光纤通信5第五章光检测器与光接收机

1、1光光 纤纤 通通 信信 简简 明明 教教 程程光纤通信原理)( m85. 03 . 155. 1197519761980损耗kmdB /2 . 020全面表达光纤损耗特性 1970 20 dB/km 现 0.2 dB/km袁国良袁国良 李元元李元元 编著编著主要参考书主要参考书 方强方强光纤通信光纤通信 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社 孙学康孙学康光纤通信技术光纤通信技术 北京邮电大学出版社北京邮电大学出版社2目目 录录第第1 1章章 光纤通信概述光纤通信概述第第2 2章章 光纤的物理学基础光纤的物理学基础第第3 3章章 光纤光纤第第4 4章章 光源和光发射机光源和光发射机第第

2、5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机第第6 6章章 光纤通信系统与工程光纤通信系统与工程第第7 7章章 SDHSDH技术技术第第8 8章章 光放大和色散补偿技术光放大和色散补偿技术第第9 9章章 波分复用技术波分复用技术第第1010章章 光纤通信的高新技术光纤通信的高新技术3第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机本章内容本章内容5.1 5.1 光检测器光检测器 5.2 5.2 光电检测器的工作特性光电检测器的工作特性5.3 5.3 光接收机光接收机5.4 5.4 光接收机的噪声光接收机的噪声5.5 5.5 光接收机的误码率和接收灵敏度光接收机的误码率和接收灵敏度4第第

3、5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机5.1 光检测器光检测器1.1.光纤通信对光电检测器的主要要求光纤通信对光电检测器的主要要求(1) (1) 在工作波长上光电转换效率要高，即对一定的入射光信号功率，在工作波长上光电转换效率要高，即对一定的入射光信号功率，光检测器能输出尽可能大的光电流；光检测器能输出尽可能大的光电流；(2) (2) 检测过程中带来的附加噪声尽可能小；检测过程中带来的附加噪声尽可能小；(3) (3) 响应速度快、线性好及频带宽，使信号失真尽量小；响应速度快、线性好及频带宽，使信号失真尽量小；(4) (4) 高可靠长寿命，尺寸可与光纤直径相配，工作电压低等。高可靠长寿

4、命，尺寸可与光纤直径相配，工作电压低等。将收到的光信号转化为电信号将收到的光信号转化为电信号 用于光纤通信的光检测器是利用光电效应把光信号转用于光纤通信的光检测器是利用光电效应把光信号转化为电流信号的光子器件。化为电流信号的光子器件。5第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机2 2半导体的光电效应半导体的光电效应 当光子照射到物体上时，它的能量可以被物体中的某当光子照射到物体上时，它的能量可以被物体中的某个电子全部吸收，如果电子吸收的能量足够大，超过了克个电子全部吸收，如果电子吸收的能量足够大，超过了克服脱离原子所需要的电离能和脱离物体表面时所需的溢出服脱离原子所需要的电离能和脱离

5、物体表面时所需的溢出功，电子就可以离开物体表面脱逸出来，成为光电子，这功，电子就可以离开物体表面脱逸出来，成为光电子，这就是光电效应。就是光电效应。6第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机2 2半导体的光电效应半导体的光电效应 图图b是是PN结及其附近的能带分布图，能带的高低是以结及其附近的能带分布图，能带的高低是以电子（负电荷）的电位能为根据的，电位越负，能带越高。电子（负电荷）的电位能为根据的，电位越负，能带越高。 由于光子的能量为由于光子的能量为h f，半导体光电材料的禁带宽度为，半导体光电材料的禁带宽度为Eg，则当光照射光电二极管上时，若，则当光照射光电二极管上时，若h

6、f Eg时就会产生光时就会产生光生生“电子空穴电子空穴”对（光生载流子）。对（光生载流子）。7第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机2 2半导体的光电效应半导体的光电效应 设设fc为截止频率，为截止频率，c为截止波长，则为截止波长，则Egh fc， 所以所以 chC / Eg 当入射光波长当入射光波长 c时，入射光才能被半导体材料吸收产时，入射光才能被半导体材料吸收产生光生载流子。生光生载流子。 当入射光变化时，光生电流随之做线性变化，从而把光信当入射光变化时，光生电流随之做线性变化，从而把光信号转化成电信号，这种由受激吸收产生的号转化成电信号，这种由受激吸收产生的“电子空穴电子

7、空穴”对的对的运动，在闭合电路中产生光生电流的器件就是简单的光电二极运动，在闭合电路中产生光生电流的器件就是简单的光电二极管管8第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机3 3PINPIN光电二极管光电二极管 为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，在为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，在P P型材料型材料和和N N型材料之间加一个型材料之间加一个I I层（本征耗尽层），它是轻掺杂的层（本征耗尽层），它是轻掺杂的N N型型材料，由于掺杂浓度较轻，电子浓度很低，经扩散可以形成材料，由于掺杂浓度较轻，电子浓度很低，经扩散可以形成一个很宽的耗尽层。这就是一个很宽的耗尽层。这就是PINP

