束縛電子碰撞，使晶格中的原子電離，產(chǎn)生新的電子—空穴對(duì)。新產(chǎn)生的電子—空穴受到同樣加速運(yùn)動(dòng)，又與原子碰撞電離，產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，稱為二次電子—空穴對(duì)。如此重復(fù)，使載流子和反向電流迅速增大，這個(gè)物理過(guò)程與光電倍增管類似，稱為雪崩倍增效應(yīng)。雪崩過(guò)程倍增了一次光電流，使之得到放大。為了使載流子獲得高能量以產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，雪崩區(qū)需建立高電場(chǎng)，因此APD工作時(shí)的偏置電壓較高，達(dá)幾百伏。APDAvalanchPhotodiode（2）雪崩型光電二極管（APD）APD在薄的重?fù)诫s的P+區(qū)和N+區(qū)之間夾入I區(qū)（較厚）和P區(qū)，I區(qū)是耗盡區(qū)（作為光子的主要吸收區(qū)），P區(qū)是高電場(chǎng)區(qū)（高于I區(qū)電場(chǎng)，作為碰撞電離區(qū)）。APD的特點(diǎn)是：光電轉(zhuǎn)換效率高（有光生電流放大作用，即雪崩倍增作用），響應(yīng)速度快。APD光電二極管光電二極管又稱為光敏二極管。其工作方式為負(fù)偏置方式，其中PIN的負(fù)偏壓約為幾至幾十伏，APD的負(fù)偏壓約為幾十至一百多伏。3、光電二極管的主要特性參數(shù)（1）截止工作波長(zhǎng)（上限使用波長(zhǎng)）c定義截止工作波長(zhǎng)c為

≤c時(shí)能產(chǎn)生光生電流，＞c時(shí)不能產(chǎn)生光生電流例如：c=1.06μm（Si）和1.6μm（Ge）

光生載流子條件為光電轉(zhuǎn)換受激吸收（2）量子效率定義通常，

=30％～90％（3）響應(yīng)度R定義：?jiǎn)挝蝗肷涔夤β仕a(chǎn)生的一次光生電流，稱為響應(yīng)度R。通常，R=0.5A/W左右。（4）響應(yīng)時(shí)間定義：響應(yīng)時(shí)間為光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的渡越時(shí)間d與光檢測(cè)回路的RC時(shí)間常數(shù)RC之和，即=d+RC

d≈耗盡區(qū)寬度/光生載流子漂移速度。

RC≈RLCd,RL是負(fù)載電阻，Cd是光電二極管結(jié)電容。光電二極管等效電路（5）APD倍增因子M定義：APD有倍增時(shí)總的光生電流與未倍增的一次光生電流之比，稱為倍增因子。即經(jīng)驗(yàn)公式式中，V為外加反向偏壓；

VB為擊穿電壓(一般選擇VB大的APD)；

m是常數(shù)因子。此外，M與T有關(guān)，T則M。通常M=10～100。

（6）量子噪聲與APD附加噪聲指數(shù)定義：光束中光子數(shù)目波動(dòng)引起光生電流波動(dòng)，產(chǎn)生光生電流散粒噪聲，稱為量子噪聲。2eIPfM2是倍增噪聲，F(xiàn)是倍增噪聲附加項(xiàng)。x稱為附加噪聲指數(shù)，x≤1。例如，Si-APD（0.85m）的x=0.3～0.5，Ge-APD（1.31m）的x=0.8～1.0，InGaAsP-APD（1.31m）的x=0.5～0.7。

