光探测及光接收机

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1、第五章 光探测及光接收机 5.1 数字光接收机 5.2 光电检测过程的基本原理 5.3 光接收机的性能 5.3.1 光接收机的信噪比 5.3.2 光接收机的灵敏度 5.3.3 光接收机的误码率 5.3.4 最小平均接收光功率 5.3.5光接收机的性能指标v光发射机发射的光信号经光纤传输损耗：信号幅度衰减色散：信号波形展宽v光接收机作用 检测微弱光信号、放大、整形、还原成为输入信号v器件光电检测器：利用光电效应把光信号转变为电信号光电二极管：PIN管，雪崩二极管APDv基本要求 灵敏度高、响应快、成本低、可靠性高、耦合性能好5.1 数字光接收机 强度调制的数字光信号，接收端采用直接检测（DD）。

2、 IM-DD 数字光纤接收机(IM-DD: Intensity Modulation-Direct Detection)光信号光电检测器前置放大主放大均衡滤波判决器译码器时钟恢复偏置控制输出电信号码型变换器解复用器告警电路AGC电路告警信号光电检测器：光信号转换成电信号 PIN半导体光电二极管 APD雪崩光电二极管2. 前置放大器： 低噪声放大器 减弱或防止电磁干扰 抑制噪声（热噪声和散粒噪声） 放大信号 （1）带宽和灵敏度：接收机中心问题（降低输入噪声，提高灵敏度） 高输入阻抗前置放大器：高输入阻抗可减小热噪声，提高接收机灵敏度，但降低带宽 。 （2）带宽与均衡滤波：均衡滤波技术消除码间干扰

3、，扩大带宽。主放大器： （1）提供足够大的增益，达到判决电路所需的信号电平； （2)增益受AGC电路控制。4. 均衡滤波:虑除波形展宽，消除码间干扰。5. 判决器/时钟恢复：对信号进行再生，包括调谐放大、限幅、整形、移相。6. 解复用器:若发射端复用,则接收端需解复用。译码/码型变换器： （1）若发射端进行了扰码，需要译码； （2）HDB3、CMI码等解码。5.2 光电检测过程的基本原理 (1) 入射光子的能量hf超过禁带能量Eg，进入耗尽层，在耗尽区吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。 (2) 在PN结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子空穴对在电场作用下，分别离开耗尽

4、区，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N区进入正电极，从而形成在外电路中的光生电流Ip。（图示） 光电效应必须满足条件：hfEg入射光ne耗尽层IpRL：电子空穴e:hwU电极PN光电二极管：PIN PIN二极管： 在P+和N-之间加入一个Si中掺杂较少的I层，作为耗尽层，I层较宽，约有5um50um，可吸收绝大部分光子。响应时间由光生载流子穿越耗尽层的宽度W所决定。增加W会使更多的光子被吸收，从而增加量子效率，但是载流子穿越W的时间增加，响应速变慢。增大外加电压升高，压影响：漂移速度，受外加电dd dtrWt响应波长（截止波长）任何一种材料制作的光电二极

5、管，都有1.6um1.1InGaAsGum0 . 15 . 024. 1围为：光电二极管波长响应范和范围为：光电二极管的波长响应eSEEhiggCC 性能参数 量子效率 =(hf/q)R q:电荷 响应度R 光电检测器的响应度。 暗电流Id，表示无光照时出现的反向电流，影响接收机的信噪比。 响应速度：对光信号的反应速度。 结电容Cd（pF）：影响响应速度。19106 . 1q341063. 6（普朗克常数）h: f 入射光频率 1.24 RR： 响 应 度雪崩光电二极管 APD: Avalanche photodiode (1) 速度高，增益大，广泛应用于光通信系统中。 (2) 能承受高的反向

6、偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区，电子空穴对经过电场区时被加速，又可能碰到其他原子，多次碰撞电离的结构，使载流子迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪崩倍增效应。APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器平均雪崩效应，经验公式brr mrbr1M =(1- V /V)VVm（）：击穿电压：偏向电压：与温度相关的特性指数新型APD(1) 采用InP材料作增益区的异质结分别吸收和倍增APD:SAMAPD (Separate Absorption and Multiplication APD) ,目的是使工作波长在1.3um1.6um波长波段上。(2) 分别吸收、渐变、倍增APD：

7、SAGMAPD ( Separate Absorption Grading and Multiplication APD), 在InCaAs、InP之间增加一层带隙介于两者之间的半导体材料，克服SAMAPD响应时间长的缺点。(3) 多量子阱MQWAPD：Multiple Quantum Well, 利用InCaAs、InP交替变化的结构，从而形成高低带隙交替变化的半导体层.MSM光探测器：金属半导体金属光探测器（MetalSemiconductorMetal），基本原理一样，入射光子产生电子空穴对，电子空穴对的波动产生光电流集成光学光电探测器 为适应光电子集成电路（OEIC）的要求，研究适用于

8、单片集成的各种光波探测器，光波导探测器，不采用光压电方式，采用光电导和雪崩方式(1) 外延生长InGaAs探测器 采用外延生长的方式制作，通过控制材料 中In的含量，可使器件在0.855.3um光波长范围内工作; 通过适当选择InGaAs中的掺杂浓度，使耗尽层厚度正好等于波导厚度，并使InCaAs的横截面大于波导的横截面，有可能达到100%的量子效率。(2) 电吸收光波导探测器 入射光频姐姐禁带宽度时，光吸收的大小主要取决于外加电场的大小，电吸收效应(3) 离子注入探测器 在CaAs衬底中注入高能离子，形成光波导。AsGaInxx15.3 光接收机的性能5.3.1 信噪比 产生噪声原因 （1）