8、IN光电二极管（光电二极管（PIN-PDPIN-PD），如图），如图5-1-25-1-2所示。所示。 9第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机 APD APD的工作原理是利用半导体材料的雪崩倍增效应制成的。的工作原理是利用半导体材料的雪崩倍增效应制成的。 图为拉通型雪崩光电二极管图为拉通型雪崩光电二极管(RAPD)(RAPD)的结构示意图和电场分布图。的结构示意图和电场分布图。 4 4雪崩光电二极管雪崩光电二极管10第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机4 4雪崩光电二极管雪崩光电二极管（1）工作原理）工作原理 雪崩光电二极管在结构设计上已考虑到能承受高反向偏压，在

9、PN结内部形成一个高电场区。 光生载流子经过高场区时被加速，获得足够能量，它们在高速运动中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，激发出新的电子空穴对（碰撞电离），这个电子空穴对称为二次电子空穴对。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，形成雪崩倍增效应。 （2）结构）结构 常用的APD有两种类型 保护环型（GAPD） 拉通型（RAPD） I0NPP(N)光11第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机4 4雪崩光电二极管雪崩光电二极管保护环型（保护环型（GAPDGAPD） 为防止扩散区边缘的雪崩击穿，在制作时先沉积一层环行为防止扩散区边缘的雪崩击穿，在制作时先沉积一层环行N

10、 N型型材料然后高温推进，形成一个深的圆形保护环，在保护环和材料然后高温推进，形成一个深的圆形保护环，在保护环和P P区之区之间形成浓度缓慢变化的缓变结，从而防止了高反向偏压下间形成浓度缓慢变化的缓变结，从而防止了高反向偏压下PNPN结边缘结边缘的雪崩击穿。的雪崩击穿。 特性：具有高灵敏度。雪崩特性：具有高灵敏度。雪崩增益随偏压变化的非线性十分突出，增益随偏压变化的非线性十分突出，要想获得足够增益，必须在接近击要想获得足够增益，必须在接近击穿电压下使用，而击穿电压对温度穿电压下使用，而击穿电压对温度非常敏感，当温度变化时，雪崩增非常敏感，当温度变化时，雪崩增益也随之发生较大的变化。益也随之发生

11、较大的变化。GAPD结构结构12第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机4 4雪崩光电二极管雪崩光电二极管拉通型（拉通型（RAPD） 由由N+区、区、P区、区、I区和区和P区四层结构组成区四层结构组成. 未加电压时，未加电压时，N区与区与P区形成区形成PN结。结。 P区掺杂较轻，耗尽区较宽。区掺杂较轻，耗尽区较宽。 加小的反偏压时，耗尽区增宽，加小的反偏压时，耗尽区增宽， 继续增大反向偏压，耗尽区延伸继续增大反向偏压，耗尽区延伸 到到P区。区。 APD二极管的击穿电压二极管的击穿电压VB 对温度很敏感，需进行温度补偿。对温度很敏感，需进行温度补偿。13第第5 5章章 光检测器和光接

12、收机光检测器和光接收机5.2 5.2 光电检测器的工作特性光电检测器的工作特性 光电检测器的工作特性参数很多，光电检测器的工作特性参数很多，PIN-PDPIN-PD的主要工作的主要工作特性有的响应度和量子效率、响应时间、暗电流等，由于特性有的响应度和量子效率、响应时间、暗电流等，由于APDAPD有雪崩倍增效应，所以有雪崩倍增效应，所以APDAPD除了上述参数外还包括倍增除了上述参数外还包括倍增因子、过剩噪声指数等。因子、过剩噪声指数等。14第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机1 1响应度和量子效率响应度和量子效率 响应度是描述这种器件光电转换能力的物理量。响应度是描述这种器件光

13、电转换能力的物理量。)/(0WAPIRp 光电转换能力也可以从另一个角度描述，这就是量子效率光电转换能力也可以从另一个角度描述，这就是量子效率，定义为产生的光生电子定义为产生的光生电子-空穴对数占入射光子数的百分比。空穴对数占入射光子数的百分比。式中，Ip 是光生电流，P0 为入射光功率hf为光子能量 ，e 为电子电荷。)()(P(hf/e/0p0pehfRehfIPI 入射光子数入射光子数光生载流子数光生载流子数 15第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机结论结论 ：响应度与量子效率、入射光波的频率有关。：响应度与量子效率、入射光波的频率有关。 R R 和和 都是描述器件光电转

14、换能力的物理量，只是分析都是描述器件光电转换能力的物理量，只是分析的角度不同。的角度不同。 hfeR R 和 之间的关系为要提高量子效率，必须采取如下从措施：要提高量子效率，必须采取如下从措施： 尽量减小光子在表面层的反射率，增加入射到光电二尽量减小光子在表面层的反射率，增加入射到光电二 极管中的光子数。极管中的光子数。 尽量减小中性区的厚度，增加耗尽区的宽度，使光子在尽量减小中性区的厚度，增加耗尽区的宽度，使光子在 耗尽区被充分地吸收。耗尽区被充分地吸收。16第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机2 2响应时间响应时间 响应时间是描述光电检测器对光信号变化响应速度快响应时间是描

15、述光电检测器对光信号变化响应速度快慢程度的物理量，一般用上升时间和下降时间来表示。慢程度的物理量，一般用上升时间和下降时间来表示。 所谓上升时间是所谓上升时间是PDPD受阶跃光脉冲照射时，输出脉冲前受阶跃光脉冲照射时，输出脉冲前沿的沿的10%10%点到点到90%90%点之间的时间间隔来衡量，如图所示。点之间的时间间隔来衡量，如图所示。 17第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机渡越时间：渡越时间： 是指耗尽区内产生的光生载流子穿越耗尽层所需要的时间，是指耗尽区内产生的光生载流子穿越耗尽层所需要的时间，用用t td d表示表示 t td dW/vW/vd d ,W,W耗尽层宽度，耗

