第4章光接收設(shè)備

第4章光接收設(shè)備4.1光接收機組成及性能指標4.2光檢測器4.3光接收機電路4.4光接收機的信噪比4.5光接收機的靈敏度

4.1光接收電路4.2輸出電路

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

光接收機的靈敏度指標主要由光檢測器件和前置放大器的性能所決定。（2）動態(tài)范圍DPmax和Pmin分別是光接收機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對應(yīng)的Pr。

動態(tài)范圍表示光接收機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，它反映光接收機適應(yīng)強光信號的能力。4.2光檢測器（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,運動到導(dǎo)線回路形成光生電流光生電流包括漂移電流+擴散電流檢測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)制作的光檢測器是入射光從P側(cè)進入，在耗盡區(qū)內(nèi)、外被吸收現(xiàn)有兩種改進方案PIN光電二極管，雪崩光電二極管(APD)漂移電流擴散電流在耗盡區(qū)外產(chǎn)生的電子—空穴對，由于濃度不均勻進行擴散分別向兩側(cè)運動，產(chǎn)生光電流是擴散電流擴散運動比漂移運動慢得多，這部分載流子作擴散運動的時延將使檢測器輸出電流脈沖后沿的拖尾加長，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，并在內(nèi)建場的作用下分別向兩側(cè)運動，產(chǎn)生光電流是漂移電流1、PIN光電二極管如何減少擴散電流的影響？當縮短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減小載流子擴散運動的影響提高響應(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)計上能承受高反向偏壓，在PN結(jié)內(nèi)部形成一高電場區(qū)(≈

3×105V／cm)入射光功率產(chǎn)生的電子—空穴經(jīng)過高場區(qū)時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動過程中與價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。新產(chǎn)生的電子—空穴受到同樣加速運動，又與原子碰撞電離，產(chǎn)生電子—空穴對，稱為二次電子—空穴對。如此重復(fù)，使載流子和反向電流迅速增大，這個物理過程與光電倍增管類似，稱為雪崩倍增效應(yīng)。雪崩過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，因此APD工作時的偏置電壓較高，達幾百伏。APDAvalanchPhotodiode（2）雪崩型光電二極管（APD）APD在薄的重摻雜的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)是高電場區(qū)（高于I區(qū)電場，作為碰撞電離區(qū)）。APD的特點是：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。其工作方式為負偏置方式，其中PIN的負偏壓約為幾至幾十伏，APD的負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（上限使用波長）c定義截止工作波長c為

≤c時能產(chǎn)生光生電流，＞c時不能產(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：單位入射光功率所產(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)時間定義：響應(yīng)時間為光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的渡越時間d與光檢測回路的RC時間常數(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)目波動引起光生電流波動，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。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：無光照射時，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光接收機組成及性能指標4.2光檢測器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、光接收機組成2、性能指標APD倍增因子M4.3接收機電路（1）．基本功能將光檢測器件輸出的微弱電流信號（通常為10-7～10-5A）進行放大，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態(tài)范圍良好的溫度穩(wěn)定性等前置放大器的重要指標是：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)選擇光檢測器的負載電阻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：：電路簡單，不需要或只需要很少的均衡，前置級的動態(tài)范圍也較大。低阻抗前端缺點：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)計方案。但是負載阻抗RL增大后將使前置放大器動態(tài)范圍縮小，而且當比特率較高時，輸入端信號的高頻分量損失過大，對均衡電路要求較高，很難實現(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：噪聲低，靈敏度高。高阻抗前端缺點：帶寬窄，需要增加均衡網(wǎng)絡(luò)，對頻響特性進行補償，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動態(tài)范圍小?？?互)阻抗前端這種前端將負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。是一個性能優(yōu)良的電流—電壓轉(zhuǎn)換器，即使RL很高，而負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，動態(tài)范圍也提高了，所以具有頻帶寬、噪聲低、靈敏度高、動態(tài)范圍大等綜合優(yōu)點，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：采用了共源-共基-共集方式，內(nèi)部反饋小，即后級電路對前級電路的影響小，電路穩(wěn)定性好；采用了負反饋，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（通常為毫伏數(shù)量級）放大到適合于后級判決電路所需要的幅度范圍（幾伏數(shù)量級）。主放大器的電壓增益變化范圍要求比較大，以適應(yīng)前端入射光功率動態(tài)范圍大的特點，為此需要有自動增益控制（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、接收機的噪聲系數(shù)光接收機前端光電轉(zhuǎn)換后信號電流很小，接收機中噪聲也就應(yīng)很小。在設(shè)計接收機放大器時內(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)表示兩級放大器的噪聲系數(shù)證明：級聯(lián)放大器前置放大器主放大器噪聲系數(shù)4、均衡器（1）基本功能對主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號進行整形，使其變?yōu)樯嘞倚盘?，以利于克服碼間干擾進行幅度判決。（2）碼間干擾（ISI）產(chǎn)生原因光纖色散引起光脈沖展寬，當光脈沖展寬超過分配給它們的時隙時，以致一部份光脈沖能量進入相鄰時隙，對鄰近碼元信號產(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？若單個碼元的時域展寬波形的主峰峰值對應(yīng)時刻以及各個零點對應(yīng)時刻是等間隔分布的，并且其間隔時間t等于碼元周期Tb，則用這種碼元時域展寬波形組成的碼元序列，在傳號碼元波形的主峰峰值對應(yīng)時刻上不會出現(xiàn)其他碼元信號的非零值，在空號碼元的零值中心時刻上也不會出現(xiàn)其他碼元信號的非零值，因而就不會產(chǎn)生碼間干擾。所以，在傳號碼元的主峰峰值對應(yīng)時刻上和在空號碼元的零值中心時刻上進行幅度判決，不會產(chǎn)生誤碼。（3）碼間干擾消除方法升余弦信號符合以上要求，其特點為：①具有等間隔分布的主峰峰值時刻和零點時刻；②具有比尖銳截止低通信號更短和更細的拖尾(即次峰個數(shù)少、幅度低)

