光纤通信第四单元课件

1、第第4 4章章 光接收设备光接收设备 4.1 4.1 光接收电路光接收电路 4.2 4.2 输出电路输出电路 第第4 4章章 光接收设备光接收设备 4.1 4.1 光接收电路光接收电路 4.1.1 4.1.1 基本构成和主要性能指标基本构成和主要性能指标 4.1.1.1 4.1.1.1 光接收电路的基本构成光接收电路的基本构成 图图4-1 4-1 光接收电路的基本组成图光接收电路的基本组成图 光检测器性能特别是响应度和噪声直接影响光接光检测器性能特别是响应度和噪声直接影响光接 收机的灵敏度。对光检测器的要求如下：收机的灵敏度。对光检测器的要求如下： (1) (1) 波长响应要和光纤低损耗窗口波

2、长响应要和光纤低损耗窗口(0.85m(0.85m、 1.31m1.31m和和1.55m)1.55m)兼容；兼容； (2) (2) 响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生 最大的光电流；最大的光电流； (3) (3) 噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号; ; (4) (4) 性能稳定性能稳定, ,可靠性高可靠性高, ,寿命长，功耗和体积小。寿命长，功耗和体积小。 目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器 有有PINPIN光电二极管和雪崩光电二极管光电二极管和雪崩光电二极管(APD)

3、.(APD). 4.1.1.2 4.1.1.2 光接收电路的主要性能指标光接收电路的主要性能指标 （1 1）灵敏度）灵敏度S Sr r P Pr r是在给定误码率条件下，光接收机所需要的最是在给定误码率条件下，光接收机所需要的最 小平均光功率。小平均光功率。 灵敏度反映光接收机接收弱光信号的能力大小。灵敏度反映光接收机接收弱光信号的能力大小。 光接收机的灵敏度指标主要由光检测器件和前光接收机的灵敏度指标主要由光检测器件和前 置放大器的性能所决定。置放大器的性能所决定。 )dBm( 10 )W( lg10 3 r r P S （2 2）动态范围）动态范围D D P Pmax max和 和P Pm

4、in min分别是光接收机在所期望的误码率条 分别是光接收机在所期望的误码率条 件下的最大和最小平均接收光功率。件下的最大和最小平均接收光功率。P Pmin min是灵敏度 是灵敏度S Sr r 对应的对应的P Pr r。 动态范围表示光接收机在指定的误码率条件下动态范围表示光接收机在指定的误码率条件下 所能接收的光功率变化范围的大小，它反映光接收机所能接收的光功率变化范围的大小，它反映光接收机 适应强光信号的能力。适应强光信号的能力。 )dB( )W( )W( lg10 min max P P D 4.1.2 4.1.2 光检测器件（光检测器件（PINPIN和和APDAPD） （1 1）光电

5、二极管（）光电二极管（PDPD） 电子空穴扩散运动电子空穴扩散运动 自建电场自建电场+ +外加反向电场，外加反向电场，P-NP-N结间电位势垒加强结间电位势垒加强 有光子射到有光子射到PNPN结上，并且光子的能量大于禁带宽结上，并且光子的能量大于禁带宽 度，那么价带的电子可以吸收光子能量跃过到导度，那么价带的电子可以吸收光子能量跃过到导 带，结果在导带和价带之间就产生光生的电子带，结果在导带和价带之间就产生光生的电子 空穴时。（空穴时。（受激吸收受激吸收) ) 电子向电子向N N区漂移，空穴向区漂移，空穴向P P区漂移，形成光生电流，区漂移，形成光生电流， 从而把光信号转换成电信号。从而把光信

6、号转换成电信号。 (2)(2)本征本征PNPN型光电二极管型光电二极管PINPIN 光电效应光电效应PNPN结光生电流主要由耗尽区电结光生电流主要由耗尽区电 子子空穴对在外加电场与自建电场作用下的空穴对在外加电场与自建电场作用下的 漂移运动形成的。漂移运动形成的。 耗尽区耗尽区( (有源区有源区) )： 漂移运动，快漂移运动，快极值，电场大；极值，电场大； 扩散区扩散区( (无源区无源区) )： 扩散运动，慢，扩散运动，慢， 电场为零；电场为零； 快的响应速度和高的效率快的响应速度和高的效率 避免光生电子一空穴对在零电场区里产生避免光生电子一空穴对在零电场区里产生 减小零电场减小零电场P P区