16、尽层宽度，v vd d载流子的漂移速度。载流子的漂移速度。2) 2) 扩散时间：扩散时间： 在耗尽区以外产生的载流子要产生扩散，扩散时间用在耗尽区以外产生的载流子要产生扩散，扩散时间用i i来表来表示。如果扩散区的电场很小，扩散时间很长，示。如果扩散区的电场很小，扩散时间很长， 由于由于i i的存在会产生脉冲拖尾。的存在会产生脉冲拖尾。光检测器的响应时间受三个因素影响光检测器的响应时间受三个因素影响18第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机光检测器的响应时间受三个因素影响光检测器的响应时间受三个因素影响3) 电路的影响：电路的影响： 光电检测电路会对响应时间产生影响，不同的电路时

17、间常数，光电检测电路会对响应时间产生影响，不同的电路时间常数，产生的上升时间是不同的。产生的上升时间是不同的。 光检测器的光检测器的1090电路上升时间近似为电路上升时间近似为RC=2.2RTCT式中：式中：RT电路的总电阻，电路的总电阻，CT电路的总电容。电路的总电容。 考虑上述三个因素的影响，则总的上升时间为考虑上述三个因素的影响，则总的上升时间为 =(2RC+ 2d+ 2i)1/2 带宽与上升时间有关，一般情况带宽为上升时间倒数的数量级。带宽与上升时间有关，一般情况带宽为上升时间倒数的数量级。好的好的SiPIN上升时间上升时间可达可达500PS以下，以下，GePIN上升时间上升时间可达可

18、达100PS以下。以下。19第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机3 3响应波长响应波长产生光电效应的条件是 由光电效应发生的条件可知，对任何材料制作的光电二极管都存在截止波长，表达式为 但是，入射光波长太短时，光电转换效率会大大降低，原因是材料对光的吸收系数是波长的函数。ggEhCEhf 或或)(24.1eVEEhCggc 20第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机4 4暗电流暗电流是指在规定的反向电压下无光照射时光电二极管的反向电流。 暗电流引起光接收机噪声增大，希望越小越好暗电流引起光接收机噪声增大，希望越小越好 Ge 材料的光电二极管暗电流达到几百纳安 Si

19、 材料的光电二极管暗电流只有不到1纳安 InCaAs材料的光电二极管暗电流也很小暗电流暗电流器件表面的泄漏电流晶体表面缺陷造成器件表面的泄漏电流晶体表面缺陷造成流经体内的本体暗电流由热激励产生的电子流经体内的本体暗电流由热激励产生的电子空穴对组成空穴对组成21第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机 对于对于APD，由于发生雪崩倍增效应，所以，由于发生雪崩倍增效应，所以APD还需要用倍增还需要用倍增特性来描述。特性来描述。APD的倍增特性有倍增因子的倍增特性有倍增因子G、过剩噪声指数、过剩噪声指数x等。等。 倍增因子定义为倍增因子定义为G：为有雪崩倍增时光电流的平均值：为有雪崩倍增

20、时光电流的平均值IM与无雪与无雪崩倍增时光电流的平均值崩倍增时光电流的平均值IP的比值的比值G=IM/IP 5倍增特性倍增特性APD的倍增因子的倍增因子G随反向电压随反向电压VB的升高而增大。的升高而增大。APD的的G值一般在值一般在40100之间；之间；22第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机5 5倍增特性倍增特性 雪崩倍增效应也会引起倍增噪声，这时因为在雪崩倍增效应也会引起倍增噪声，这时因为在APD中，中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，这将导致倍增增每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，这将导致倍增增益产生波动。通常用噪声系数益产生波动。通常用噪声系数F（G）来表示

21、，在实际使用过）来表示，在实际使用过程中程中F（G）常常近似表示为）常常近似表示为F（G）Gx式中式中x为过剩噪声指为过剩噪声指数，与器件所用的材料和制造工艺有关，数，与器件所用的材料和制造工艺有关，x越大，则越大，则F（G）越大。越大。 所以应选择所以应选择APD的的x小的管子。小的管子。23第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机5.3 5.3 光接收机光接收机1 1光接收机的组成光接收机的组成 直接检测数字光纤通信接收机一般由三个部分组成，直接检测数字光纤通信接收机一般由三个部分组成，即光接收机的即光接收机的前端、线性通道和数据恢复前端、线性通道和数据恢复三个部分，如图三个部

22、分，如图所示。所示。 均衡滤波判决器译码器自动增益控制时钟恢复前放前端线性通道数据恢复主放24第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机1)1)光接收机前端光接收机前端 光接收机前端的作用是将光纤线路末端耦合到光电检测器把光光接收机前端的作用是将光纤线路末端耦合到光电检测器把光比特流转变为时变电流，然后进行预放大，以便后一级进一步比特流转变为时变电流，然后进行预放大，以便后一级进一步处理。处理。 光接收机前端一般由光电检测器和前置放大器组成。光接收机前端一般由光电检测器和前置放大器组成。 25第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机 前置放大器应具有无失真的检测和恢复弱信

