第5章光检测器与光接收机

1、光通信原理与技术光检测器与光接收机数字光接收机的组成数字光接收机的组成激光器驱动电路Fiber时钟提取 /判决再生前置放大器主放大器.均衡器PDLD数据输入数据输出 光接收机也可以分为三部分： 光检测器和前置放大器合起来称为接收机前端，是光接收机的核心； 主放大器、均衡滤波器和自动增益控制组成光接收机的线性通道； 判决器、译码器和时钟恢复组成光接收机的判决、再生部分光检测器 光纤通信中对光检测器最重要的几点要求： 在所用光源的波长范围内有较高的响应度； 较小的噪声； 响应速度快； 对温度变化不敏感； 与光纤尺寸匹配； 工作寿命长 光检测器的机理 受激吸收 半导体材料 PIN光电二极管 雪崩光电

2、二极管APD 光电二极管PD 光电晶体管 光敏电阻 光电倍增益管 PN结的光电效结的光电效应应 原理原理: 光电效应光电效应 -受激吸收过程受激吸收过程 入射光子的能量入射光子的能量大于禁带宽度大于禁带宽度, h Eg ，光子被吸光子被吸收收, 产生电子空穴产生电子空穴对对. 电子空穴对在电电子空穴对在电场的作用下定向运场的作用下定向运动动,形成光电流形成光电流 光电效应的改善 主要光电效应工作区-耗尽层 结构上加宽耗尽层 在PN结中夹进一个轻掺杂的N区-I区 形成PIN结PIN光电二极管 PIN光电二极管的结构 在P型材料和N型材料之间加轻掺杂的N型材料，称为本征（Intrinsic）层 轻

3、掺杂，电子浓度很低，经扩散作用后可形成一个很宽的耗尽层。 为降低PN结两端的接触电阻两端的材料做成重掺杂的P+层和N+层 这种结构的光电二极管称为PIN光电二极管 PIN光电二极管的的特点 本征材料：Si或GaAs掺杂后形成P型材料和N型材料 PIN的耗尽层遍及整个I区 产生光电流效率高光电二极管的主要特性1、波长响应范围上限由截止波长决定下限由材料吸收决定 截止波长 若光子能量为h ，禁带宽度为Eg 产生光生载流子必须满足h Eg 临界时 c= Eg /h 将 c换为波长c，则 只有当入射光的波长c 的光，才能使这种材料产生光生载流子，发生光电效应，这个临界值c就叫做截止波长， c为截止频率

4、。 截止波长 c是真空中的光速，h是普朗克常量 Si材料：c =1.06 m Ge 或InGaAs材料：c =1.61.7 mgg1.24chcEE 波长响应下限 设x = 0时，光功率为p(0)，材料吸收系数为 经过x距离后吸收的光功率可以表示为 半导体对光的吸收作用随光波长减小而迅速增加 ( ) 0e xp xp1 当工作波长比材料带隙波长长时，吸收系数急剧减小 当工作波长比截止波长长时，材料是透明的，光透射过去不能进行光电转换。 Si材料：0.51.0 m Ge 或InGaAs材料：1.11.6 m2、光电转换效率l响应度（）：光生电流与入射光功率之比。单位光功率产生的光生电流越大说明产

5、生光电流效率越高l量子效率（）：单位时间内产生的光生电子空穴对数与单位时间入射的总光子数之比。 表示每个光子平均产生的电子空穴对越大反映产生光电流效率越高 ( A / W )he3、响应时间 响应时间为光电二极管对矩形光脉冲响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的上升或下降时间。的上升或下降时间。 影响响应时间的主要因素有：影响响应时间的主要因素有： 光电二极管结电容及其负载电阻的光电二极管结电容及其负载电阻的RC时间常数时间常数 载流子在耗尽区里的渡越时间载流子在耗尽区里的渡越时间 耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟迟 PIN内部的响应时间主要由