其均方值為PINPIN（7）暗電流Id定義：無(wú)光照射時(shí)，光電二極管的反向電流，稱為暗電流Id。暗電流Id越小越好。

M是APD倍增因子，x是附加噪聲指數(shù)。通常，PIN的Id＜1nA，APD的Id=1～幾十nA

暗電流Id構(gòu)成本底背景噪聲，稱為暗電流散粒噪聲，其電流均方值為4.1光接收機(jī)組成及性能指標(biāo)4.2光檢測(cè)器1、PIN光電二極管2、APD雪崩光電二極管3、光電二極管的主要特性參數(shù)1、光接收機(jī)組成2、性能指標(biāo)APD倍增因子M4.3接收機(jī)電路（1）．基本功能將光檢測(cè)器件輸出的微弱電流信號(hào)（通常為10-7～10-5A）進(jìn)行放大，以適合后續(xù)電路的需要。低噪聲高靈敏度合適的帶寬大的動(dòng)態(tài)范圍良好的溫度穩(wěn)定性等前置放大器的重要指標(biāo)是：1、前置放大器有三種電路方式低阻抗前端高阻抗前端跨阻抗前端低阻抗前端這種前端從頻帶要求出發(fā)選擇光檢測(cè)器的負(fù)載電阻RL，使其滿足Δf為碼速率所要求的前端帶寬；Ct=CPN+Cs+Ca；CPN---為光電二極管的結(jié)電容；Cs---為光電二極管和前置放大器引線的雜散電容；Ca---為前置放大器的輸入電容。低阻抗前端優(yōu)點(diǎn)：：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)范圍也較大。低阻抗前端缺點(diǎn)：靈敏度較低，噪聲比較高。高阻抗前端為減小低阻抗前端熱噪聲，可采用高阻抗前端設(shè)計(jì)方案。但是負(fù)載阻抗RL增大后將使前置放大器動(dòng)態(tài)范圍縮小，而且當(dāng)比特率較高時(shí)，輸入端信號(hào)的高頻分量損失過(guò)大，對(duì)均衡電路要求較高，很難實(shí)現(xiàn)，所以高阻抗前端一般只適用于低速系統(tǒng)。高阻抗前端優(yōu)點(diǎn)：噪聲低，靈敏度高。高阻抗前端缺點(diǎn)：帶寬窄，需要增加均衡網(wǎng)絡(luò)，對(duì)頻響特性進(jìn)行補(bǔ)償，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)態(tài)范圍小?？?互)阻抗前端這種前端將負(fù)載電阻連接為反相放大器的反饋電阻，因而又稱互阻抗前端。是一個(gè)性能優(yōu)良的電流—電壓轉(zhuǎn)換器，即使RL很高，而負(fù)反饋使有效輸入阻抗降低了G倍，從而使其帶寬比高阻抗前端增加了G倍，動(dòng)態(tài)范圍也提高了，所以具有頻帶寬、噪聲低、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大等綜合優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用。

（2）．典型電路：FET互阻抗前置放大器該電路的主要特點(diǎn)：采用了共源-共基-共集方式，內(nèi)部反饋小，即后級(jí)電路對(duì)前級(jí)電路的影響小，電路穩(wěn)定性好；采用了負(fù)反饋，使放大器輸入阻抗有所減小，有利于增大帶寬。FET共源放大共基放大兩級(jí)共集放大PIN-FET集成組件2、主放大器（1）基本功能將前置放大器輸出電壓信號(hào)（通常為毫伏數(shù)量級(jí)）放大到適合于后級(jí)判決電路所需要的幅度范圍（幾伏數(shù)量級(jí)）。主放大器的電壓增益變化范圍要求比較大，以適應(yīng)前端入射光功率動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)，為此需要有自動(dòng)增益控制（AGC）功能。（2）典型電路：雙柵FET主放大器雙柵FET共源放大集成IC放大3、接收機(jī)的噪聲系數(shù)光接收機(jī)前端光電轉(zhuǎn)換后信號(hào)電流很小，接收機(jī)中噪聲也就應(yīng)很小。在設(shè)計(jì)接收機(jī)放大器時(shí)內(nèi)部噪聲應(yīng)該很小才行。放大器的內(nèi)部噪聲用噪聲系數(shù)表示兩級(jí)放大器的噪聲系數(shù)證明：級(jí)聯(lián)放大器前置放大器主放大器噪聲系數(shù)4、均衡器（1）基本功能對(duì)主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，使其變?yōu)樯嘞倚盘?hào)，以利于克服碼間干擾進(jìn)行幅度判決。（2）碼間干擾（ISI）產(chǎn)生原因光纖色散引起光脈沖展寬，當(dāng)光脈沖展寬超過(guò)分配給它們的時(shí)隙時(shí)，以致一部份光脈沖能量進(jìn)入相鄰時(shí)隙，對(duì)鄰近碼元信號(hào)產(chǎn)生干擾，稱為碼間干擾。碼間干擾使判決電路的輸入信噪比降低。碼間干擾是產(chǎn)生誤碼的重要原因。

