西安交大光纤通信4-光检测器与光接收机12

1、光光 检检 测测 器器光光 检检 测测 器与光接收器与光接收机机第四章主要内容主要内容光检测器工作原理光检测器工作原理光电二极管的工作特性光电二极管的工作特性光接收机光接收机光接收机的噪声光接收机的噪声数字接收机的灵敏度数字接收机的灵敏度光电二极管（光电二极管（PD）光检测器利用光电效应实现。PN势 垒耗尽层光子进入PN结，价带的电子受激吸收受激吸收将被激发到导带，产生一对光生载流子，受内建电场的作用，光生载流子的电子向 N区漂移，空穴向P区漂移，载流子移动到外部电路形成光电流。4.1光检测器工作原理外光电效应内光电效应真空光电二极管半导体光电二极管1、半导体光电二极管、半导体光电二极管光生电

2、流包括：漂移电流-耗尽区的光生载流子在电场作用下运动形成的电流扩散电流扩散电流-P区的光生载流子形成的电流 N区的光生载流子形成的电流光检测器:检测通过光纤传来的光信号 将光功率转换为电流输出。PN空间电荷区扩散电流漂移电流增大漂移电流，减小扩散电流扩散电流，光电转换效率低，响应速度慢漂移电流, 光电转换效率高，相应速度快增加PN结的反偏耗尽层加偏置电压的好处：加大耗尽区的宽度， 加强漂移电流的影响 ， 减少扩散电流的比例， 提高响应速度。同时， 提高了电光转换效率。 但增加有限。另一种加大耗尽层的方法是引入本征半导体（I型半导体）增大漂移电流的方法2、PIN光电二极管结构：PN结之间加了一层

3、本征半导体（I层）PIN特点：I区的耗尽区很宽，入射光很容易产生光生电子空穴对， 形成漂移电流；提高了响应速度。另外， I区的吸收系数 小 ， 因而光电转化效率高。一、 结构及特点在p区和n区之间插入I区，增加了耗尽区的宽度，使得大部分的入射光在耗尽区被吸收，因此大部分的载流子也在此区域内产生。耗尽区的高电场使得电子-空穴对迅速分开并在反向偏置的结区中向两端流动，然后在边界处被收集，从而在外电路中形成电流。 PINxsePxP)(0)(x)1 (0wsePP吸收系数s被吸收的光功率产生的光电流ehfPIp)1 (0wsehfeP)1 (0wsehceP光功率衰减w耗尽区宽度RPIp)1 (ws

4、ehceR由于吸收系数取决于光波长，因此，特定的半导体材料只能应用在有限的波长范围内。)(24. 1)(eVEEhcmggc光吸收系数与波长的关系曲线)(shfgEgEhf gEhcc?1 ）雪崩光电二极管的的结构雪崩光电二极管的的结构3、 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)高掺杂的 型半导体，为接触层；I轻掺杂半导体层，为漂移区（光吸收区）； P型半导体，为倍增层（或称雪崩区）；N+高掺杂的 型半导体，为接触层。P 当外加的反向偏压比PIN情况下高得多时，这个电压几乎都降到P 结上。特别是在高阻的PN结附近，电场强度可高达 105V/m，已经高出碰撞电离的电场。2 ）雪崩光电二极管雪崩光

5、电二极管(APD)的工作原理的工作原理约100V150V高反向偏置电场分布若光从 P区照射，大部分光子将在较厚的I层被吸收，因而产生电子、空穴对，被匀强电场加速，运动到PN结强场区。 入射光功率产生的电子空穴对经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使晶格中的原子电离，产生新的电子空穴对。新的电子空穴对受到同样加速运动，又与原子碰撞电离，产生电子空穴对，称为二次电子空穴对。如此重复，使强电场区域中的电子和空穴成倍的增加，载流子和反向光生电流迅速增大，产生雪崩现象雪崩现象, 这个物理过程称为雪崩倍增效应。雪崩过程倍增了一次光生电流，因此，

6、在雪崩光电二极管内部就产生了放大作用。雪崩光电二极管就是这样既可以检测光信号，又能放大光信号电流。高电场光一次电子4.2 光电二极管的工作特性光电二极管的工作特性 光电二极管的主要特性参数包括响应度、量子效率、响应带宽、响应度、量子效率、响应带宽、APD的倍增系的倍增系数及噪声数及噪声等。1、量子效率式中 e是电子电荷， h是普朗克常数。 inpPhfeI2、响应度：响应度表征了光电二极管的能量转换效率R的单位为AW。 hfeRinpRPI hce单位时间注入的光子数单位时间产生的电子数hfPeIinp/ gEhc)(24. 1eVEEhcggc波长的单位取m响应度随波长 增加而增大。hceR