6、载流子在耗尽层中内部的响应时间主要由载流子在耗尽层中的度过时间决定：的度过时间决定：tr=W/V W耗尽层宽度耗尽层宽度 V载流子在电场中的漂移速度载流子在电场中的漂移速度4、暗电流暗电流 在理想条件下，当没有光时，光检测器应无光电流输出 实际上，由于热、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光照情况下，光检测器仍有光电流输出 无光照时光电二极管的反向漏电流，称为暗电流。 暗电流的无规则随机涨落产生噪声。因此，总希望器件的暗电流越小越好5、线性饱和度 光检测电路有一定的光功率检测范围，入射光功率太强时，会产生非线性失真6、反向击穿电压 Si-PIN典型反向击穿电压为100v 工作偏压为10-30v

7、PIN光电二极管的一般性能雪崩光电二极管雪崩光电二极管APD 工作原理工作原理 光电效应+雪崩倍增效应 雪崩倍增效应雪崩倍增效应 在二极管的PN结上加高反向电压（一般为几十伏或几百伏） 在结区形成一个强电场 高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能 与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到能量越过禁带到导带，产生了新的电子-空穴对 新产生的电子-空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子-空穴对- 除此循环下去，像雪崩一样的发展，称为雪崩倍增效应。从而使光电流在APD管内获得倍增。 APD的结构和工作原理工作原理RAPD 从图中可以看出，它的耗尽层从结区一直垃通到I层与P+层相接的

8、范围内。在整个范围内电场增加较小。这样，这种RAPD器件就将电场分为两部分，一部分是使光生载流子逐渐加速的较低的电场，另一部分是产生雪崩倍增效应的高电场区，这种电场分布有利于降低工作电压。 APD具有雪崩倍增效应这个有利方面。但是雪崩倍增效应的随机性将引入噪声 APD随使用的材料不同有Si-APD（短波长用）和Ge-APD，InGaAs-APD（长波长用）等 雪崩倍增因子 在忽略暗电流影响条件下 一般APD的倍增因子G在40100之间 PIN光电管无雪崩倍增作用故G=1pMIIG平均值无雪崩倍增时光电流的平均值有雪崩倍增时光电流的4、倍增噪声和过剩噪声系数 APD的噪声来源 光电倍增噪音 暗电

9、流噪音 倍增噪音原因：雪崩过程中，电子-空穴对的碰撞是随机的-附加噪声 APD的倍增是具有随机性的，这种随机性的电流起伏将带来附加噪声，一般称为倍增噪声。倍增噪声可以用过剩噪声系数F（G）来描述 g：每个初始电子-空穴对因雪崩倍增效应产生二次电子-空 穴对的随机数 ：g的平均值，因此=G ：每个初始电子产生的二次电子数平方再取平均值 2：每个初始电子产生的二次电子数平均值再平方 2222ggF GGg 假设在理想状态下每次倍增都相同，则F（G）=1。因此， F（G）表示APD实际噪声超过理想倍增噪声的倍数。 在工程上，为简化计算，常用过剩噪声指数x来表示过剩噪声系数，即 Si-APD：x=0.

10、5 Ge-APD：x=0.61.0 选择APD时，应选择x值小的管子 xF GG5、温度特性 随着温度的上升，降低；温度每升高8度，暗电流增加一倍 温度补偿 雪崩光电二极管APD的一般性能光接收机 功能：经过光纤传输后接收到的微弱光信号还原为原来的电信号 要求：以最小的附加噪声及失真，恢复出由光纤传输、光载波所携带的信息 影响：中继距离 误码率（或信噪比） 灵敏度 动态范围等 分类：对应光发送机 模拟接收机 数字接收机数字光接收机 基本原理：接受经过光纤传输后接收到的带有各种噪声的微弱光信号，并作出正确判决（“0”，“1”） 误码： “0”“1” “1”“0” 误码率：光接收机输出码元出现误码

11、的概率 误码率=P(1/0)+ P(0/1) P(1/0)：将“0”码误判为“1”码的概率 P(0/1) ：将“1”码误判为“0”码的概率 产生误码率的因素 一类是信号码流中码元的波形经过光纤传输后的失真，其影响可以通过对失真后的波形进行整形来减小或消除 一类是光纤传输信道中引入的各种噪声，其影响是任何波形变换都无能为力的。 灵敏度：保证一定误码率（一般是10-9）条件下所需的最小接收光功率。 光接收机的基本结构 光检测器（PIN、APD） 作用：光电转换 信号数量级噪声数量级入射到光检测器光敏面的光信号（纳瓦数量级）光电转换过程中引入的噪声（主要是系统噪声） 前置放大 作用：信号的预放大 要