光脈沖展寬是不可避免的，如何減少或抑制展寬引起的干擾？若單個(gè)碼元的時(shí)域展寬波形的主峰峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻以及各個(gè)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻是等間隔分布的，并且其間隔時(shí)間t等于碼元周期Tb，則用這種碼元時(shí)域展寬波形組成的碼元序列，在傳號(hào)碼元波形的主峰峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻上不會(huì)出現(xiàn)其他碼元信號(hào)的非零值，在空號(hào)碼元的零值中心時(shí)刻上也不會(huì)出現(xiàn)其他碼元信號(hào)的非零值，因而就不會(huì)產(chǎn)生碼間干擾。所以，在傳號(hào)碼元的主峰峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻上和在空號(hào)碼元的零值中心時(shí)刻上進(jìn)行幅度判決，不會(huì)產(chǎn)生誤碼。（3）碼間干擾消除方法升余弦信號(hào)符合以上要求，其特點(diǎn)為：①具有等間隔分布的主峰峰值時(shí)刻和零點(diǎn)時(shí)刻；②具有比尖銳截止低通信號(hào)更短和更細(xì)的拖尾(即次峰個(gè)數(shù)少、幅度低)

當(dāng)均衡器輸出升余弦波形時(shí)，發(fā)送端輸出的基帶數(shù)字脈沖信號(hào)，只要嚴(yán)格按照f(shuō)b=1/Tb的速率發(fā)送，則在均衡器輸出信號(hào)的波峰峰值處不會(huì)產(chǎn)生碼間干擾。升余弦信號(hào)時(shí)域函數(shù)頻域函數(shù)滾降因子（4）均衡電路均衡電路是專門的濾波及頻率補(bǔ)償電路，其輸出波形應(yīng)當(dāng)接近升余弦波。實(shí)現(xiàn)方法是，補(bǔ)償某些頻率、抑制某些頻率。LRC濾波器均衡電路圖：調(diào)試該電路時(shí)，須根據(jù)眼圖的狀況來(lái)調(diào)整Rc和Re。眼圖眼圖張開程度越大，則碼間干擾越小，越有利于判決。4.1.6基線恢復(fù)1．基本功能

將升余弦信號(hào)的基線固定在某一電平上不變。2．典型電路

（1）二極管鉗位器(用于速率≤34Mb/s的光纖通信系統(tǒng))（2）差分電路負(fù)反饋鉗位器（用在速率為140Mb/s的光纖通信系統(tǒng)中）4.1.7幅度判決1．基本功能將均衡器輸出并經(jīng)過(guò)基線恢復(fù)處理的升余弦波信號(hào)整形為非歸零（NRZ）的矩形脈沖信號(hào)，以利于時(shí)鐘提取。2．典型電路4.1.8非線性處理1．基本功能將幅度判決輸出的非歸零矩形脈沖序列信號(hào)變?yōu)闅w零矩形脈沖序列信號(hào)，以利于提取時(shí)鐘信號(hào)。