7、和区和n n区厚度，增加耗尽区厚度区厚度，增加耗尽区厚度 PINPIN是在薄的是在薄的P P区和区和N N区之间夹入一层较厚的区之间夹入一层较厚的 本征半导体材料，以增加本征半导体材料，以增加PNPN结耗尽区的宽度，结耗尽区的宽度， 称为称为I I区区，PINPIN比比PDPD具有更高的光生电流效率具有更高的光生电流效率 和更高的响应速度。和更高的响应速度。 PINPIN的特点的特点： 光电转换效率较高（无光生电流放大作用）光电转换效率较高（无光生电流放大作用） 响应速度快。响应速度快。 PINPIN存在的问题存在的问题: : 耗尽区加长，但反向偏压不能加很高，使载耗尽区加长，但反向偏压不能加

8、很高，使载 流子的漂移时间长流子的漂移时间长 响应速度慢。响应速度慢。 光生电流小，引入放大器的噪声光生电流小，引入放大器的噪声 接收机接收机 信噪比低。信噪比低。 （3 3）雪崩型光电二极管（）雪崩型光电二极管（APDAPD） 在薄的重掺杂的在薄的重掺杂的P P+ +区和区和N N+ +区之间夹入区之间夹入I I区（较厚）区（较厚） 和和P P区，区，I I区是耗尽区（作为光子的主要吸收区），区是耗尽区（作为光子的主要吸收区）， P P区是高电场区（高于区是高电场区（高于I I区电场，作为碰撞电离区）。区电场，作为碰撞电离区）。 APDAPD在在结构结构设计上已考虑能设计上已考虑能承受高反向

9、偏压承受高反向偏压，光生，光生 的电子的电子空穴对经过高电场区时被空穴对经过高电场区时被加速加速而获得足而获得足 够的能量，它们在高速运动中与晶体上的原子碰撞，够的能量，它们在高速运动中与晶体上的原子碰撞， 使晶体中的原子电离，从而产生新的电子使晶体中的原子电离，从而产生新的电子空穴空穴 对，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，对，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加， 反向电流迅速加大，形成反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应雪崩倍增效应。 APDAPD的特点的特点： 光电转换效率高（有光生电流放大作用，即雪光电转换效率高（有光生电流放大作用，即雪 崩倍增作用）崩倍增作用） 响应速度

10、快响应速度快 灵敏度高灵敏度高 (a) PIN(a) PIN光电二极管光电二极管 (b) APD(b) APD光电二极管光电二极管 图图4-2 4-2 光电二极管结构示意图光电二极管结构示意图 光电二极管也称为光敏二极管，其工作方式光电二极管也称为光敏二极管，其工作方式 为负偏置方式，其中为负偏置方式，其中PINPIN的负偏压约为几至几十的负偏压约为几至几十 伏，伏，APDAPD的负偏压约为几十至一百多伏。的负偏压约为几十至一百多伏。 图图4-3 4-3 光电二极管的电路符号光电二极管的电路符号 （4 4）光电二极管的主要特性参数）光电二极管的主要特性参数 截止工作波长（上限使用波长）截止工作

11、波长（上限使用波长） c c c c hchc/ /E Eg g c c时能产生光生电流时能产生光生电流 c c时不能产生光生电流时不能产生光生电流 暗电流暗电流I Id d 无光照射时，光电二极管的反向电流，称为暗电流无光照射时，光电二极管的反向电流，称为暗电流 I Id d。暗电流。暗电流I Id d越小越好。越小越好。 暗电流暗电流I Id d构成背景噪声，称为暗电流散粒噪声，构成背景噪声，称为暗电流散粒噪声， 其电流均方值为其电流均方值为 G G是是APDAPD倍增因子，倍增因子，x x是附加噪声指数。是附加噪声指数。 )APD(2 )PIN(2 2 d d 2 d x fGeI fe

