第5章光探测和光接收机

1、第第5 5章章光探测和光接收机光探测和光接收机 光探测原理光探测原理 光电探测器光电探测器 数字光接收机数字光接收机 接收机光信噪比（接收机光信噪比（OSNROSNR） 接收机误码率和灵敏度接收机误码率和灵敏度 灵敏度下降机理灵敏度下降机理 光接收机光接收机内容要求内容要求 5.1 光探测原理Ec c吸收光子后吸收光子后产生电子产生电子Ev光子光子h 输入输入(输出电流)(输出电流)v 入射光子的能量入射光子的能量hh超过禁带能量超过禁带能量 E Eg g，耗尽区每次吸，耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。PN结光电检测原

2、理入入射射光光hvEgSiO2P+h+e-+ERIpVoutW抗抗反反射射膜膜电电极极电电极极耗耗尽尽区区Pin空空穴穴h+e-电电子子负负载载电电阻阻RIp光光生生电电流流输输出出电电压压L LL LN(a) 反反向向偏偏置置的的 PN 结结, ,当当光光入入射射时时, ,光光生生电电子子空空穴穴对对分分别别向向N N区区和和P P区区漂漂移移，在在外外电电路路产产生生光光生生电电流流W= = m几几光电检测器响应度5.2 光电探测器 PINPIN光电二极管光电二极管 PIN PIN 二极管与二极管与 PN PN 二极管的主要区别是，在二极管的主要区别是，在 P P 和和 N N 层之间加入

3、了层之间加入了一个一个 I I 层，作为耗尽层。层，作为耗尽层。I I 层的宽度较宽，约有（层的宽度较宽，约有（5 505 50） m m，可吸，可吸收绝大多数光子，使光生电流增加。收绝大多数光子，使光生电流增加。入入射射光光hvEgSiO2P+h+e-+EIpVout抗抗反反射射膜膜电电极极电电极极耗耗尽尽区区Pin输输出出电电压压RL反反向向偏偏置置的的 PIN,因因耗耗尽尽区区较较宽宽, ,可可以以吸吸收收绝绝大大多多数数光光生生电电子子和和空空穴穴对对, ,使使量量子子效效率率提提高高I-SiWN+Vr-RLCdIpVout空空穴穴h+e-电电子子负负载载电电阻阻RIp光光生生电电流流

4、L LW= = m550EVr/WCdP PI IN N管管分分布布电电容容PIN光电相关参数耗尽区电容耗尽区电容漂移时间漂移时间响应波长响应波长gg24. 1EEhccWACrd0dVWttr6008001000120014001600180000.20.40.60.81.090%70%50%30%10%InGaAsPGeInGaAsSi(nm)波长波长( )R响响应应度度量子效率量子效率PIN光电二极管的性能参数v 量子效率量子效率 v 响应度响应度 R Rv 暗电流：暗电流： 表示无光照时出现的反向电流，会影响接收表示无光照时出现的反向电流，会影响接收机的信噪比机的信噪比; ;v 响应速

5、度：响应速度： 对光信号的反应能力，常用对光脉冲响应对光信号的反应能力，常用对光脉冲响应的上升或下降沿表示的上升或下降沿表示; ;v 结电容结电容 (pF), (pF), 它影响响应速度。它影响响应速度。5.2.2 雪崩光电二极管v 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APDAPD）是利用雪崩倍增效应使光电流得）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。到倍增的高灵敏度探测器。v APDAPD的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在 PN PN 结内部形成一个高电场区。结内部形成一个高电场区。v APDAPD能提供内部增益能提供内部增益v 工作

6、速度高，广泛应用于光通信系统中工作速度高，广泛应用于光通信系统中v 光生的电子光生的电子 空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量，它们空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量，它们在高速运动中与在高速运动中与 P P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子生新的电子 空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子 空穴对，称为二次空穴对，称为二次电子电子 空穴对。空穴对。v 新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞

7、别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速的原子，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，形成雪崩倍增效应。加大，形成雪崩倍增效应。SiO2P+h+e-ERIpVout电极电极电电极极耗尽区耗尽区入射光入射光hvEgL L(a)雪崩光电二雪崩光电二极管（APD极管（APD）的结构）的结构WN+Vr-P E( )x0 0各区电场分布,各区电场分布,雪崩发生在P区，雪崩发生在P区，吸收发生在 区吸收发生在 区(b)x吸收区吸收区雪崩区雪崩区 EN+ Ph+e-雪崩区雪崩区(a)离子碰撞过程释放电子空穴对，离子碰撞过程释放电子空穴对，导致雪崩导致雪崩晶格晶格

8、APD的技术参数PMIIM v 平均雪崩增益平均雪崩增益v 响应带宽响应带宽tr3dB35. 0fWVfd3dB44. 0光发光发射机射机LD光纤光纤t光接光接收机收机PD 频率为 的频率为 的正弦电信号正弦电信号f调制频率调制频率 f正弦信号正弦信号 f=(a)传输模拟信号的光纤线路(a)传输模拟信号的光纤线路0ff3dB el频率频率Phig f/Plow f1.00.5电带宽电带宽(b)光电二极管(b)光电二极管 响应带宽 响应带宽v 上升时间定义为输入阶跃光功率时，探测器输出光电流最大值的上升时间定义为输入阶跃光功率时，探测器输出光电流最大值的 10 % 10 % 到到 90 % 90