NRZ與RZ脈沖序列信號(hào)的區(qū)別如下：

（1）時(shí)域：NRZ脈沖寬度τ等于碼元周期Tb，RZ脈沖寬度τ小于碼元周期Tb(τ=Tb/m，其中m=2,3,4…)。（2）頻域：NRZ功率譜沒(méi)有時(shí)鐘頻率的線譜分量，RZ功率譜則有之。單極性NRZ和RZ脈沖序列信號(hào)的時(shí)域和頻域波形圖2．典型電路非線性處理電路及其各點(diǎn)信號(hào)的波形圖

4.1.9時(shí)鐘提取1．基本功能從非線性處理電路輸出的RZ信號(hào)中獲得按時(shí)鐘頻率fb振蕩的余弦信號(hào)。其中fb=1/Tb。2．典型電路：LC諧振放大器4.1.10限幅移相1．基本功能將時(shí)鐘提取電路輸出的一列幅度變化很大的余弦振蕩信號(hào)進(jìn)行限幅，得到矩形脈沖信號(hào)，再經(jīng)過(guò)移相和電平變換，變成后續(xù)電路所需要的時(shí)鐘信號(hào)。2．典型電路：射極耦合限幅移相電路狀態(tài)Ⅰ：VT2截止、VT3導(dǎo)通；狀態(tài)Ⅱ：VT2和VT3同時(shí)導(dǎo)通；狀態(tài)Ⅲ：VT2導(dǎo)通、VT3截止射極耦合限幅移相電路及其輸入和輸出信號(hào)的波形圖4.1.11定時(shí)判決1．基本功能利用限幅移相電路輸出的時(shí)鐘脈沖的控制作用，將幅度判決電路輸出的NRZ脈沖信號(hào)（其前、后沿有較大抖動(dòng)）變成與發(fā)送端一致的NRZ脈沖信號(hào)（抖動(dòng)很?。?。2．典型電路：使用D觸發(fā)器D觸發(fā)器定時(shí)判決電路及其輸入和輸出信號(hào)4.4光收機(jī)的信噪比4.4光接收機(jī)的信噪比1、接收機(jī)的噪聲暗電流及漏電流噪聲，它們均與光照無(wú)關(guān)。在小信號(hào)時(shí)，光檢測(cè)器的偏置電阻及放大器電路的熱噪聲起重要作用。量子噪聲(或散彈噪聲)來(lái)自單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)光檢測(cè)器上信號(hào)光子數(shù)的隨機(jī)性，因此它與信號(hào)電平有關(guān)。在采用APD作光檢測(cè)器時(shí)，倍增過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特征產(chǎn)生附加的散彈噪聲，它隨倍增增益而增加。4.3接收機(jī)電路1、前置放大器2、主放大器3、均衡濾波器低噪聲，高靈敏度，合適的帶寬，采用前置和主放分級(jí)設(shè)計(jì)，前置采用互阻抗電路主放大器是高增益，大動(dòng)態(tài)范圍設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)范圍取決于AGC電路均衡器消除碼間干擾，采用升余弦濾波特性4.4光接收機(jī)的信噪比1、接收機(jī)的噪聲檢測(cè)器量子噪聲暗電流噪聲負(fù)載熱噪聲放大器噪聲PIN量子噪聲APD量子噪聲暗電流噪聲負(fù)載熱噪聲放大器熱噪聲光檢測(cè)器前置放大器主放大器均衡器數(shù)字信號(hào)恢復(fù)、時(shí)鐘前置放大器輸入端的噪聲電流方差判決電路輸入端噪聲電流方差+放大器熱噪聲2、PIN光接收機(jī)的信噪比信噪比（SNR）是評(píng)價(jià)光接收機(jī)性能的重要指標(biāo)對(duì)于PIN光接收機(jī)在判決電路輸入端信號(hào)電流均方值為判決電路輸入端噪聲電流方差3、APD光接收機(jī)的信噪比在判決電路輸入端信號(hào)電流均方值為判決電路輸入端噪聲電流方差4、PIN信噪比與噪聲的關(guān)系熱噪聲限制下，在高阻抗或互阻抗前端光接收機(jī)中，σT>>σs，熱噪聲決定了接收的性能，散粒噪聲可忽略（1）SNR隨入射功率平方倍變化，（2）增加負(fù)載電阻可以提高信噪比。說(shuō)明為什么大多數(shù)光接收機(jī)采用高阻抗或互阻抗前端的原因散粒噪聲限制下增大入射功率可達(dá)到散粒噪聲限制，同時(shí)減小暗電流Id的影響的效果，當(dāng)忽略Id的影響時(shí)在散粒噪聲限制下，SNR隨Pin線性增加，并隨量子效率η、有效噪聲帶寬Δf和光子能量hν而變?nèi)绻勘忍亍?”中的光能量為Ep‘光子數(shù)為Np帶寬Δf的典型值為Δf＝B/2，則有SNR＝ηNp。在散粒噪聲限制下，η=1,欲得SNR＝20dB，則需Np≈1003APD光接收機(jī)的信噪比在給定輸入功率Pin時(shí)，為達(dá)到最大SNR所要求的APD增益，即倍增增益的最佳值MoptAPD信噪比與噪聲的關(guān)系熱噪聲限制下比PIN接收機(jī)提高了倍散粒噪聲限制下比PIN接收機(jī)降低了倍例題1：lnGaAsPIN光接收機(jī)具備如下參數(shù)：PIN的響應(yīng)度R=0.8(A/W),光電管暗電流Id＝5nA,負(fù)載電阻RL＝300k，絕對(duì)溫度T＝300k；