12、I i 响应度响应度R R 单位入射光功率所产生的单位入射光功率所产生的一次一次光生电流，称为响光生电流，称为响 应度应度R R。 通常，通常，R R = 0.5A/W= 0.5A/W左右。左右。 )W/A( in p 单位： 入射光功率 一次光生电流 P I R 量子效率量子效率 一个入射光子所产生的一次光生电子数，称为量子一个入射光子所产生的一次光生电子数，称为量子 效率效率 。 )m( 24. 1 in p in p R e hc R e h P I hP eI 入射光子数 一次光生电子数 24. 1R 响应时间响应时间 光生载流子在耗尽区内的渡越时间光生载流子在耗尽区内的渡越时间 d

13、d与光检测回路与光检测回路 的的RCRC时间常数时间常数 RC RC之和，称为响应时间 之和，称为响应时间 。即。即 = = d d+ + RC RC d d耗尽区宽度耗尽区宽度/ /光生载流子漂移速度光生载流子漂移速度 RC RC R RL LC Cd d , , C Cd d是光是光电二电二极管结电容，极管结电容， R RL L是负载是负载 电阻电阻。 图图4-4 4-4 光电二极管等效电路光电二极管等效电路 APD APD倍增因子倍增因子G G APDAPD有倍增时总的光生电流与未倍增的一次光生有倍增时总的光生电流与未倍增的一次光生 电流之比，称为倍增因子电流之比，称为倍增因子G G。即

14、。即 G G与与V V 有关；有关； G G与与T T 有关有关, ,T T 则则G G 。 PG p I G I 有倍增时总的光生电流 未倍增的一次光生电流 B 1 1 ()m G V V 量子噪声与量子噪声与APDAPD附加噪声指数附加噪声指数 定义：定义：光束中光子数目波动引起光生电流波动，产光束中光子数目波动引起光生电流波动，产 生光生电流散粒噪声，称为量子噪声。其均方值为生光生电流散粒噪声，称为量子噪声。其均方值为 2 2eIeIP P fGfG2 2是倍增噪声，是倍增噪声，G Gx x是倍增噪声附加项。是倍增噪声附加项。x x称称 为附加噪声指数，为附加噪声指数，x x1 1。 2

15、 2 2(PIN) 2(APD) p xq p eIf i eIfG 4.1.3 4.1.3 前置放大器前置放大器 4.1.3.1 4.1.3.1 基本功能基本功能 将光检测器件输出的微弱电流信号（通常为将光检测器件输出的微弱电流信号（通常为1010-7 -7 1010-5 -5 A A）进行放大，以适合后续电路的需要。）进行放大，以适合后续电路的需要。 前置放大器的重要指标是前置放大器的重要指标是低噪声低噪声和和高灵敏度高灵敏度，以，以 及合适的带宽、大的动态范围和良好的温度稳定性及合适的带宽、大的动态范围和良好的温度稳定性 等。等。 4.1.3.2 4.1.3.2 三种类型前置放大器三种类

16、型前置放大器 图图 4-5 4-5 光接收机的前置级放大光接收机的前置级放大电路电路 (a) (a) 双极型晶体管双极型晶体管 (b) (b) 场效应管场效应管 (c) (c) 跨阻型跨阻型 三种类型前置放大器的比较：三种类型前置放大器的比较： (1) (1) 双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入 阻抗低，电路时间常数阻抗低，电路时间常数RCRC小于信号脉冲宽度小于信号脉冲宽度T T， 因而码间干扰小，适用于高速率传输系统。因而码间干扰小，适用于高速率传输系统。 (2) (2) 场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗

17、 高，噪声小，高频特性较差，适用于低速率传高，噪声小，高频特性较差，适用于低速率传 输系统。输系统。 (3) (3) 跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽 特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。 4.1.3.3 4.1.3.3 典型电路：典型电路：FETFET互阻抗前置放大器互阻抗前置放大器 电路主要特点：电路主要特点： 采用了共源采用了共源- -共基共基- -共集方式，内部反馈小，即后共集方式，内部反馈小，即后 级电路对前级电路的影响小，电路稳定性好；级电路对前级电路的影响小，电路稳定性好； 采用了负反馈，使放大器

18、输入阻抗有所减小，有采用了负反馈，使放大器输入阻抗有所减小，有 利于增大带宽。利于增大带宽。 4.1.4 4.1.4 主放大器主放大器 (1) (1) 基本功能基本功能 将前置放大器输出电压信号（通常为毫伏数量将前置放大器输出电压信号（通常为毫伏数量 级）放大到适合于后级判决电路所需要的幅度范级）放大到适合于后级判决电路所需要的幅度范 围（几伏数量级）。围（几伏数量级）。 主放大器的电压增益变化范围要比较大，以适主放大器的电压增益变化范围要比较大，以适 应前端入射光功率动态范围大的特点，为此需要应前端入射光功率动态范围大的特点，为此需要 有自动增益控制（有自动增益控制（AGCAGC）。）。 (