23、号的能力，前置放大器应具有无失真的检测和恢复弱信号的能力， 这就要求前端应具有低噪声、高灵敏度和足够的带宽。这就要求前端应具有低噪声、高灵敏度和足够的带宽。 根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案。根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案。 (1)(1)低阻抗前端。低阻抗前端。 (2)(2)高阻抗前端高阻抗前端 (3)(3)跨跨( (互互) )阻抗前端阻抗前端 1)1)光接收机前端光接收机前端26第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机1)1)光接收机前端光接收机前端(1) 低阻抗前端低阻抗前端tCLRpI前置放大器G无反馈低电阻前端 从从频带要求频带要求出发，使光检

24、测器的负载出发，使光检测器的负载 电阻电阻RL满足满足 RL(2fCt)1f为码速率所要求的前端带宽，为码速率所要求的前端带宽，Ct为前端电路的总电容。为前端电路的总电容。优点：线路简单、动态范围较大且无需均衡。优点：线路简单、动态范围较大且无需均衡。缺点：由于输入阻抗低电路噪声大、灵敏度低。缺点：由于输入阻抗低电路噪声大、灵敏度低。27第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机1)1)光接收机前端光接收机前端 (2) 高阻抗前端高阻抗前端 为为减小低阻抗前端热噪声减小低阻抗前端热噪声，可采用高阻抗前端设计方案，可采用高阻抗前端设计方案，但是但是负载阻抗负载阻抗R RL L增大使前置

25、放大器带宽和动态范围减小。增大使前置放大器带宽和动态范围减小。 当比特率较高时，输入端信号的高频分量损失大，需采当比特率较高时，输入端信号的高频分量损失大，需采用很强的均衡来补偿高频分量损失。用很强的均衡来补偿高频分量损失。 所以，高阻抗前端一般只适用于低速系统。所以，高阻抗前端一般只适用于低速系统。28第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机1)1)光接收机前端光接收机前端(3) 跨跨(互互)阻抗前端阻抗前端GtCRLpI前置放大器前置放大器跨阻抗前端 这种前端将负载电阻连接为反相放大器的反馈电阻，它这种前端将负载电阻连接为反相放大器的反馈电阻，它是一个性能优良的电流电压转换器，

26、即使是一个性能优良的电流电压转换器，即使RL很高，而负反很高，而负反馈使有效输入阻抗降低了馈使有效输入阻抗降低了G倍，从而使其带宽比高阻抗前端倍，从而使其带宽比高阻抗前端增加了增加了G倍，动态范围也提高了。倍，动态范围也提高了。 所以，具有频带宽、噪声低、灵敏度高、动态范围大的所以，具有频带宽、噪声低、灵敏度高、动态范围大的优点。优点。 29第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机1)1)光接收机前端光接收机前端 右图为一右图为一400Mb/s跨阻抗前端电跨阻抗前端电路图（第一级采用电压负反馈，第路图（第一级采用电压负反馈，第二级采用射极补偿以提升高频分量）二级采用射极补偿以提升高

27、频分量）为了减少引线电容等杂散电容，提为了减少引线电容等杂散电容，提高响应速度和灵敏度，通常采用混高响应速度和灵敏度，通常采用混合集成工艺，将光电二极管与场效合集成工艺，将光电二极管与场效应管前置放大器集成在一起，做成应管前置放大器集成在一起，做成PINFET光接收机组建。光接收机组建。+V+5V输出30第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机1)1)光接收机前端光接收机前端光接收组件光接收组件 其功能是将经光纤传输的光信号经组件内的光电二极管其功能是将经光纤传输的光信号经组件内的光电二极管还原成电信号。因此，还原成电信号。因此，组件的核心是光电二极管和前置放大组件的核心是光电二极

28、管和前置放大器。器。 为了输入与输出有良好的匹配，组件内还有阻抗匹配网络。为了输入与输出有良好的匹配，组件内还有阻抗匹配网络。 为了使光电二极管工作，还需要配置直流偏置电路。为了使光电二极管工作，还需要配置直流偏置电路。 为避免光返回光纤，还应采取防反射措施。为避免光返回光纤，还应采取防反射措施。31第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机 光接收机的线性通道由一个高增益的主放大器和一个光接收机的线性通道由一个高增益的主放大器和一个均衡滤波器组成，还包括峰值检测和自动增益控制均衡滤波器组成，还包括峰值检测和自动增益控制(AGC)(AGC)电电路，用来控制放大器增益。路，用来控制放大

29、器增益。 因为主放大器和一个均衡滤波器起一个线性系统的作因为主放大器和一个均衡滤波器起一个线性系统的作用，故可称为线性通道，如下图所示。用，故可称为线性通道，如下图所示。2）线性通道）线性通道32第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机主放大器的作用有两个方面：主放大器的作用有两个方面：（1 1）将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的）将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的 信号电平。信号电平。（2 2）它还是一个增益可调节的放大器。当光检测器输出）它还是一个增益可调节的放大器。当光检测器输出 的信号出现起伏时，通过光接收机的自动增益控制的信号出现起伏时，通过光接收机的