7、 24. 1)(R例 InGaAs的量子效率大约为90，波长为1300nm，求响应度。 24. 1RWA/94. 024. 13 . 19 . 03、APD 光电二极管中所有载流子产生的倍增因子MpMIIM 雪崩增益后输出电流的平均值 MIpI未倍增时的初级光电流 nBjVV)/(11jVBVn加在PN结的有效电压雪崩电压适配因子，与材料及结构有关m mM例： 一种硅APD在波长900nm时的量子效率为65，假定0.5uW的光功率产生的倍增电流为10uA，试求倍增因子M。)(236. 05 . 024. 19 . 065. 024. 100APRPIp倍增因子M为：43235. 010AAII

8、MPM因此，初级光电流被放大了43倍。 APD的性能是由它的响应度 来表征。 APD响应度定义为APDRMRRPINAPD其中 是pin二极管得响应度。 PINR初级光电流为：解：4、光电检测器的噪声 暗电流噪声 量子噪声 热噪声 入射光子激发的电子空穴的随机性产生的电流PIN在反偏情况下，没有外来的光时产生的电流电阻的热噪声 量子（散粒）噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时，光电子的产生和收集过程具有统计特性。 光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，该统计过程服从泊松分布。量子噪声的谱密度为常数BeIdffStipQQ2)()(2)(2)(22MFBMeItipQ对于pin 对于APD

9、 B：接收机带宽（1） 量子噪声pQeIfS)(PINBeIp2M2FF(过剩)噪声系数APD MFBMqIpin BqIiDDDB对于对于)(2222（2）光电二极管的暗电流噪声其中ID是初级（未倍增过的）光检测器体暗电流。光检测器电阻的均方热噪声电流为： 024222)(RTBkdfRTkiRTkfSBLBTBTK：玻耳兹曼常数T：绝对温度（3） 对于光电探测器电阻的热噪声5、 检测器响应时间tP(t)I(t)当检测器受到阶跃光脉冲照射时，响应时间可以用检测器输出脉冲的上升时间 和下降时间 来表示rf光电二极管光电流的响应时间主要取决于以下三个因素：1耗尽区的光载流子的渡越时间；2耗尽区外

10、产生的光载流子的扩散时间；3光电二极管以及与其相关的电路的RC时间常数。渡越时间t由载流子漂移速度v和耗尽区宽度w决定ddvwt一般情况下，耗尽区的电场足够高，载流子都可以达到它们的散射极限速度。典型的Si光电二极管的耗尽区宽度为10um，极限响应时间为0.1ns。光脉冲照射PD下,光电流的响应时间。快速反应分量源于耗尽区产生的载流子，wACsj而慢速分量则是源于距离耗尽区边界处的载流子的扩散。耗尽区产生了快速分量，载流子扩散造成了一个很慢的延迟拖尾。如果w太小，结电容也会变得很大。结电容Cj为： 这个电容增大，就会使RC时间常数变大，从而限制了检测器的响应时间。在高频响应和高量子效率之间有一

11、个合理的吸收区宽度的选择。 A扩散层面积为了获得较高的量子效率，耗尽区宽度必须大于1/ （吸收系数的倒数）这样才能吸收大部分的光。s在脉冲上升沿，在脉冲下降沿，/1wsw1如果光电二极管的电容较大，那它的响应时间就会受到负载电阻RL和光电二极管结电容所构成的RC时间常数所限制。如果耗尽区宽度太窄，则非耗尽材料产生的任何载流子在被吸收之前不得不扩散到耗尽区。所以窄耗尽区的器件会有明显不同的慢速和快速响应分量。低电容、耗尽区宽度 的光电二极管对矩形输入脉冲的响应的上升与下降时间与输入脉冲比较一致。 Si、Ge、InGaAs pin光电二极管的通用工作特性参数参数符号单位SiGeInGaAs波长范围

12、响应度暗电流上升时间带宽偏置电压nmA/WnAnsGHzV40011000.40.61100.51.00.30.7580016500.40.5505000.10.50.53.0510110017000.750.950.52.00.050.51.02.05BDVfIR Si、Ge、InGaAs 雪崩光电二极管的通用工作特性参数DIrMBBV参数符号单位SiGeInGaAs波长范围雪崩增益暗电流上升时间增益带宽积偏置电压nmnAnsGHzV4001100204000.110.12100400150400800165050200505000.50.8210204011001700104010500.