12、求：低噪声 光检测器和前置放大器合起来组成接收机前端，产生主噪声源 主放大器 作用：前段输出的毫伏级信号峰-峰值电压13V 自动增益控制 PIN：AGC电路控制主放大器的放大倍数 APD： AGC电路控制主放大器的放大倍数 和APD的偏置电压。 使AGC的动态范围增加10dB 作用：当信号强时，则通过反馈环路使上述增益降低 当信号弱时，则通过反馈环路使上述增益提高 从而使送到判决器的信号稳定，增加光接收机的动态 范围，使接收机能接受强弱不同的信号 主放后波形存在的问题 数字信号是矩形脉冲，频谱丰富，而光纤、光检测器、放大器带宽有限，因此，数字信号在传输过程中只有有限的频率分量可以通过，接收机主

13、放大器输出的脉冲形状将不是矩形，会出现很长的拖尾，使前后码元波形重叠，造成码间干扰，使判决电路误判，造成误码。 解决方式：均衡器 均衡器 作用：进行波型变换，从而避免产生的码间干扰，减少或消除码元波形重叠现象 原理：本码元本身的判决时刻具有最大值，其他码元的判决时刻应为零 满足条件的输出波形升余弦波、高斯波 理想的均衡波形无法实现，采用逼近的方式实现，逼近的程度用码间干扰来度量 观测：眼图 判决器和时钟恢复电路 脉冲再生电路的作用是将均衡器输出的信号，如升余弦频谱脉冲，恢复为“0”或“1”的数字信号。 判决再生 作用：将均衡后的信号还原为相应的数字信号 方法：将信号与门限电压作比较，高于门限为

14、“1”码，低于门限为“0”码 判决器一般由触发电路构成 判决的时刻取决于时钟提取电路 判决的时刻和门限的选择都会影响判决结果 时钟恢复电路 时钟频率提取 RC电路微分，通过一个非门产生归零码 谐振回路没选出时钟频率T6 . 04 . 0 NRZ（不归零码）数据时钟提取 窄带滤波法 锁相环法 窄带滤波法 LC滤波 衰减震荡波 低速使用 窄带滤波法 声表面波滤波器SAW SAW的两条指距离L=时产生谐振 SAW具有良好的抗连“0”连“1”性能，抑制抖动积累，可靠 应用声表面波时钟提取 关键器件窄带滤波声表面波（SAW）滤波器必须具有高品质因数以减小时钟信号的相位抖动，目前工作频率的指标大约是在3G

15、Hz以下。 这种方法的优点是性能稳定并且没有非线性效应的不良影响 缺点是必须用人工进行时钟脉冲位置的细调，也不便于集成 应用锁相环法 这种方法便于集成，并可以对输入数据速率和环境因素等的变化对对输出的影响进行持续的补偿 时间抖动 实际的光接收机，其信号脉冲都不可能是理想的矩形脉冲，因此，判决点必须与峰值出现的时刻对应才可能获得最大的SNR。判决点取样时刻是由时钟电路决定的，但该电路输出的漂移和噪声会使取样时刻在比特时间的某个平均位置附近漂移，这种现象称为时间抖动 解码、解扰电路 光发射机输出的信号是经过扰码、编码处理的，这种信号经过光纤传到接收机后还需要将上述其进行一系列的“复原”工作，这些，

16、将由解码、扰码电路来完成 首先，通过解码电路，将mBnB或mB1H等码型恢复为编码之前的码型；然后，再经解扰电路将发送端“扰乱”的码恢复为被扰之前的状况，最后，再由编码器将解扰后的码编为适于在PCM系统中传输的HDB3或CMI码 辅助电路（1）钳位电路 为了使输入判决器的信号稳定，在判决器前面还加有钳位电路，它将已均衡波的幅度底部钳制在一个固定的电位上（2）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变化，由此，使接收机的灵敏度变化。为了尽可能减少这种变化，就需给雪崩管的偏压加温度补偿电路，使雪崩管偏压随温度产生相应的变化（3）告警电路 当输入光接收机的光信号太弱或无光信号时，