30、自动增益控制 电路对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的电路对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的 输出信号在一定范围内不受输入信号的影响。输出信号在一定范围内不受输入信号的影响。 对对APDAPD光接收机还通过控制光接收机还通过控制APDAPD的偏压来控制雪崩增的偏压来控制雪崩增 益。益。2）线性通道）线性通道33第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机2）线性通道）线性通道 对于一个实际的传输系统（包括信道、放大器、均衡滤波器对于一个实际的传输系统（包括信道、放大器、均衡滤波器等），其频带总是受限的。对于一个频带受限系统，它的时域将等），其频带总是受限的。对于一个频带受限系

31、统，它的时域将是无限的，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，使前后码元波形重叠，引起码间干扰，导致误码判决。元波形重叠，引起码间干扰，导致误码判决。 尽管频带受限系统的时域波形总会有拖尾，但我们尽管频带受限系统的时域波形总会有拖尾，但我们可以设计可以设计具有特定频谱的波形，使其在判决其它码元的时刻，拖尾值为零具有特定频谱的波形，使其在判决其它码元的时刻，拖尾值为零。通过均衡电路对失真的数字信号进行整形、输出为码间干扰尽可通过均衡电路对失真的数字信号进行整形、输出为码间干扰尽可能小、能小、 有利于判决的波形。有利于判决的波形。 通常将输出

32、波形均衡成具有升余弦频谱函数（相频特性为线性）通常将输出波形均衡成具有升余弦频谱函数（相频特性为线性）的特性，此时码间干扰最小，最有利于判决。的特性，此时码间干扰最小，最有利于判决。34第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机2）线性通道）线性通道升余弦频谱函数为升余弦频谱函数为 BfBfBffHout02/)/cos(1)( 对上式进行傅立叶逆变换，得线性通道的响应为对上式进行傅立叶逆变换，得线性通道的响应为2)2(112)2sin()(BtBtBtthout 上式中的上式中的hout（t）相应于线性通道输出的电压脉冲）相应于线性通道输出的电压脉冲Vout（t）的形状。的形状。在

33、在t0判决时刻，判决时刻， hout（t）1，信号最大；，信号最大；当当tm/B时时 hout（t）0，而而tm/B，对应于相邻比特判决时刻，所以，本码不会，对应于相邻比特判决时刻，所以，本码不会干扰邻码。干扰邻码。35第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机本码判决时刻邻码判决时刻t0T2T3T 4T)(1th均衡前的脉冲波形本码判决时刻邻码判决时刻t0)(2th均衡后的脉冲波形2TT3T4T 2）线性通道）线性通道通过比较知道，没有均衡滤波器的输出波形不利于判决，通过比较知道，没有均衡滤波器的输出波形不利于判决，经过均衡后的波形，在本码判决时刻，波形的瞬时值应为经过均衡后的波形

34、，在本码判决时刻，波形的瞬时值应为最大值；而这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值最大值；而这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零。这样，即使经过均衡以后的输出波形仍有拖尾，应为零。这样，即使经过均衡以后的输出波形仍有拖尾，但是这个拖尾在邻码判决的这个关键时刻为零，从而不干但是这个拖尾在邻码判决的这个关键时刻为零，从而不干扰对邻码的判决。因此均衡滤波非常重要。扰对邻码的判决。因此均衡滤波非常重要。36第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机3 3）数据恢复）数据恢复 数据恢复电路由判决电路和时钟恢复电路组成，如果需要数据恢复电路由判决电路和时钟恢复电路组成，如果需要与电端

35、机接口，还需要解码、解扰和编码电路，如下图所示。与电端机接口，还需要解码、解扰和编码电路，如下图所示。37第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机 将升余弦波恢复成数字信号（将升余弦波恢复成数字信号（首先要提取正确的时首先要提取正确的时钟，适当移相后在最佳时刻对升余弦信号取样，与阈值钟，适当移相后在最佳时刻对升余弦信号取样，与阈值比较以确定比较以确定“0”或或“1”，实现数据重建，实现数据重建） 为了能从均衡器的输出信号判决出是为了能从均衡器的输出信号判决出是“0”码码 还是还是“1”码，首先要设法知道应在什么时刻进行判决亦即码，首先要设法知道应在什么时刻进行判决亦即应将应将“混在

36、混在”信号中的时钟信号（又称定时信号）提取信号中的时钟信号（又称定时信号）提取出来出来3 3）数据恢复）数据恢复38第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机信号再生示意图信号再生示意图3 3）数据恢复）数据恢复接着再根据给定的判决门限接着再根据给定的判决门限电平，按照时钟信号所电平，按照时钟信号所“指指定定”的瞬间来判决由均衡器的瞬间来判决由均衡器送过来的信号若信号电平送过来的信号若信号电平超过判决门限电平，则判为超过判决门限电平，则判为“l”码；低于判决门限电平，码；低于判决门限电平，则被判为则被判为“0”码从而把升码从而把升余弦频谱脉冲恢复（再生）余弦频谱脉冲恢复（再生）为为“

37、0”，“1”码信号码信号39第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机3 3） 数据恢复数据恢复眼图：眼图：由于经过均衡的信号是变了形的数字码流，用示波器观由于经过均衡的信号是变了形的数字码流，用示波器观看时看到的是一种与眼睛相似的图案，称为眼图。看时看到的是一种与眼睛相似的图案，称为眼图。眼图形成条件：眼图形成条件： a a、观测的二进制码流具有随即性（非周期规则码），在同、观测的二进制码流具有随即性（非周期规则码），在同步触发扫描下每帧图案不同。步触发扫描下每帧图案不同。 b b、示波器的余晖时间要远大于扫描的重复周期，在同步触、示波器的余晖时间要远大于扫描的重复周期，在同步触发