13、10.5202502030M应用APD ：用于灵敏度要求较高的地方，但造价高PIN：灵敏度要求不高的地方， 便宜4.3光接收机光接收机光接收机的任务： 从接收到带有附加噪声及失真的微弱光信号中恢复出 携带的信息。光纤通信系统有模拟和数字两大类光接收机也有数字接收机和模拟接收机两种形式。光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。1、数字光接收机组成光检测器 前置放大器主放大器均衡器数字信号恢复、时钟线路译码接口偏置电路自动增益控制线性通道线性通道线性通道主要完成对信号的线性放大，以满足判决电平的要求。接收机的前端包括反向偏压下的光电二极管和前置放大器。数字信号和时钟恢复电路。接收机前端

14、接收机前端 2 2、光接收机前端、光接收机前端接收机前端等效电路：接收机前端等效电路：pI放大电路的输入电容为Ca 输入电阻为Ra光电二极管的串联电阻Rs， 总电容Cd作用：是将光纤线路末端耦合到光电二极管的光比特流转换为时变电作用：是将光纤线路末端耦合到光电二极管的光比特流转换为时变电 流，然后进行预放大，以便后级作进一步处理。流，然后进行预放大，以便后级作进一步处理。要求：一台性能优良的光接收机，应具有无失真地检测和恢复微弱信要求：一台性能优良的光接收机，应具有无失真地检测和恢复微弱信 号的能力，这首先要求光接收机具有：号的能力，这首先要求光接收机具有： 前端应有低噪声；前端应有低噪声；

15、高灵敏度；高灵敏度； 足够的带宽。足够的带宽。12LtRfC前端的设计有前端的设计有3种不同的方案种不同的方案低阻抗前端低阻抗前端高阻抗前端高阻抗前端跨阻抗前端跨阻抗前端低阻抗前端低阻抗前端从频带要求出发选低阻抗前端从频带要求出发选择光检测器的负载电阻择光检测器的负载电阻RL，使其满足使其满足f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=Cj+Cs+Ca； Cj -为光电二极管的结电容；为光电二极管的结电容； Cs -为光电二极管和前置放大器为光电二极管和前置放大器 引线的杂散电容；引线的杂散电容； Ca -为前置放大器的输入电容。为前置放大器的输入电容。低阻抗前端优点：低阻抗

16、前端优点： 电路简单，不需要或只需要很少的均电路简单，不需要或只需要很少的均衡，前置级的动态范围也较大。衡，前置级的动态范围也较大。低阻抗前端缺点：低阻抗前端缺点： 灵敏度较低，噪声比较高。灵敏度较低，噪声比较高。 (1) 低阻抗前端低阻抗前端 （2）高阻抗前端）高阻抗前端 高阻抗前端优点：高阻抗前端优点： 噪声低，灵敏度高。噪声低，灵敏度高。 高阻抗前端缺点：高阻抗前端缺点： 带宽窄，需要增加均衡网络，对频响特性进行补偿，电路带宽窄，需要增加均衡网络，对频响特性进行补偿，电路结构复杂，动态范围小。结构复杂，动态范围小。（3 3）跨）跨( (互互) )阻抗前端阻抗前端 跨阻抗前端将负载电阻连接

17、为跨阻抗前端将负载电阻连接为反相放大器的反馈电阻，因而反相放大器的反馈电阻，因而又称互阻抗前端。又称互阻抗前端。互阻抗前端互阻抗前端是一个性能优良的电流是一个性能优良的电流电压转换器，即使电压转换器，即使R RL L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 G倍，从而使其带宽比高阻抗前端增加了倍，从而使其带宽比高阻抗前端增加了G G倍倍. .优点：优点：动态范围大，频带宽、噪声低、灵敏度高。动态范围大，频带宽、噪声低、灵敏度高。3 3、光接收机的线性通道、光接收机的线性通道 光接收机的线性通道由光接收机的线性通道由 高增益放大器和高增益放大器和 低通滤波器（或均衡

