光探測及光接收機(jī)

光探測及光接收機(jī)第一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日光發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸損耗：信號(hào)幅度衰減色散：信號(hào)波形展寬光接收機(jī)作用檢測微弱光信號(hào)、放大、整形、還原成為輸入信號(hào)器件光電檢測器：利用光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)光電二極管：PIN管，雪崩二極管APD基本要求靈敏度高、響應(yīng)快、成本低、可靠性高、耦合性能好第二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日5.1數(shù)字光接收機(jī)

強(qiáng)度調(diào)制的數(shù)字光信號(hào)，接收端采用直接檢測（DD）。

IM-DD數(shù)字光纖接收機(jī)(IM-DD:IntensityModulation-DirectDetection)光信號(hào)光電檢測器前置放大主放大均衡濾波判決器譯碼器時(shí)鐘恢復(fù)偏置控制輸出電信號(hào)碼型變換器解復(fù)用器告警電路AGC電路告警信號(hào)第三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日光電檢測器：光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)

PIN－－半導(dǎo)體光電二極管

APD－－雪崩光電二極管2.前置放大器：低噪聲放大器減弱或防止電磁干擾抑制噪聲（熱噪聲和散粒噪聲）放大信號(hào)（1）帶寬和靈敏度：接收機(jī)中心問題（降低輸入噪聲，提高靈敏度）高輸入阻抗前置放大器：高輸入阻抗可減小熱噪聲，提高接收機(jī)靈敏度，但降低帶寬。第四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日

（2）帶寬與均衡濾波：均衡濾波技術(shù)消除碼間干擾，擴(kuò)大帶寬。主放大器：（1）提供足夠大的增益，達(dá)到判決電路所需的信號(hào)電平；（2)增益受AGC電路控制。4.均衡濾波:慮除波形展寬，消除碼間干擾。5.判決器/時(shí)鐘恢復(fù)：對(duì)信號(hào)進(jìn)行再生，包括調(diào)諧放大、限幅、整形、移相。6.解復(fù)用器:若發(fā)射端復(fù)用,則接收端需解復(fù)用。譯碼/碼型變換器：（1）若發(fā)射端進(jìn)行了擾碼，需要譯碼；（2）HDB3、CMI碼等解碼。第五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日5.2光電檢測過程的基本原理(1)入射光子的能量hf超過禁帶能量Eg，進(jìn)入耗盡層，在耗盡區(qū)吸收一個(gè)光子，將產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，發(fā)生受激吸收。

(2)在PN結(jié)施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子－空穴對(duì)在電場作用下，分別離開耗盡區(qū)，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，空穴和從負(fù)電極進(jìn)入的電子復(fù)合，電子則離開N區(qū)進(jìn)入正電極，從而形成在外電路中的光生電流Ip。（圖示）第六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日

光電效應(yīng)必須滿足條件：hf>Eg入射光耗盡層IpRLwU電極P＋N－第七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日光電二極管：PINPIN二極管：在P+和N-之間加入一個(gè)Si中摻雜較少的I層，作為耗盡層，I層較寬，約有5um～50um，可吸收絕大部分光子。響應(yīng)時(shí)間由光生載流子穿越耗盡層的寬度W所決定。增加W會(huì)使更多的光子被吸收，從而增加量子效率，但是載流子穿越W的時(shí)間增加，響應(yīng)速變慢。第八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日響應(yīng)波長——（截止波長）任何一種材料制作的光電二極管，都有第九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日

性能參數(shù)量子效率η

η=(hf/q)Rq:電荷響應(yīng)度R

光電檢測器的響應(yīng)度。暗電流Id，表示無光照時(shí)出現(xiàn)的反向電流，影響接收機(jī)的信噪比。響應(yīng)速度：對(duì)光信號(hào)的反應(yīng)速度。結(jié)電容Cd（pF）：影響響應(yīng)速度。第十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日雪崩光電二極管

APD:Avalanchephotodiode(1)速度高，增益大，廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中。