38、下，相互叠加显示稳定的眼图。发下，相互叠加显示稳定的眼图。 c c、数字码流中的脉冲已经不是理想的矩形脉冲，成了升余、数字码流中的脉冲已经不是理想的矩形脉冲，成了升余弦波形。弦波形。对眼图的要求：对眼图的要求：眼图张开越大越好，线条要清晰，图形要稳定，眼图张开越大越好，线条要清晰，图形要稳定，单线最好，对称性好。单线最好，对称性好。40第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机 眼图分析法眼图分析法：最佳取样时间相应于在：最佳取样时间相应于在“1”和和“0”信号电信号电平相差最大的位置，可由眼图决定，它由不同比特电脉冲顶部平相差最大的位置，可由眼图决定，它由不同比特电脉冲顶部叠加而成

39、，上图为理想的眼图，下图为噪声和时间抖动导致的叠加而成，上图为理想的眼图，下图为噪声和时间抖动导致的半张半闭退化眼图，最佳取样时间相应于眼睛睁开最大处的时半张半闭退化眼图，最佳取样时间相应于眼睛睁开最大处的时间。间。3 3）数据恢复）数据恢复41第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机均衡器移相嵌位、整形非线性处理整形限幅调谐放大时钟恢复电路方框图3 3）数据恢复）数据恢复时钟恢复：时钟恢复：是指将是指将fB的谱分量（时钟信号）与接收信号分的谱分量（时钟信号）与接收信号分离，向判决电路提供码间隔离，向判决电路提供码间隔TB1/B的时钟信息，使判决过的时钟信息，使判决过程同步。程同步

40、。42第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机2辅助电路辅助电路(1)(1)钳位电路钳位电路 为了使输入判决器的信号稳定，在判决器前面加有钳为了使输入判决器的信号稳定，在判决器前面加有钳位电路，它将已均衡波的幅度底部钳制在一个固定的电位位电路，它将已均衡波的幅度底部钳制在一个固定的电位上。上。(2)(2)温度补偿电路温度补偿电路 由于光接收机环境温度变化时，雪崩管的增益将发生由于光接收机环境温度变化时，雪崩管的增益将发生变化，导致接收机的灵敏度发生变化。为了尽可能减少这变化，导致接收机的灵敏度发生变化。为了尽可能减少这种变化，就需要给雪崩管的偏压加温度补偿电路，使雪崩种变化，就需要

41、给雪崩管的偏压加温度补偿电路，使雪崩管的偏压随温度产生相应的变化。管的偏压随温度产生相应的变化。(3)(3)告警电路告警电路 当输入光接收机的光信号太弱或无光信号时，则由告当输入光接收机的光信号太弱或无光信号时，则由告警电路输出一个告警信号至告警盘。警电路输出一个告警信号至告警盘。43第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机3光接收模块和集成光接收机光接收模块和集成光接收机 光接收模块是指将包括光接收模块是指将包括PDPD管芯和前置放大器以及阻抗匹管芯和前置放大器以及阻抗匹配电路和电路状态监视配电路和电路状态监视/ /警示电路，再加上若干光学元件集成警示电路，再加上若干光学元件集成

42、在一个管壳内并形成光接收功能的器件。在一个管壳内并形成光接收功能的器件。 集成光接收机与光接收模块不同，它是采用集成电路工集成光接收机与光接收模块不同，它是采用集成电路工艺技术把所有的元件集成在一个芯片上。艺技术把所有的元件集成在一个芯片上。 44第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机 集成光接收机设计制造有两种方案，一种称为混合集集成光接收机设计制造有两种方案，一种称为混合集成光接收机，它将电子器件集成在成光接收机，它将电子器件集成在GaAsGaAs芯片上，而将光电芯片上，而将光电二极管制造在二极管制造在InPInP芯片上，然后将芯片上，然后将InPInP芯片按下图所示倒装芯片

43、按下图所示倒装式接合法，堆叠在式接合法，堆叠在GaAsGaAs芯片上，使这两个芯片连接起来。芯片上，使这两个芯片连接起来。 45第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机4.4.光收发一体模块光收发一体模块 光收发一体模块是将传统的分离发射、接收组件合二光收发一体模块是将传统的分离发射、接收组件合二为一密封在同一管壳内的新型光电器件。它具有如下优点：为一密封在同一管壳内的新型光电器件。它具有如下优点：小型化、低成本、高可靠性和高性能，在数据通信和电信小型化、低成本、高可靠性和高性能，在数据通信和电信传输中均有广阔的应用前景。传输中均有广阔的应用前景。46第第5 5章章 光检测器和光接

44、收机光检测器和光接收机54 光接收机的噪声光接收机的噪声噪声噪声电磁干扰电磁干扰来自空间的无线电波、周围电来自空间的无线电波、周围电 器设备及电源波纹等器设备及电源波纹等随机噪声随机噪声光电转换及放大过程中的随机光电转换及放大过程中的随机 因素所引入的因素所引入的随机噪声随机噪声按噪声机理按噪声机理散粒噪声散粒噪声热噪声热噪声按引入部位等按引入部位等光电检测器噪声光电检测器噪声放大器噪声放大器噪声量子噪声量子噪声电流倍增噪声电流倍增噪声散粒噪声散粒噪声热噪声热噪声47第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机54 光接收机的噪声光接收机的噪声 研究光接收机噪声的目的研究光接收机噪声的