9、 % 所需的时间。所需的时间。上升时间定义090%10%Tr=0.7 00.90.1tVoutTr01.0tVin线性系统线性系统RCVinVouti(a) 阶跃脉冲作用于线性系统阶跃脉冲作用于线性系统(b)方波作用于方波作用于 线性系统线性系统APD 波长响应曲线6008001000 1200140016001800124710010357050403020InGaAsGeSi(nm)波长波长( )R响响应应度度例5.2.1 PIN光电二极管的灵敏度例5.2.2 带宽例5.2.3 InGaAs APD灵敏度例5.2.4 Si APDSi APD 在在 830 nm 没有倍增即没有倍增即 M

10、= 1 时的量子效率为时的量子效率为 70%，反偏工作倍增系数反偏工作倍增系数 M = 100， 当入射功率为当入射功率为 10 nW 时，光电流是时，光电流是多少？多少？解：没有倍增时的灵敏度：解：没有倍增时的灵敏度：1834919A W47. 0103)10626. 6(10830)106 . 1 (70. 0hcqR。没有倍增时的初始光电流：没有倍增时的初始光电流：nA7 . 4101047. 09inph0RPI。倍 增 后 的 光 电 流 ：倍 增 后 的 光 电 流 ：nA)(4707 . 4100 ph0phIMI 或或0.47 A。5.3 5.3 数字光接收机组成数字光接收机组

11、成v5.3.1 光电变换和前置放大v5.3.2 线性放大v5.3.3 数据恢复5.3 数字光接收机均均衡衡滤滤波波信信号号光光光光探探测测器器电电压压供供给给光光电电变变换换和和前前放放前前放放主主放放自自动动增增益益控控制制线线性性放放大大判判决决电电路路时时钟钟恢恢复复数数据据恢恢复复数数据据输输出出信信号号光光光光探探测测器器电电压压供供给给光光电电变变换换和和前前放放前前放放5.3.1 前置放大器v 前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用，前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用，所以精心设计前置放大器就显得特别重要。所以精心设计前置放大器

12、就显得特别重要。v 光电二极管把光比特流转变成随时间变化的电信号。前置放大器的作用是光电二极管把光比特流转变成随时间变化的电信号。前置放大器的作用是放大该电信号，以供主放大器进一步放大和处理。放大该电信号，以供主放大器进一步放大和处理。v 前置放大器的设计要求在带宽和灵敏度之间进行折衷。前置放大器的设计要求在带宽和灵敏度之间进行折衷。图5.3.2 光接收机前置放大器等效电路前前放放GID RLCT高高阻阻型型前前放放G RLIDCT 转转移移阻阻抗抗型型v 负载电阻跨接到反向放大器的输入和输出端，尽管负载电阻跨接到反向放大器的输入和输出端，尽管R RL L仍然很仍然很大，但负反馈使输入阻抗减小

13、了大，但负反馈使输入阻抗减小了G G 倍，因此带宽也比高阻抗倍，因此带宽也比高阻抗放大器的扩大了放大器的扩大了G G 倍。倍。v 它的灵敏度高、频带宽。动态范围也比高阻抗前置放大器的它的灵敏度高、频带宽。动态范围也比高阻抗前置放大器的大。因此光接收机常使用这种结构的前放。大。因此光接收机常使用这种结构的前放。前放前放G RLIDCT 转移阻抗型转移阻抗型转移阻抗前置放大器滤滤波波主放主放自动增自动增益控制益控制均均衡衡5.3.2 线性放大v 由主放大器、低通滤波器和自动增益控制电路组成。由主放大器、低通滤波器和自动增益控制电路组成。v 有时候，为了校正和补偿前端对带宽的限制，在主放大器之前还要

14、插入一个均衡器。有时候，为了校正和补偿前端对带宽的限制，在主放大器之前还要插入一个均衡器。v 低通滤波器的作用是整形电压脉冲，减小噪声，同时避免引入更多的码间干扰。低通滤波器的作用是整形电压脉冲，减小噪声，同时避免引入更多的码间干扰。v 采用自动增益控制电路，在接收机平均入射光功率一定的变化范围内，可以把放大采用自动增益控制电路，在接收机平均入射光功率一定的变化范围内，可以把放大器的增益自动控制在固定的输出电平上器的增益自动控制在固定的输出电平上。图5.3.3 柰奎斯特脉冲响应和升余弦均衡滤波器输出响应v 我们虽不能消我们虽不能消除码间干扰及除码间干扰及相互影响相互影响v 但我们能做到但我们能