17、有告警电路输出告警信号光接收机的性能指标 衡量光接收机性能的主要指标是： 接收灵敏度 动态范围 次要指标有： 工作在各种数据格式的能力 快速的响应时间 工作在各种码速下的能力 低功耗及低价格等 这些要求有些是相互矛盾的，在设计时需折中处理 接收灵敏度 接收灵敏度是指达到指定误码率（对数字系统）或信噪比（对模拟系统）时的最小接收信号光功率。 通常用dBm表示，即以1mW为基准，用分贝（dB）表示的相对光功率大小。接收光功率为P（mW），则用dBm表示为 P（dBm）=10lgP（mW）/1mw 因此，P= 1mw时为0dBm 影响接收灵敏度的主要因素 影响接收灵敏度的主要因素是光信号检测过程及前

18、置放大器中的各种噪声 在实际光纤传输系统中，光接收机很少工作在极限灵敏度下，这是由于在系统设计中考虑到元件老化、温度变化及制造公差等引起的退化，必须留出一定的富余量（3-6dB），而且对接收灵敏度的要求也与系统应用有关 动态范围 在实际的系统中，由于中继距离、光纤损耗、连接器及熔接头损耗的不同，发送功率随温度的变化及老化等原因，故使接收光功率有一定的范围。现定义最大允许的接收光功率与最小可接受光功率之差为光接收机的动态范围 最大光功率决定于非线性失真及前置放大器的饱和电平 最小功率则决定于接收灵敏度 噪声、灵敏度与动态范围关系 动态范围的作用 宽的动态范围对系统结构来说更方便灵活，使同一个接收

19、机可用于不同长度的中继距离，在陆地的通信系统中，中继距离可能长短不一，有中继站决定，因此宽动态范围的要求非常重要，在本地网应用中，各发送机到接收机的距离可能各不相同，且可能经过不同数量的耦合器、分路器后到达接收机，因此也对接收机动态范围提出了很高的要求 光接收机的动态范围 光接收机的动态范围D，是在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低输入光功率（用dBm来描述）和最大允许输入光功率用（dBm来描述）之差（dB） D=10lg（Pmax/10-3）- 10lg（Pmin/10-3） = 10lg（Pmax/Pmin）其中10lg（Pmin/10-3 ）就是接收机灵敏度 当环境温度变化时，光纤

20、的损耗将发生变化，随着时间的增长，光源输出功率亦将变化，也可能因一个按标准化设计的光接收机工作在不同的系统中，从而引起接收光功率不同 因此要求接收机有一个动态范围。低于这个动态范围的下限（即灵敏度），如前所述将产生过大的误码，高于这个动态范围的上限，在判决时亦将造成过大的误码。显然，一台质量好的接收机应有较宽的动态范围光通信系统噪声分析 噪声：与信息无关的随机变化量 数字系统噪声的危害：误码率增大 灵敏度降低 光通信系统的主要噪声： 光检测器引入噪声 光接收机电路噪声 光源模式分配噪声 光检测器引入噪声： 光散弹噪声（量子噪声） 暗电流噪声 直流光或背景光噪声 倍增噪声 光接收机电路噪声： 热

21、噪声 光通信系统噪声分析 使用随机过程中方差的概念 推导光检测器量子噪声在接收机判断点产生的平均噪声功率 随机过程的方差 描述了随机过程各时刻的取值，偏离随机过程均值的程度 光接收机输出电压的方差就是：光接收机输出噪声的平均功率 噪声的特性 一种随机性的起伏量 无规则的电磁场形式 电信号中一种不需要的成分，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 噪声的数学表示 噪声电压Vn(t)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=0 噪声的均方值0。反映单位电阻上所耗损的平均功率，可用功率电表测量。用来表示噪声的大小 噪声电压的有效值为均方根值1/2 电阻及内部自由电