45、目的 在一个完整的光纤通信系统中，光接收机是重要组成部在一个完整的光纤通信系统中，光接收机是重要组成部分。可以想像，在满足误码率（或信噪比）指标要求下，如分。可以想像，在满足误码率（或信噪比）指标要求下，如果需要输入接收机的光功率低，则表明这个光接收机的灵敏果需要输入接收机的光功率低，则表明这个光接收机的灵敏度高，性能好度高，性能好 那么为什么光接收机的输入功率不能无限制地降低呢？那么为什么光接收机的输入功率不能无限制地降低呢？显然，是受到了系统中噪声的限制显然，是受到了系统中噪声的限制主要是光电检测器和前主要是光电检测器和前置放大器噪声。置放大器噪声。48第第5 5章章 光检测器和光接收机光

46、检测器和光接收机54 光接收机的噪声光接收机的噪声 对于多级放大器的线性通道来说也会产生噪声，但主对于多级放大器的线性通道来说也会产生噪声，但主要取决于前置放大器噪声，因为会被后面的线性通道放大。要取决于前置放大器噪声，因为会被后面的线性通道放大。 为了研究光接收机的性能，就需研究光纤通信系统的为了研究光接收机的性能，就需研究光纤通信系统的噪声，首先是从接收机这端引入的噪声。噪声，首先是从接收机这端引入的噪声。49第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机54 光接收机的噪声光接收机的噪声 光接收机的噪声是与信息无关的随机变量，噪声源从引入过程来光接收机的噪声是与信息无关的随机变量，

47、噪声源从引入过程来分，可分为两类：分，可分为两类：光电检测器引入的噪声和接收机电路引入的噪光电检测器引入的噪声和接收机电路引入的噪声。声。50第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机量子噪声量子噪声 出现这种噪声的原因是：由于光波的传播是由大量光量出现这种噪声的原因是：由于光波的传播是由大量光量子（光子）传播来进行的例如：子（光子）传播来进行的例如：l lmw 频率为频率为 f 10101515Hz Hz 的光功率，所对应的每秒钟接收到的光子数的光功率，所对应的每秒钟接收到的光子数 n n 应为应为式中，式中，hfhf 是一个光子具有的能量是一个光子具有的能量 这样大量的光量子其相

48、位和幅度都是随机的。因此，光这样大量的光量子其相位和幅度都是随机的。因此，光电检测器在某个时刻实际接收到的光子数，是在一个统计平电检测器在某个时刻实际接收到的光子数，是在一个统计平均值附近浮动，因而产生了噪声。均值附近浮动，因而产生了噪声。 从噪声产生的过程看出，这种噪声是顽固地依附在信号从噪声产生的过程看出，这种噪声是顽固地依附在信号上的，用增加发射光功率，或采用低噪声放大器都不能减少上的，用增加发射光功率，或采用低噪声放大器都不能减少它的影响因而，它限制了光接收机的灵敏度指标。它的影响因而，它限制了光接收机的灵敏度指标。151534310509. 11010625. 610 fhPn51第

49、第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机光电检测器的暗电流噪声光电检测器的暗电流噪声 当没有光照射时，在理想条件下，光电检测器应没有光电流当没有光照射时，在理想条件下，光电检测器应没有光电流输出。但是，实际上由于热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，输出。但是，实际上由于热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光的情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电在无光的情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流，是一种散粒噪声。流，是一种散粒噪声。 又因上述各种激励条件是随机的，因此，暗电流亦是随机浮又因上述各种激励条件是随机的，因此，暗电流亦是随机浮动的，从而形成了暗电流噪声

50、。动的，从而形成了暗电流噪声。雪崩管倍增噪声雪崩管倍增噪声 由于雪崩管的光电倍增作用是随机的，是一个十分复杂的过由于雪崩管的光电倍增作用是随机的，是一个十分复杂的过程这种随机性，必然要引起雪崩管输出信号的浮动，从而引入程这种随机性，必然要引起雪崩管输出信号的浮动，从而引入噪声。噪声。52第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机 漏电流噪声：漏电流噪声：是由于器件表面物理特性不完善所致，它与表是由于器件表面物理特性不完善所致，它与表面积的大小及偏置电压有关。面积的大小及偏置电压有关。 背景噪声：背景噪声：是指输入光信号的热噪声，与频率无关，是一种是指输入光信号的热噪声，与频率无关，是

51、一种白噪声，一般不大，可以忽略。白噪声，一般不大，可以忽略。 热噪声：热噪声：是指在有限温度下，导电媒质内自由电子和震动离是指在有限温度下，导电媒质内自由电子和震动离子间热相互作用引起的一种随机脉动，一个电阻中的这种随子间热相互作用引起的一种随机脉动，一个电阻中的这种随机脉动，即使没有外加电压也表现为一种电流波动，是一种机脉动，即使没有外加电压也表现为一种电流波动，是一种白噪声。白噪声。热噪声与光电源无关，即使没有光功率输入，热噪热噪声与光电源无关，即使没有光功率输入，热噪声还是存在。声还是存在。 53第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机 光接收机的放大器噪声光接收机的放大器噪