15、做到不管输入波形不管输入波形如何发生畸变，如何发生畸变，只要经过均衡只要经过均衡滤波器后，在滤波器后，在某些特定点上某些特定点上干扰为零，因干扰为零，因此可用于正确此可用于正确地判决。地判决。 h( )ff幅度tTT单个脉冲波形合成波形理想特性升余弦特性1T1T2 (c)升余弦均衡滤波器输出响应（a) NRZ输入脉冲，=脉冲周期脉宽=T=1B升余弦均衡滤波器特性(b)=BT1tTT2T2T0is( ) t 2cos1outBffH判决判决电路电路时钟时钟恢复恢复数据恢复数据恢复数据数据输出输出5.3.3 数据恢复v 数据恢复电路包括判决电路和时钟数据恢复电路包括判决电路和时钟恢复电路。恢复电路

16、。v 它的任务是把均衡器输出的升余弦它的任务是把均衡器输出的升余弦信号恢复成数字信号。信号恢复成数字信号。v 首先要提取时钟信号，在最佳的取首先要提取时钟信号，在最佳的取样时间对升余弦信号进行取样，然样时间对升余弦信号进行取样，然后将取样幅度与判决阈值进行比较，后将取样幅度与判决阈值进行比较，确定码元是确定码元是“0”0”还是还是“1”1”，从而，从而把升余弦波形恢复再生成原传输的把升余弦波形恢复再生成原传输的数字信号。数字信号。v 最佳的判决时间应是升余弦波形的最佳的判决时间应是升余弦波形的正负峰值点，这时取样幅度最大，正负峰值点，这时取样幅度最大，抵抗噪声的能力最强。抵抗噪声的能力最强。选

17、取最佳的判决时间 01010100 01011010 P tt发发射射信信号号误误码码判判决决时时刻刻判判决决门门限限噪噪声声(a)在在接接收收端端探探测测到到的的带带有有噪噪声声的的信信号号 Str(b)(c)tDtDtDtDtDtDtDtD由由于于噪噪声声叠叠加加, ,“0 0 ”码码，在在判判决决时时刻刻变变成成使使“1 1”码码经经判判决决电电路路后后产产生生了了一一个个误误码码。IDI取取样样值值判判决决时时刻刻眼图分析法v 在实验室里观察码间干扰是否存在的最直观、最简单的方法是眼在实验室里观察码间干扰是否存在的最直观、最简单的方法是眼图分析法。图分析法。通常误码率的典型值为通常误码

18、率的典型值为101099。v 将均衡滤波器输出的随机脉冲序列输入到示波器的将均衡滤波器输出的随机脉冲序列输入到示波器的 Y Y 轴，用时钟轴，用时钟信号作为外触发信号，就可观察到眼图。信号作为外触发信号，就可观察到眼图。v 眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响，当输出端信噪比很大时，眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响，当输出端信噪比很大时，张开度主要受码间干扰的影响。因此，观察眼图的张开度就可以张开度主要受码间干扰的影响。因此，观察眼图的张开度就可以估计出码间干扰的大小，这给均衡电路的调整提供了简单而适用估计出码间干扰的大小，这给均衡电路的调整提供了简单而适用的观测手段。的观测手段。a( )理想

19、的眼图b( ) 因噪声恶化的眼图5.4 5.4 接收机信噪比（接收机信噪比（SNRSNR）v5.4.1 噪声机理v5.4.2 PIN光接收机v5.4.3 APD接收机v5.4.4 信噪比 (SNR) 和光信噪比 (OSNR)的关系5.5 5.5 接收机误码率和灵敏度接收机误码率和灵敏度v5.5.1 比特误码率v5.5.2 最小平均接收光功率v5.5.3 光电探测器的量子限制5.5 接收机误码率和灵敏度5.5.1 比特误码率SrPtSD发发射射信信号号接接收收信信号号TXAMP噪噪声声光光源源探探测测器器判判决决 01010100 01011010 P tt发发射射信信号号误误码码判判决决时时刻

20、刻判判决决门门限限噪噪声声(a)(b)在在接接收收端端探探测测到到的的带带有有噪噪声声的的信信号号 Str(c)(d)tDtDtDtDtDtDtDtD由由于于噪噪声声叠叠加加, ,“ 0 0 ”码码，在在判判决决时时刻刻变变成成使使“1 1”码码经经判判决决电电路路后后产产生生了了一一个个误误码码。系系统统构构成成IDI取取样样值值判判决决时时刻刻v 图图(a)(a)表示判决电路接收到的叠加了噪声的表示判决电路接收到的叠加了噪声的 PCM PCM 比特流比特流v 图图(b)(b)表示表示 “ “1” 1” 码信号和码信号和 “ “0” 0” 码信号在平均光生信号码信号在平均光生信号电流电流 I I1 1（1 1码）和码）和I I0 0 （0 0码）附近的高斯概率分布，阴影区码）附近的高斯概率分布，阴影区表示错误识别概率。表示错误识别概率。图5.5.2 误码概率计算tD信信号号时时间间判判决决时时刻刻I1IDI0P(0/1)P(1/0)信信号号概概率率判判决决门门限限( (a a) )( (b b) )图5.5.3 BER和Q参数的关系10-110-310-510-710-910-1110-1310-15234567815182022241221.6QBER比比特特误误码码率率SNR (pk/r