當均衡器輸出升余弦波形時，發(fā)送端輸出的基帶數(shù)字脈沖信號，只要嚴格按照fb=1/Tb的速率發(fā)送，則在均衡器輸出信號的波峰峰值處不會產(chǎn)生碼間干擾。升余弦信號時域函數(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償電路，其輸出波形應(yīng)當接近升余弦波。實現(xiàn)方法是，補償某些頻率、抑制某些頻率。LRC濾波器均衡電路圖：調(diào)試該電路時，須根據(jù)眼圖的狀況來調(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)過基線恢復(fù)處理的升余弦波信號整形為非歸零（NRZ）的矩形脈沖信號，以利于時鐘提取。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變?yōu)闅w零矩形脈沖序列信號，以利于提取時鐘信號。

NRZ與RZ脈沖序列信號的區(qū)別如下：

（1）時域：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功率譜沒有時鐘頻率的線譜分量，RZ功率譜則有之。單極性NRZ和RZ脈沖序列信號的時域和頻域波形圖2．典型電路非線性處理電路及其各點信號的波形圖

4.1.9時鐘提取1．基本功能從非線性處理電路輸出的RZ信號中獲得按時鐘頻率fb振蕩的余弦信號。其中fb=1/Tb。2．典型電路：LC諧振放大器4.1.10限幅移相1．基本功能將時鐘提取電路輸出的一列幅度變化很大的余弦振蕩信號進行限幅，得到矩形脈沖信號，再經(jīng)過移相和電平變換，變成后續(xù)電路所需要的時鐘信號。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的波形圖4.1.11定時判決1．基本功能利用限幅移相電路輸出的時鐘脈沖的控制作用，將幅度判決電路輸出的NRZ脈沖信號（其前、后沿有較大抖動）變成與發(fā)送端一致的NRZ脈沖信號（抖動很?。?。2．典型電路：使用D觸發(fā)器D觸發(fā)器定時判決電路及其輸入和輸出信號4.4光收機的信噪比4.4光接收機的信噪比1、接收機的噪聲暗電流及漏電流噪聲，它們均與光照無關(guān)。在小信號時，光檢測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)來自單位時間內(nèi)到達光檢測器上信號光子數(shù)的隨機性，因此它與信號電平有關(guān)。在采用APD作光檢測器時，倍增過程的統(tǒng)計特征產(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設(shè)計，前置采用互阻抗電路主放大器是高增益，大動態(tài)范圍設(shè)計，動態(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光接收機的信噪比1、接收機的噪聲檢測器量子噪聲暗電流噪聲負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載熱噪聲放大器熱噪聲光檢測器前置放大器主放大器均衡器數(shù)字信號恢復(fù)、時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光接收機的信噪比信噪比（SNR）是評價光接收機性能的重要指標對于PIN光接收機在判決電路輸入端信號電流均方值為判決電路輸入端噪聲電流方差3、APD光接收機的信噪比在判決電路輸入端信號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）增加負載電阻可以提高信噪比。說明為什么大多數(shù)光接收機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到散粒噪聲限制，同時減小暗電流Id的影響的效果，當忽略Id的影響時在散粒噪聲限制下，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光接收機的信噪比在給定輸入功率Pin時，為達到最大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接收機提高了倍散粒噪聲限制下比PIN接收機降低了倍例題1：lnGaAsPIN光接收機具備如下參數(shù)：PIN的響應(yīng)度R=0.8(A/W),光電管暗電流Id＝5nA,負載電阻RL＝300k，絕對溫度T＝300k；

；放大器帶寬是500MHz；放大器噪聲系數(shù)NF=6計算在入射光功率Pin＝50nW時，接收機的信噪比SNR。解：4.5數(shù)字光接收機的靈敏度光接收機的靈敏度是描述其準確檢測光信號能力的一種性能指標在幾種接收機中，如果某一接收機能在較低的入射功率下達到同樣的性能，就稱該接收機比較靈敏。數(shù)字光接收機的性能標準由誤碼率(BER)決定對數(shù)字光接收機通常使用的標準要求是光接收機的靈敏度定義為接收機工作于的BER所要求的最小平均接收光功率。對新型高性能光波系統(tǒng)，規(guī)定要求達到甚至1、光接收機的誤碼率在光纖通信系統(tǒng)中，雖然發(fā)送信號是由兩個完全確定的光功率電平“1”和“0”組成，但從光接收機均衡器輸出的待判決信號，由于疊加了接收機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。傳送的信號接收到的判決前的信號被噪聲干擾失真判決后的信號判決時刻td判決電平ID如果傳輸?shù)臄?shù)字信號流中“1”碼出現(xiàn)的概率為誤碼有兩種：“1”碼錯判為“0”“0”碼錯判為“1”“0”碼出現(xiàn)的概率為“1”碼錯判為“0”的條件概率為“0”碼錯判為“1”的條件概率為數(shù)據(jù)流的誤碼率（比特差錯率）為在光發(fā)送機中經(jīng)過線路編碼后，“1”碼和“0”碼出現(xiàn)概率均等？為什么有誤碼，因為有噪聲判斷錯誤與噪聲的特性有直接相關(guān)設(shè)信號為“0”碼時，電流取不同值的概率密度為信號為“1”碼時，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”碼錯判為“1”碼的概率，就是“0”碼時