；放大器帶寬是500MHz；放大器噪聲系數(shù)NF=6計(jì)算在入射光功率Pin＝50nW時(shí)，接收機(jī)的信噪比SNR。解：4.5數(shù)字光接收機(jī)的靈敏度光接收機(jī)的靈敏度是描述其準(zhǔn)確檢測(cè)光信號(hào)能力的一種性能指標(biāo)在幾種接收機(jī)中，如果某一接收機(jī)能在較低的入射功率下達(dá)到同樣的性能，就稱該接收機(jī)比較靈敏。數(shù)字光接收機(jī)的性能標(biāo)準(zhǔn)由誤碼率(BER)決定對(duì)數(shù)字光接收機(jī)通常使用的標(biāo)準(zhǔn)要求是光接收機(jī)的靈敏度定義為接收機(jī)工作于的BER所要求的最小平均接收光功率。對(duì)新型高性能光波系統(tǒng)，規(guī)定要求達(dá)到甚至1、光接收機(jī)的誤碼率在光纖通信系統(tǒng)中，雖然發(fā)送信號(hào)是由兩個(gè)完全確定的光功率電平“1”和“0”組成，但從光接收機(jī)均衡器輸出的待判決信號(hào)，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(shí)就有可能產(chǎn)生誤碼。傳送的信號(hào)接收到的判決前的信號(hào)被噪聲干擾失真判決后的信號(hào)判決時(shí)刻td判決電平ID如果傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)流中“1”碼出現(xiàn)的概率為誤碼有兩種：“1”碼錯(cuò)判為“0”“0”碼錯(cuò)判為“1”“0”碼出現(xiàn)的概率為“1”碼錯(cuò)判為“0”的條件概率為“0”碼錯(cuò)判為“1”的條件概率為數(shù)據(jù)流的誤碼率（比特差錯(cuò)率）為在光發(fā)送機(jī)中經(jīng)過(guò)線路編碼后，“1”碼和“0”碼出現(xiàn)概率均等？為什么有誤碼，因?yàn)橛性肼暸袛噱e(cuò)誤與噪聲的特性有直接相關(guān)設(shè)信號(hào)為“0”碼時(shí)，電流取不同值的概率密度為信號(hào)為“1”碼時(shí)，電流取不同值的概率密度為設(shè)電流判決值取，判為“1”碼，判為“0”碼“0”碼錯(cuò)判為“1”碼的概率，就是“0”碼時(shí)