第四章光檢測(cè)與光接收機(jī)

光檢測(cè)器及光接收機(jī)光纖通信第四章王立湖南文理學(xué)院電信學(xué)院通信工程教研室光源調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路放大器光電二極管判決器光纖光纖中繼器光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，恢復(fù)光載波所攜帶的原信號(hào)。光接收機(jī)本章重點(diǎn)兩種常用光檢測(cè)器的工作原理及工作特性光接收機(jī)的組成及各部分的功能光接收機(jī)的性能指標(biāo)光接收機(jī)的噪聲分析4.1光檢測(cè)器4.2光接收機(jī)4.3光接收機(jī)的噪聲分析4.4光接收機(jī)的靈敏度4.5光接收機(jī)的性能評(píng)估第四章光檢測(cè)器及光接收機(jī)光接收機(jī)的首要部件是光檢測(cè)器光檢測(cè)器的作用是：檢測(cè)出入射在其上面的光功率，且將光功率轉(zhuǎn)化相應(yīng)的電流適合通信用的光檢測(cè)器：光電二極管(主要有Pin光電二極管和雪崩光電二極管)4.1光檢測(cè)器4.1.1光電二極管的作用光纖通信中對(duì)光檢測(cè)器的最重要的幾點(diǎn)要求：對(duì)所用光源的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有較高的響應(yīng)度或靈敏度較小的噪聲響應(yīng)速度快對(duì)溫度變化不敏感與光纖尺寸匹配工作壽命長(zhǎng)光電二極管：尺寸小、靈敏度高、響應(yīng)速度快、材料合適4.1.2PN光電二極管工作原理：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：由于光生電流包含了漂移分量和擴(kuò)散分量，擴(kuò)散的速度比漂移的速度慢很多，使檢測(cè)器輸出的電流脈沖的拖尾延長(zhǎng)，限制了光電轉(zhuǎn)換速度。設(shè)法加寬耗盡層，使得照射光子盡可能被吸收，負(fù)偏壓有助于加寬耗盡層。由于負(fù)偏壓產(chǎn)生的電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向一致，使得耗盡層電場(chǎng)增強(qiáng)，加強(qiáng)了漂移運(yùn)動(dòng)，N區(qū)電子向正極運(yùn)動(dòng)并被中和，P區(qū)的空穴向負(fù)電極運(yùn)動(dòng)并被中和，這樣耗盡層被加寬。減少P區(qū)和N區(qū)的厚度來減少載流子的擴(kuò)散時(shí)間，減少P區(qū)和N區(qū)被收的光能降低半導(dǎo)體的摻雜濃度來加寬耗盡層。這種結(jié)構(gòu)就是常用的PIN光電二極管提高響應(yīng)速度采用的辦法4.1.3PIN光電二極管

一結(jié)構(gòu)及工作原理在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)分布二主要工作特性（1）

1截止波長(zhǎng)吸收系數(shù)對(duì)一給定的探測(cè)區(qū)材料就有一個(gè)能夠探測(cè)的最低頻率或最大波長(zhǎng)，而對(duì)波長(zhǎng)大于這個(gè)極限波長(zhǎng)的光波就不能被探測(cè)到。光子能量h大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg時(shí)，價(jià)帶上的電子可以吸收光子而躍遷到導(dǎo)帶，否則不論入射光多強(qiáng)，光電效應(yīng)都不會(huì)發(fā)生。所以，任何一種材料制作的光電二極管都有上截止波長(zhǎng)C：在短波長(zhǎng)段，材料的吸收吸收系數(shù)變得很大，因此光子在接近光檢測(cè)器的表面就被吸收了，電子－空穴對(duì)的壽命極短，結(jié)果載流子在由光檢測(cè)器電路收集以前就已經(jīng)復(fù)合了。Si：C=1.06m，使用范圍：0.5~1.0mGe：C=1.6m，使用范圍：1.1~1.6mInGaAs：C=1.6m，使用范圍：1.1~1.6m二主要工作特性（2）

2量子效率和響應(yīng)度入射光功率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.光生電流I0與入射光功率Pin之比稱為響應(yīng)度

R0=I0/Pin響應(yīng)度與量子效率的關(guān)系產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)的個(gè)數(shù)入射的光子數(shù)二主要工作特性3）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。3響應(yīng)時(shí)間響應(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，其值取決與光檢器電路的上升時(shí)間、載流子通過耗盡區(qū)的渡越時(shí)間、載流子擴(kuò)散時(shí)間。主要決定于載流子通過耗盡區(qū)的渡越時(shí)間。

由渡越時(shí)間限制的上截止頻率二主要工作特性（4）

二主要工作特性（5）

4線性飽和當(dāng)入射光功率太大時(shí)，光生電流與光功率不成正比，產(chǎn)生非線性失真。5暗電流在無光照射時(shí)仍有電流流過，這部分電流稱為暗電流.反向電壓越大，暗電流越大。4.1.4雪崩光電二極管APDPIN: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。1、倍增系數(shù)