18、器低通滤波器（或均衡器 ）组成。）组成。 自动增益控制自动增益控制(AGC)(AGC)放大器：放大器：将放大器的平均输出电压限制在固定电平将放大器的平均输出电压限制在固定电平 而不随输入平均光功率而变。而不随输入平均光功率而变。 低通滤波器低通滤波器（或均衡器（或均衡器 ）：）：使电压脉冲整形，降低噪声，控制可能出使电压脉冲整形，降低噪声，控制可能出 现的码间串扰现的码间串扰(ISI)(ISI)。接收机噪声正比于接收机带宽，为降低噪声，采用带宽接收机噪声正比于接收机带宽，为降低噪声，采用带宽ff小于比特率小于比特率B B的低通滤波器。接收机带宽主要由线性通道的低通滤波器决定。的低通滤波器。接收

19、机带宽主要由线性通道的低通滤波器决定。 当当ffB B时，电脉冲展宽超过了规定的比特时隙，将可能干扰相邻时，电脉冲展宽超过了规定的比特时隙，将可能干扰相邻比特时隙的检测，引起码间串扰，滤波器设计时应避免产生这种现象。比特时隙的检测，引起码间串扰，滤波器设计时应避免产生这种现象。均衡器的作用是消除放大器、光均衡器的作用是消除放大器、光纤等部件引起的信号波形失真，纤等部件引起的信号波形失真，经过均衡器以后的波形成为有利经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形，使码间干扰减小于判决的波形，使码间干扰减小到最小。到最小。经过均衡以后的波形，在本码判决经过均衡以后的波形，在本码判决时刻，波形的瞬时值应为

20、最大值。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而这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零。决时刻的瞬时值应为零。信道特性均衡信道特性均衡多级网络的噪声噪声系数2)()(1NSNSNFNS1GinNGNN1212GSS 1FN2G2FN3G3FN21312111GGNGNNNFFFFNS1G1FN1211,NS2211SNNS11GNNin放大器的噪声系数放大器的噪声系数输入端的信号和噪声功率输出端的信号和噪声功率4、数据恢复电路、数据恢复电路 光接收机的数据恢复部分的任务是把线性通道输出的模拟信号恢复成数字信光接收机的数据恢复部分的任务是把线性通道输出的模拟信号恢复成

21、数字信号。号。由三部分组成： 时钟提取电路 取样判决电路 数字信号波形成型电路取样判决电路 为了重建数字信号，则要判定每个码元是为了重建数字信号，则要判定每个码元是“0”0”还是还是“1”1”，这首，这首先要确定判决时刻。先要确定判决时刻。 为此，要从升余弦信号中提取准确的时钟信号，并经过适当移相为此，要从升余弦信号中提取准确的时钟信号，并经过适当移相后，在最佳时刻对升余弦信号取样，然后将取样幅度与判决阈值进行后，在最佳时刻对升余弦信号取样，然后将取样幅度与判决阈值进行比较，确定码元是比较，确定码元是“0”0”还是还是“1”1”，从而把升余弦波形恢复重建成原，从而把升余弦波形恢复重建成原传输的

22、数字信号。传输的数字信号。 最佳取样时间相应于在最佳取样时间相应于在“1”1”和和“0”0”信号电平相差最大的位置，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叠加而成。可由眼图决定，它由不同比特电脉冲顶部叠加而成。非归零码(NRZ)数字光接收的眼图 噪声和时间抖动导致噪声和时间抖动导致的半张半闭退化眼图，的半张半闭退化眼图，最佳取样时间相应于最佳取样时间相应于眼睛睁开最大处的时眼睛睁开最大处的时间。间。 理想眼图理想眼图4.4 光接收机的信噪比光接收机的信噪比在光纤通信系统中，通常要求光电二极管能检测出微弱的光信号。放大器噪声功率光检测器噪声功率光电流信号功率NS /为了得到

23、较高的信噪比，可以采取以下措施：为了检测到最小可能的信号，必须对光检测器和它随后的放大器电路进行最优化设计，以此来保证一定的信噪比。光接收机输出端的信噪比S/N定义为光检测器必须要有很高的量子效率，以产生较大的信号功率；使光检测器和放大器噪声保持尽可能低的值。放大器输入端的信噪比为：LBDPpRTBkBMFMIIqMINS/4)()(2/222光检测器 前置放大器主放大器均衡器数字信号恢复、时钟线路译码接口22nsiiNSiLBDPpNGRTBkBMFMIIqGMINS/4)()(2/222GNRTBkBMFMIIqMIiLBDPp/4)()(2222LBFDPpRTBkNBMFMIIqMIN