22、子或电荷载流子的不规则热骚动引起的噪声均方电压和均方电流为： R=2kBTRB (V2) R=2kBTB/R (A2) kB=1.3810-23J/K 为玻尔兹曼常数 T为绝对温度（K） B为频域内的系统工作带宽 l个互不相关噪声源的总噪声是各个噪声源的均方和 =l 单位带宽的均方噪声作为均方噪声谱密度来表示 ddf =2kBTR 1、散弹噪声（量子噪声） 电流是由带电粒子（如电子）的运动形成的，而带电粒子的产生和运动是随机的，这样电流就会有随机波动，从而给信号叠加上了起伏噪声 因带电粒子产生和运动的随机性而引起的噪声就叫散弹噪声 特征：具有均匀频谱的白噪声 谱密度与平均电流强度I成正比 与光

23、功率的恒定性无关 本征噪声。接收机极限灵敏度的限制 产生：散弹噪声来自单位时间内到达光检测器上信号光子数的随机性，与信号电平有关。 在APD中，倍增过程的统计特征产生附加的散弹噪声与倍增增益成正比 散弹噪声的统计特性 散弹噪声的统计特性为泊松分布，实际上常用高斯分布近似，其双边谱密度与频率无关，近似为白噪声： ns=eIp (A2/Hz) Ip-光电流 e-电子电量 散弹噪声电流均方值 Ns=2eIpB=2ePpB (A2) B为系统噪声等效带宽 为光检测器的响应度 Pp为光功率 2、倍增噪声 （APD）除了光量子过程的随机性外，同时由于二次电子的碰撞和雪崩过程产生倍增噪声。倍增噪声的双边功率

24、谱密度为：ng=eIp 倍增噪声的大小与倍增因子有关= 2+x x为过剩噪声指数，一般x=0.6-1.0 倍增噪声电流均方值为 Ng=2eIp 2+x B=2ePp 2+x B APD的噪声比PIN的噪声大2+x 倍 3、暗电流噪声 暗电流噪声均方值为 Nd=2eId 2+x B 因绝缘不良引起的漏电并不产生噪声 4、直流光或背景光噪声 光源调制不完善或光屏蔽不良引起的直流光或背景光Pdc也会引起噪声，噪声电流均方值为Ndc=2ePdc 2+x B 5、热噪声 一定温度下与载流子热运动有关的噪声称为热噪声，其功率谱密度一直到频率为1THz时都与频率无关，近似为白噪声 电阻R的热噪声功率谱密度为

25、 kB是玻尔兹曼常数 为绝对温度RkSBR/2数字光接收机中的输出等效噪声 具体的数字接收机各不相同，但为了简化分析推导的过程，一般用数字接收机电路模型来等效。 所有的噪声都用上述等效噪声源考虑，其它元件和电路都认为是理想的、无噪声的 输入信号为二进制光脉冲序列： Ek取值：Em，0 T=1/fb为码元周期 fb为码速率 hp(t)为输入光脉冲的波形的时间函数，且满足归一化条件： 因此Em即是“1”码光脉冲的能量kpkkTthEtP)()(1)(1dtthTp P(t)产生的光电流是：=P(t) 设光接收机电路的冲击响应是hR(t) 则其输出端电压是：)()()()()()()(0thkTth

26、gthtPgthtitURpRRs 光接收机的基本噪声 光检测器的噪声 放大器的热噪声 它们互不相关，统计上独立 总噪声功率NT=Ns+NA光检测器的噪声功率 Ns=-2 P(t)代入 对上式作傅里叶变换，得到功率谱密度：22)()(dttthtPegR22)()(dtkTthEtthegpkR)()exp()(2RkpksHkTjHEegn)()()2()(1RRRHHH)()()()(2100ppHHHHH0(w)：归一化输出电压脉冲波形函数的傅里叶变换Hp(w)：归一化的输入光脉冲波形函数的傅里叶变换 噪声平均功率是： 对上式进行标准化、归一化，即作变量替换 =2fb Hp()=Hp(2fb) H0()=H0(2fb)dnNss)()2(1dHHHHHkTjEegpppkk)()()()()()2exp(002 噪声平均功率 由于归一化的周期性的冲击函数满足 得dHHHHHkTjEegNpppkks)()()()()()2exp(002kkkj)() 2exp(dHHHHHkEegNpppkks)()()()()()(002数字光接收机的灵敏度 经均衡后的信号判决产生的误码，主要原因是判决时刻的噪声。实际的光接收机各种噪声经过均衡后的分布十分复杂的。 1973年S.D.Personick提出可以将这种