19、2) (2) 典型电路：双栅典型电路：双栅FETFET主放大器主放大器 (3) (3) 级联放大器的噪声系数级联放大器的噪声系数 由前置放大器和主放大器构成的级联放大器的噪声由前置放大器和主放大器构成的级联放大器的噪声 系数系数NFNF满足公式：满足公式： NFNF1 1和和NFNF2 2分别为前置放大器和主放大器的噪声系分别为前置放大器和主放大器的噪声系 数，数，K KP1 P1为前置放大器的功率增益。 为前置放大器的功率增益。 当当K Kp1 p1足够大时，以致右边第二项很小可以略去， 足够大时，以致右边第二项很小可以略去， 则则NFNFNFNF1 1。这表明，。这表明，当前置放大器的功率

20、增益足够当前置放大器的功率增益足够 大时，则级联放大器的噪声系数主要由前置放大器的大时，则级联放大器的噪声系数主要由前置放大器的 噪声系数来决定噪声系数来决定。所以，减小级联放大器噪声系数的。所以，减小级联放大器噪声系数的 关键是使前置级具有高增益和低噪声。关键是使前置级具有高增益和低噪声。 1p 2 1 1 K NF NFNF 4.1.5 4.1.5 均衡器均衡器 4.1.5.1 4.1.5.1 基本功能基本功能 对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整 形，使其变为升余弦信号，以利于克服码间干扰。形，使其变为升余弦信号，以利于克服码间干扰。 4.1.

21、5.2 4.1.5.2 码间干扰（码间干扰（ISIISI） （1 1）产生原因）产生原因 光纤色散引起光脉冲展宽，当光脉冲展宽超过分光纤色散引起光脉冲展宽，当光脉冲展宽超过分 配给它们的时隙时，以致一部配给它们的时隙时，以致一部分分光脉冲能量进入相光脉冲能量进入相 邻时隙，对邻近码元信号产生干扰，称为码间干扰；邻时隙，对邻近码元信号产生干扰，称为码间干扰； 会使判决电路的输入信噪比降低。码间干扰是产生会使判决电路的输入信噪比降低。码间干扰是产生 误码的重要原因。误码的重要原因。 （2 2）码间干扰消除方法）码间干扰消除方法 如果在传号码元波形的主峰值对应时刻上不出如果在传号码元波形的主峰值对应

22、时刻上不出 现其他码元信号的非零值，在空号码元的零值中心现其他码元信号的非零值，在空号码元的零值中心 时刻上也不出现其他码元信号的非零值，这样就不时刻上也不出现其他码元信号的非零值，这样就不 会产生码间干扰。会产生码间干扰。 在此情况下，在传号码元的主峰值对应时刻上在此情况下，在传号码元的主峰值对应时刻上 和在空号码元的零值中心时刻上进行幅度判决，不和在空号码元的零值中心时刻上进行幅度判决，不 会产生误码。会产生误码。 图图4-8 4-8 码间干扰消除方法示意图码间干扰消除方法示意图 （3 3）升余弦幅频特性）升余弦幅频特性 频域频域f f：有限：有限 ，时域，时域t t：无限拖尾：无限拖尾

23、对于一个实际使用的传输系统，其频带对于一个实际使用的传输系统，其频带 总是受限的，而对于一个频域受限的系统，总是受限的，而对于一个频域受限的系统， 它的时域响应将是无限的，也就是说它的输它的时域响应将是无限的，也就是说它的输 出波形必定有很长的拖尾，使前后码元在波出波形必定有很长的拖尾，使前后码元在波 形上互相重叠而产生码间干扰，影响接收机形上互相重叠而产生码间干扰，影响接收机 的灵敏度，均衡滤波电路的作用，是将输出的灵敏度，均衡滤波电路的作用，是将输出 波形均衡成具有升余弦频谱，做到判决时无波形均衡成具有升余弦频谱，做到判决时无 码间干扰。码间干扰。 具有升余弦频谱的波形尽管有拖尾，但具有升