24、S/4)()(2/222FNG/G取样判决器输入端的信噪比放大器增益G噪声系数NF取样判决器NP122211/NSNSNF1122)(NSSNNF1GNNF1NNGF放大器增益G噪声系数NF=1取样判决器NFPN12取样判决器输入端的噪声功率iNGNN12取样判决器输入端的噪声功率1122NNSNSF112NNGNNGNFiLBFDPpRTBkNBMFMIIqMINS/4)()(2/2224.5 数字接收机的灵敏度数字接收机的灵敏度数字接收机的灵敏度数字接收机的灵敏度 当数字接收机的输出信号质量-误码率达到质量要求时，数字接收机接收的最小光功率最小光功率灵敏度和误码率有关误码率和信号的失真和信

25、号中的噪声有关误码率（BER：bit error）:误码率=传输中的误码/所传输的总码数是衡量通信系统传输数据精确性的指标。 误码率与通话质量（PCM）误码率通话质量106感觉不到干扰105在低话音电平范围内感觉轻微干扰104在低话音电平范围内有个别“咯咯”声103在低话音电平范围内都感觉有干扰102强烈干扰，听懂程度明显下降0.5几乎听不懂“1”码出现的概率为P(1);“0”码出现的概率为P(0);接收机把“0”码误判为“1”码的概率为P(1/0);接收机把“1”码误判为“0”码的概率为P(0/1);误码率为： BER=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)经过线路编码，数字信号序列中“

26、0”码和“1”码出现的概率各为1/2一、接收机误码率一、接收机误码率BER=P(1/0)+P(0/1)/2设光纤通信系统传输的数字序列中，ti0I1I100BER=P(1/0)+P(0/1)/2P(1/0) ? P(0/1) ?理想无噪声时：000Ii 111Ii 实际有噪声时：0000nIi1111nIi如果“0”码出现时，信号电流的概率密度为)(0if如果“1”码出现时，信号电流的概率密度为)(1if设判决门限电流为DI0DIi1DIi)(0if)(1ifDIDIdiif)(0) 1/0(PDIi DIi )0/1 (PDIdiif)(1BER=P(1/0)+P(0/1)/2DIdiifP

27、)() 1/0(1DIdiifP)()0/1 (0对于噪声方差为 ，均值为 的高斯白噪声白噪声，概率密度函数为2202/)(21)(iieif20i21212/)(1121)(Iieif20202/)(0021)(IieifDIdiifP)()0/1 (0dieIiID20202/)(021)2(2100IIerfcDDIdiifP)() 1/0(1dieIiID21212/)(121)2(2111DIIerfcdyexerfcxy22)(误差函数BER=P(1/0)+P(0/1)/2)2(11DIIerfc)2(4100IIerfcD2121ni2222ni)2(11DIIerfc)2(41

28、00IIerfcBERD)(DIBER0)( DIBER0011IIIIDDQ100110IIID10201IIID)2(21QerfcBER 1001IIQQeQ22/2ti0I1I100DIQeBERQ22/21001IIQ一般“0”信号对应于00I1001IIQ101I11RPI 101RPQ102inPRQRPin210min10min2QRP二、灵敏度NS2 QNSPP21910BER6Q1010BER5 . 6QQeBERQ22/2min10min2QRP10minminQRP6109QBER5 . 61010QBER例：一光接收机采用PIN-PDWAR/1A1 . 0要使误码率9

29、10BER求灵敏度。解：910BERQ=6RQPmin)(6 . 011 . 06WdBm2 .32例：一光接收机采用PIN-PDLBFRfTkN/4100LRsMb/6224FNWAR/9 . 0数字信号速率只考虑热噪声，求灵敏度。要使误码率1010BER解：1010BERQ=6.5100/106225 . 03001038. 144623A143. 0)(036. 19 . 0143. 05 . 6minWRQPdBm15.302/Bf LBFNRfTkNi/42minminQRPWAR/9 . 02灵敏度的量子极限 在这样的条件下，数字系统对于特定误码率有一个最小接收光功率要求，这个最小接收功率值就是量子极限量子极限。灵敏度的理论最小值假设：没有暗电流没有光子输入时，也不会有电子产生。0)0/1 (P) 1/0(21PBER 由于因为我们假定所有系统参数都是理想的，所以系统性能就仅仅受限于光检测过程中具有统计特性的量子噪声量子噪声。如果有一个电子产生，就认为是1。设照射到光电检测器的