52、声 在强度调制系统的光接收机中，把光信号变为电信号之在强度调制系统的光接收机中，把光信号变为电信号之后，还要经过一系列电的放大等电路系统。后，还要经过一系列电的放大等电路系统。 在这些电路中，电阻将引入热噪声；晶体管亦将引入噪声，在这些电路中，电阻将引入热噪声；晶体管亦将引入噪声，尤其是前置放大器晶体管引人的噪声影响更为严重在一个尤其是前置放大器晶体管引人的噪声影响更为严重在一个多级放大器中，每一级放大器都可能引入附加的噪声，而且多级放大器中，每一级放大器都可能引入附加的噪声，而且在每一级放大器里，噪声和信号都将同样地被放大。在每一级放大器里，噪声和信号都将同样地被放大。 在这种情况下多级放大

53、器的第一级就显得至关重要。只要在这种情况下多级放大器的第一级就显得至关重要。只要第一级放大器的增益足够高，后面各级放大器对噪声的影响第一级放大器的增益足够高，后面各级放大器对噪声的影响就比较小。就比较小。 所以我们更关心的是前置放大器的噪声所以我们更关心的是前置放大器的噪声54第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机噪声的评价方法噪声的评价方法 噪声是一种随机性的起伏量，表现为无规则的起伏，是电噪声是一种随机性的起伏量，表现为无规则的起伏，是电信号中不需要的成分，它会干扰实际系统中信号的传输和处理，信号中不需要的成分，它会干扰实际系统中信号的传输和处理，影响和限制了系统的性能。影响

54、和限制了系统的性能。 由于噪声电压由于噪声电压Vn(t)Vn(t)的振幅、相位等均随时间作无规则的变的振幅、相位等均随时间作无规则的变化，其瞬时值的平均为零，即化，其瞬时值的平均为零，即=0=0，因而无法用平均值，因而无法用平均值来评价噪声的大小。来评价噪声的大小。 但是，其均方值但是，其均方值Vn(t)是完全确定的，因此，噪声的大是完全确定的，因此，噪声的大小可以用均方值来表示。小可以用均方值来表示。55第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机1）噪声的大小可以用均方值来表示）噪声的大小可以用均方值来表示 对于散粒噪声，入射光功率产生的光电二极管电流（忽略平均对于散粒噪声，入射光

55、功率产生的光电二极管电流（忽略平均暗电流暗电流Id）为）为I(t)=II(t)=Ip p+ +i is s(t) (t) 式中：式中：I Ip pRPRPo o为光检测器输出的平均为光检测器输出的平均光电流；光电流；i is s 为散粒噪声的电流起伏。为散粒噪声的电流起伏。 则均方散粒噪声则均方散粒噪声 2 2S S=2eI=2eIP Pf f 式中式中f为接收机带宽。为接收机带宽。 对于热噪声，产生的原因是负载电阻对于热噪声，产生的原因是负载电阻RL内部的自由电子或电荷内部的自由电子或电荷载流子的不规则热运动引起的噪声。附加的热噪声用载流子的不规则热运动引起的噪声。附加的热噪声用i iT T

56、(t)(t)表示，则表示，则均方热噪声电流为均方热噪声电流为 2T=(4kBT/RL) f式中：式中：kB1.3810-23JK-1为玻耳兹曼常数；为玻耳兹曼常数；T为绝对温度为绝对温度如果放大器的噪声指数为如果放大器的噪声指数为FnFn，则该噪声经放大器要扩大，则该噪声经放大器要扩大FnFn倍。倍。由此获得总的均方噪声电流为由此获得总的均方噪声电流为2 2=2 2S S+ +2 2T T56第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机22 FISNR 2）信噪比（）信噪比（SNR) 信噪比信噪比(SNR)是评价光接收机性能的重要指标，其定义为平均是评价光接收机性能的重要指标，其定义为

57、平均信号功率和噪声功率的比值信号功率和噪声功率的比值 按照这个定义，对所有光接收机的各个过程引入的噪声都可以按照这个定义，对所有光接收机的各个过程引入的噪声都可以做定量分析。对于做定量分析。对于PIN接收机，热噪声通常占主导地位，散粒噪声接收机，热噪声通常占主导地位，散粒噪声可以忽略，则可以忽略，则PIN光接收机的信噪比为：光接收机的信噪比为：fRTkPRSNRLBo )/(422 上式表明，在热噪声限制下，上式表明，在热噪声限制下，SNR与与PO的平方成正比，而且的平方成正比，而且与与RL成正比，这说明可以通过使用大的负载电阻成正比，这说明可以通过使用大的负载电阻RL来提高来提高SNR，这也

58、是大多数光接收机采用高阻抗或互阻抗前端的原因之一。这也是大多数光接收机采用高阻抗或互阻抗前端的原因之一。57第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机1 1光接收机的误码率分析光接收机的误码率分析 光接收机的误码率光接收机的误码率BERBER定义为错误接收的码元数与传输的定义为错误接收的码元数与传输的码元总数的比值。码元总数的比值。 对于数字光接收机，对于数字光接收机，数字信号的恢复是由判决数字信号的恢复是由判决电路判定，判决电路接收电路判定，判决电路接收到的波动信号如图所示。到的波动信号如图所示。阴影部分表示出现错误的阴影部分表示出现错误的情况。情况。 5 55 5 光接收机的误码率和接