(2)能承受高的反向偏壓，從而在PN結(jié)內(nèi)部形成一個(gè)高電場區(qū)，電子－空穴對(duì)經(jīng)過電場區(qū)時(shí)被加速，又可能碰到其他原子，多次碰撞電離的結(jié)構(gòu)，使載流子迅速增加，反向電流迅速增大，形成雪崩倍增效應(yīng)。第十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日APD就是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度探測器平均雪崩效應(yīng)，經(jīng)驗(yàn)公式第十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日新型APD(1)采用InP材料作增益區(qū)的異質(zhì)結(jié)——分別吸收和倍增APD:SAMAPD(SeparateAbsorptionandMultiplicationAPD),目的是使工作波長在1.3um～1.6um波長波段上。(2)分別吸收、漸變、倍增APD：SAGMAPD(SeparateAbsorptionGradingandMultiplicationAPD),在InCaAs、InP之間增加一層帶隙介于兩者之間的半導(dǎo)體材料，克服SAMAPD響應(yīng)時(shí)間長的缺點(diǎn)。(3)多量子阱MQWAPD：MultipleQuantumWell,利用InCaAs、InP交替變化的結(jié)構(gòu)，從而形成高低帶隙交替變化的半導(dǎo)體層.第十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日MSM光探測器：金屬－半導(dǎo)體－金屬光探測器（Metal－Semiconductor－Metal），基本原理一樣，入射光子產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，電子－空穴對(duì)的波動(dòng)產(chǎn)生光電流集成光學(xué)光電探測器為適應(yīng)光電子集成電路（OEIC）的要求，研究適用于單片集成的各種光波探測器，光波導(dǎo)探測器，不采用光壓電方式，采用光電導(dǎo)和雪崩方式第十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日(1)外延生長InGaAs探測器采用外延生長的方式制作，通過控制材料中In的含量，可使器件在0.85～5.3um光波長范圍內(nèi)工作;通過適當(dāng)選擇InGaAs中的摻雜濃度，使耗盡層厚度正好等于波導(dǎo)厚度，并使InCaAs的橫截面大于波導(dǎo)的橫截面，有可能達(dá)到100%的量子效率。(2)電吸收光波導(dǎo)探測器入射光頻姐姐禁帶寬度時(shí)，光吸收的大小主要取決于外加電場的大小，電吸收效應(yīng)

(3)離子注入探測器在CaAs襯底中注入高能離子，形成光波導(dǎo)。第十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日5.3光接收機(jī)的性能5.3.1信噪比產(chǎn)生噪聲原因（1）散粒噪聲：由檢測器本身引起入射光功率產(chǎn)生的光電流：第十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日熱噪聲：電子在光電二極管負(fù)載電阻上的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)，即使外加電壓為零，也產(chǎn)生電流的隨機(jī)起伏。第十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日PIN光接收機(jī)：只對(duì)信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，而無放大功能。第十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日APD光接收機(jī)

APD的內(nèi)部增益使產(chǎn)生的電流擴(kuò)大了M倍，即：

第十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日散粒噪聲第二十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日第二十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日5.3.2光接收機(jī)的靈敏度靈敏度是光接收機(jī)最重要的指標(biāo)之一，指保證完成一定通信質(zhì)量條件下所需要接收的最小信號(hào)功率Ps。Ps越小越好，受噪聲限制。

通過誤碼率判斷第二十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日影響光接收機(jī)靈敏度的因素：暗電流。倍增失調(diào)使靈敏度下降:(自動(dòng)增益控制)。放大器的噪聲使靈敏度下降。接收機(jī)總電容C〔包括探測器電容、前置放大器輸入電容〕，C增大一倍，靈敏度下降一倍。第二十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日比特率對(duì)靈敏度影響：比特率越大，靈敏度下降越多。輸入波形脈沖對(duì)靈敏度影響：波形越寬，靈敏度下降越大。第二十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日5.3.3光接收機(jī)誤碼率比特誤碼率（BER）：最重要指標(biāo)之一。定義為碼元在傳輸過程中出現(xiàn)差錯(cuò)的概率，出錯(cuò)碼元數(shù)、傳輸總碼元數(shù)。數(shù)字光接收機(jī)的要求：采用非歸零碼時(shí)：BER=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)第二十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日0、1的出現(xiàn)是等概率時(shí)，P(0)=P(1)=0.5，得BER＝0.5〔P(0/1)+P(1/0)]判決門限陰影區(qū)表示<或>概率概率分布第二十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日高斯隨機(jī)過程：第二十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日最佳判決電流第二十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日在實(shí)際系統(tǒng)中

I0=0I1=MPinR

第二十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日實(shí)際上，熱噪聲與信號(hào)電流無關(guān)，僅有熱噪聲或散粒噪聲很小時(shí)，散粒噪聲與信號(hào)電流有關(guān)時(shí)，最佳判決情況下：

第三十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日5.3.4最小平均接收光功率用來計(jì)算最小接收光功率：設(shè)定“0”碼時(shí)不發(fā)射光功率Io＝0Po＝0“1”碼功率為P1

第三十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日第三十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日第三十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日5.3.5光接收機(jī)的性能指標(biāo)性能監(jiān)測：光譜儀，觀察接收信號(hào)的眼圖絕對(duì)最大額定值：正向電流反向電流反向電壓第三十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日光學(xué)和電學(xué)特性參數(shù)正向壓降量子效率