24、余弦频谱的波形尽管有拖尾，但在所有在所有 的判决时刻（的判决时刻（t=KTt=KT，K K为整数），拖尾都是过零点为整数），拖尾都是过零点 （进行判决点），从而消除码间干扰。（进行判决点），从而消除码间干扰。 当均衡器输出升余弦波形时，发送端输出的当均衡器输出升余弦波形时，发送端输出的 基带数字脉冲信号，只要严格按照基带数字脉冲信号，只要严格按照f fb b = 1/ = 1/T Tb b的速的速 率发送，则在均衡器输出信号的波峰峰值处不会率发送，则在均衡器输出信号的波峰峰值处不会 产生码间干扰。产生码间干扰。 4.1.5.3 4.1.5.3 均衡电路均衡电路 是专门的滤波及频率补偿电路，其输

25、出波形应是专门的滤波及频率补偿电路，其输出波形应 当接近升余弦波。当接近升余弦波。 实现方法：实现方法：。 4.1.5.4 4.1.5.4 眼图眼图 眼图张开程度越大，则码间干扰越小，越有利于判眼图张开程度越大，则码间干扰越小，越有利于判 决决。 图图4-11 4-11 升余弦信号的眼图升余弦信号的眼图 4.1.6 4.1.6 基线恢复基线恢复 4.1.6.14.1.6.1 基本功能基本功能 将升余弦信号的基线固定在某一电平上将升余弦信号的基线固定在某一电平上 4.1.6.24.1.6.2 典型电路典型电路 二极管钳位器二极管钳位器( (用于速率用于速率34 Mb/s34 Mb/s的光纤通信系

26、统的光纤通信系统) ) 图图4-12 4-12 二极管钳位器的原理电路图二极管钳位器的原理电路图 4.1.7 4.1.7 幅度判决幅度判决 4.1.7.1 4.1.7.1 基本功能基本功能 将均衡器输出并经过基线恢复处理的升余弦波信将均衡器输出并经过基线恢复处理的升余弦波信 号整形为非归零（号整形为非归零（NRZNRZ）的矩形脉冲信号，以利于时）的矩形脉冲信号，以利于时 钟提取。钟提取。 4.7.1.2 4.7.1.2 典型电路典型电路 图图4-14 4-14 幅度判决电路及其输入和输出信号波形图幅度判决电路及其输入和输出信号波形图 4.1.8 4.1.8 非线性处理非线性处理 4.1.8.1

27、 4.1.8.1 基本功能基本功能 将幅度判决输出的非归零矩形脉冲序列信号变为将幅度判决输出的非归零矩形脉冲序列信号变为 归零矩形脉冲序列信号，以利于提取时钟信号。归零矩形脉冲序列信号，以利于提取时钟信号。 NRZNRZ与与RZRZ脉冲序列信号的区别如下：脉冲序列信号的区别如下： （1 1）时域：）时域：NRZNRZ脉冲宽度脉冲宽度等于码元周期等于码元周期T Tb b，RZRZ脉冲脉冲 宽度宽度小于码元周期小于码元周期T Tb b( (= =T Tb b/ /m m，其中，其中m m=2,3,4 )=2,3,4 )。 （2 2）频域：）频域：NRZNRZ功率谱没有时钟频率的线谱分量，功率谱没有

28、时钟频率的线谱分量， RZRZ功率谱则有之。功率谱则有之。 4.1.8.2 4.1.8.2 典型电路典型电路 图图4-16 4-16 单极性单极性NRZNRZ和和RZRZ脉冲序列信号的波形图脉冲序列信号的波形图 4.1.9 4.1.9 时钟提取时钟提取 4.1.9.1 4.1.9.1 基本功能基本功能 从非线性处理电路输出的从非线性处理电路输出的RZRZ信号中获得按时钟信号中获得按时钟 频率频率f fb b振荡的余弦信号。其中振荡的余弦信号。其中f fb b = 1/ = 1/T Tb b。 4.1.9.2 4.1.9.2 典型电路：典型电路：LCLC谐振放大器谐振放大器 4.1.10 4.1.10 限幅移相限幅移相 4.1.10.1 4.1.10.1 基本功能基本功能 将时钟提取电路输