G=Ip/I0

IP--平均輸出電流，I0--一次光生電流IP＝G

I0＝GRPin

倍增系數(shù)G與外加偏壓、波長(zhǎng)、溫度有關(guān)。2、過剩噪聲因子F在APD中，每個(gè)光生載流子不會(huì)經(jīng)歷相同的倍增過程，具有隨機(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。F又可近似表為：F＝Gxx被稱為過剩噪聲指數(shù)。二APD的工作特性（1）二APD的工作特性（2）3、響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)度提高G倍，量子效率與倍增無關(guān)4、暗電流隨倍增因子G的增大而增大5、線性飽和主要是由于反向偏壓不能保持恒定三光檢測(cè)器的比較（1）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、InGaAspin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VBV150~40020~4020~30Si、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（3）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。4.1光檢測(cè)器4.2光接收機(jī)4.3光接收機(jī)的噪聲特性4.4光接收機(jī)的靈敏度4.5光接收機(jī)的性能評(píng)估第四章光檢測(cè)器及光接收機(jī)4.2數(shù)字光接收機(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)電信號(hào)輸出AGC電路性能指標(biāo):接收靈敏度、誤碼率和動(dòng)態(tài)范圍前端線性通道時(shí)鐘提取與數(shù)據(jù)再生（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。4.2.1光接收機(jī)的前端(1)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4.2.1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。4.2.1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4.2.1光接收機(jī)的前端(4)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。4.2.2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碼間干擾最小的升余弦波形?？筛鶕?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

均衡濾波器是使經(jīng)過均衡器以后的波形成為有利于判決的波形4.2.3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。4.1光檢測(cè)器4.2光接收機(jī)4.3光接收機(jī)的噪聲分析4.4光接收機(jī)的靈敏度4.5光接收機(jī)的性能評(píng)估第四章光檢測(cè)器及光接收機(jī)4.3光接收機(jī)的噪聲分析光接收機(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)。光接收機(jī)的噪聲源光檢測(cè)器引入的噪聲1量子噪聲:〈i2q〉=2eIPB(PIN)〈i2q〉=2eIPBg2+x(APD)2暗電流噪聲:〈i2d〉=2eIdB(PIN)〈i2d〉=2eIdBg2+x(APD)3負(fù)載電阻產(chǎn)生的熱噪聲:〈i2T〉=光接收機(jī)的噪聲源光接收機(jī)電路噪聲1放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲:〈i2T〉=2放大器中晶體管引入噪聲4.1光檢測(cè)器4.2光接收機(jī)4.3光接收機(jī)的噪聲特性4.4光接收機(jī)的誤碼率4.5光接收機(jī)的靈敏度第四章光檢測(cè)器及光接收機(jī)4.4光接收機(jī)的誤碼率BER=錯(cuò)誤的碼元數(shù)/總碼元數(shù)二進(jìn)制信號(hào)的誤碼概率I1I0二進(jìn)制信號(hào)的誤碼概率I1I0在發(fā)“0”時(shí)，平均噪聲功率N0=NA,NA為前置放大器的平均噪聲功率。發(fā)“0”碼時(shí)噪聲的概率密度函數(shù)為把0誤判為1的概率為二進(jìn)制信號(hào)的誤碼概率I1I0發(fā)1碼時(shí)，平均噪聲功率N1=NA+ND.這時(shí)噪聲電流的幅度為I1-Im,若I1-Im<ID-Im,就會(huì)把1判成0二進(jìn)制信號(hào)的誤碼概率I1I0“0”和“1”碼一般誤碼率不相等，但對(duì)于“0”和“1”等概率出現(xiàn)時(shí)，一般認(rèn)為它們的誤碼率相等。因此總的總誤碼率(BER)可以表示為式中Q=

Q稱為超擾比，含有信噪比的概念。它還表示在對(duì)“0”碼進(jìn)行取樣判決時(shí)，判決門限值D超過放大器平均噪聲電流的倍數(shù)。

Q=

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-10；4.1光檢測(cè)器4.2光接收機(jī)4.3光接收機(jī)的噪聲特性4.4光接收機(jī)的誤碼率4.5光接收機(jī)的靈敏度4.6光中繼器第四章光檢測(cè)器及光接收機(jī)4.5光接收機(jī)靈敏度靈敏度: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Pmin，并以dBm為單位。由定義得到Pr=10lg

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)4.5光接收機(jī)靈敏度理想光接收機(jī)的靈敏度

光檢測(cè)器的暗電流為零，放大器完全沒有噪聲，系統(tǒng)可以檢測(cè)出單個(gè)光子形成的電子-空穴對(duì)所產(chǎn)生的光電流，這種接收機(jī)稱為理想光接收機(jī)。它的靈敏度只受到光檢測(cè)器的量子噪聲的限制，只要有光信號(hào)輸入，就有量子噪聲存在。因此“0”碼誤判為“１”碼的概率為0，即Pe,01=0。誤碼率為4.5光接收機(jī)靈敏度Pe=Pe,01+Pe,10=exp(-n)設(shè)傳輸?shù)氖欠菤w零碼(NRZ)，每個(gè)光脈沖最小平均光能量為Ed，碼元寬度為Tb，一個(gè)碼元平均光子數(shù)為n，那么光接收機(jī)所需最小平均接收功率為〈P〉min=Pr=10lg4.5光接收機(jī)靈敏度實(shí)際光接收機(jī)的靈敏度在發(fā)“0”碼的情況下，入射信號(hào)的光功率P0=0，輸出光電流I0=0。在發(fā)“1”碼的情況下，入射信號(hào)的光功率P1和光電流I1的關(guān)系為I1=gρP1=2gρ〈P〉式中，g為APD倍增因子(對(duì)于PINPD，g=1)，ρ為光檢測(cè)器的響應(yīng)度，〈P〉=(P1+P0)/2為“0”碼和“１”碼的平均光功率。4.5光接收機(jī)靈敏度在放大器輸出端“１”碼的平均電流Im=I1A，A為放大器增益，因此有Q=給定Q值，便得到限定誤