9、 散粒噪声：由检测器本身引起入射光功率产生的光电流：in2s( )( ) ( )222 ( ) : PsPsPdPddI tIi tIRPi tqIfqIfq IIff qI 平均信号电流散粒噪声的电流起伏，满足：光接收机带宽； ：电荷； ：暗电流热噪声 ：电子在光电二极管负载电阻上的随机热运动，即使外加电压为零，也产生电流的随机起伏。2n222( )(4/) 4 2 ()TTBLnLBPsTBsTpdnLitK TRfFFRTKIIIiiK Tq IIFfR热噪声电流；：放大器的热噪声倍数；：负载电阻； ：绝对温度；：玻耳曼常数。 （3）总的噪声电流：PIN光接收机：只对信号进行光电转换，而

10、无放大功能。222222inn(2 ()4)( , / 4in,2inPBindnLPinTSLBinSTR PISNRK Tq RPIFfRIRPRq hfPSNRP R RK TFfPPSNRhffin输入功率的响应度）当时，热噪声远大于散粒噪声（）而当很大时，此时APD光接收机 APD的内部增益使产生的电流扩大了M倍，即： 2PIMRPinSNRPINMSNR与相比扩大了倍，同时噪声也扩大,限制了的提高。 散粒噪声2222P222S2():1()(1)(2)()SNR 2()4SAindAAAAABTAdnLqM FRPIfFAPDF MK MKMKIMRPinK TqM FRPinIf

11、FfR 的过剩热噪声指数:电离率之比(0)2sTdAPinSNRIhfFf时：22P22S() 4LTBnIR MRPinSNRK TFfsT时5.3.2 光接收机的灵敏度 灵敏度是光接收机最重要的指标之一，指保证完成一定通信质量条件下所需要接收的最小信号功率Ps。Ps越小越好，受噪声限制。 通过误码率判断影响光接收机灵敏度的因素：暗电流。倍增失调使灵敏度下降:(自动增益控制)。放大器的噪声使灵敏度下降。接收机总电容C包括探测器电容、前置放大器输入电容，C增大一倍，灵敏度下降一倍。时，灵敏度变化敏感最佳5 . 0MM比特率对灵敏度影响：比特率越大，灵敏度下降越多。输入波形脉冲对灵敏度影响：波形

12、越宽，灵敏度下降越大。5.3.3 光接收机误码率 比特误码率（BER）：最重要指标之一。定义为码元在传输过程中出现差错的概率，出错码元数、传输总码元数。数字光接收机的要求：采用非归零码时：BER=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)910BER0、1的出现是等概率时，P(0)=P(1)=0.5，得BER0.5P(0/1)+P(1/0)DI)0/1 (P)(xf判决门限DI1I0I阴影区表示 概率DIDI1I0I概率分布高斯随机过程：220122012()()22102100101101111( ) ( )22(1/0)( ) (0/1)( )11(0/1) (1/0)22222( )14

13、2DDI II IIIDDyxDDf IefIePfI dIPf I dIIIIIPerfcPerfcerfc xedyIIIBERerfcerfc误差函数：002I最佳判决电流2 01101010100011IIIIIIQQIIIIDDDD则：若为品质因素误差最小，在实际系统中 I0=0 I1=MPin R 012221()TsT实际上，热噪声与信号电流无关，仅有热噪声或散粒噪声很小时，散粒噪声与信号电流有关时，最佳判决情况下： 100101112110011000112)2exp()2(21 IIQQQQerfcBERIIIIIIIQDDD式中：此时：01015.3.4 最小平均接收光功率

14、用来计算最小接收光功率：设定“0”码时不发射光功率Io0 Po0 “1”码功率为P1 2)2exp()2(21 121QQQerfcBER112 : 1recIMRPMRPMAPDMPIN增益为。1212s122210222n()/2 () 2(2) (4/)recTSTTSArecTBLPPPqM F RPfK T RFf（平均光功率）而均方噪声电流、 ，由散粒噪声和热噪声项决定：111222122recsTTMRPIQ由此：（）2111111122opt1121exp22()1 01(1)()2/TrecArecTArecTTAAArecAQBERBERQQQPq fF QARMQPINM

15、PFRAPDAPMMAMKq fQK q fQKPq fRQK M（）对于给定的，可由：求得：从而由上式，求得对于：，（）对于，若热噪声仍占支配地位由 式：与相关，借助调整，由 式得到此时：（） （1optAK ）5.3.5光接收机的性能指标 性能监测：光谱仪，观察接收信号的眼图绝对最大额定值：正向电流反向电流1. 反向电压FIRIRV光学和电学特性参数正向压降量子效率，光生载流子数/入射光函数PIN：在规定的波长和反向电压下确定APD: 在规定的波长和倍增因子等于1的条件下确定光响应度R暗电流Id:把规定反向电压（PIN）或90击穿电压（APD）时，无入射光情况下RWAPIRinP24. 1 )/( 器件内部产生的反向电流 最大倍增因子Mmax 光电二极管电容Ct 灵敏度 响应速度