光纤通信_05_光检测器与光接收机

1、光接收机是光纤通信系统的基本组成部分之一，光接收机是光纤通信系统的基本组成部分之一，主要完成光电检测及信号处理，即实现光电主要完成光电检测及信号处理，即实现光电（O/E）转换）转换光接收机的首要任务是将微弱的光信号转换为电光接收机的首要任务是将微弱的光信号转换为电信号，再对电信号进行整形、放大以及再生信号，再对电信号进行整形、放大以及再生光接收机的首要部件是光检测器，它是影响着光光接收机的首要部件是光检测器，它是影响着光接收机性能的重要器件接收机性能的重要器件5.1 光检测器光检测器5.2 光电二极管光电二极管5.3 光接收机光接收机5.4 光中继器光中继器 光检测器能检测出入射其光敏面的光功

2、率，并转光检测器能检测出入射其光敏面的光功率，并转换为相应变化的电流信号换为相应变化的电流信号光检测器有多种类型，如光检测器有多种类型，如光电倍增管、热电检测器、光电二极管等光电倍增管、热电检测器、光电二极管等采用半导体材料的光电二极管由于尺寸小、材料采用半导体材料的光电二极管由于尺寸小、材料合适、灵敏度高、响应速度快，在光纤通信中得合适、灵敏度高、响应速度快，在光纤通信中得到广泛应用到广泛应用目前，较为常用的半导体光检测器有目前，较为常用的半导体光检测器有PIN光电二极管光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管APD为了提高接收机的灵敏度，又常将为了提高接收机的灵敏度，又常将PIN光电二极光电

3、二极管和雪崩光电二极管管和雪崩光电二极管APD与场效应管（与场效应管（FET）组）组合成为合成为PIN-FET和和APD-FET接收机组件，这样接收机组件，这样它们兼有光电转换和放大作用它们兼有光电转换和放大作用光纤通信系统对光检测器的基本要求是：光纤通信系统对光检测器的基本要求是：在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光检测器能输出尽可能大的光电流。入射光功率，光检测器能输出尽可能大的光电流。波长响应要和光纤的三个低损耗窗口兼容。波长响应要和光纤的三个低损耗窗口兼容。有足够高的响应速度和足够的工作带宽。有足够高的响应速度和

4、足够的工作带宽。产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。光电转换线性好，保真度高。光电转换线性好，保真度高。工作性能稳定，可靠性高，寿命长。工作性能稳定，可靠性高，寿命长。功耗和体积小，使用简便。功耗和体积小，使用简便。最基本的光电二极管是由反向偏置的最基本的光电二极管是由反向偏置的PN结构成结构成耗尽区和扩散区均为光耗尽区和扩散区均为光子的吸收区子的吸收区因光而产生的载流子，因光而产生的载流子，所以称为光生载流子所以称为光生载流子在耗尽层，由于内部电在耗尽层，由于内部电场的作用，电子向场的作用，电子向N区区运动，空穴向运动，空穴向P

5、区运动，区运动，形成漂移电流形成漂移电流 在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流向的扩散电流漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流流当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号而把光信号转换成电信号 由于光生载流子扩散速度慢于漂移速度，因而将由于光生载流子扩散

6、速度慢于漂移速度，因而将引起响应时延，使响应电流脉冲后沿拖尾延长引起响应时延，使响应电流脉冲后沿拖尾延长一般对光电二极管采用反向偏压，反向偏压增加一般对光电二极管采用反向偏压，反向偏压增加了耗尽区的宽度，从而减少了光生电流中的扩散了耗尽区的宽度，从而减少了光生电流中的扩散分量，同时增强的电场也会加快光生载流子的漂分量，同时增强的电场也会加快光生载流子的漂移速度，有利于加快光生载流子的响应时间移速度，有利于加快光生载流子的响应时间光生载流子在外加负偏压和内建电场作用下，电光生载流子在外加负偏压和内建电场作用下，电子向子向N区漂移，空穴向区漂移，空穴向P区漂移，在外电路形成光区漂移，在外电路形成光

7、电流电流 光检测器中最普通且实用是光检测器中最普通且实用是PIN光电二极管光电二极管PIN光电二极管与基本的光电二极管与基本的PN结型光电二极管的区结型光电二极管的区别是在别是在P区和区和N区之间的区域有一层轻掺杂的区之间的区域有一层轻掺杂的N型型材料，称为材料，称为I（Intrinsic，本征的）层，所以称，本征的）层，所以称为为PIN I层较厚，几乎占尽了整个耗尽区，在层较厚，几乎占尽了整个耗尽区，在I层两侧是层两侧是掺杂浓度很高的掺杂浓度很高的P型和型和N型半导体，型半导体，P层和层和N层很层很薄薄这种设计，使得绝大部分的入射光在这种设计，使得绝大部分的入射光在I层（耗尽区）层（耗尽区）

8、内被吸收并产生大量的电子空穴对（光生载流内被吸收并产生大量的电子空穴对（光生载流子）子）耗尽区的耗尽区的高电场高电场使得电子空穴对立即分开并在使得电子空穴对立即分开并在反向偏置电压的作用下向两端流动，然后在边界反向偏置电压的作用下向两端流动，然后在边界处被收集，从而在外电路中形成电流处被收集，从而在外电路中形成电流 反向偏压反向偏压在半导体材料中，光功率的吸收呈指数规律，即在半导体材料中，光功率的吸收呈指数规律，即根据量子力学原理可知，每个在能级之间跃迁的根据量子力学原理可知，每个在能级之间跃迁的电子只能吸收一个光子电子只能吸收一个光子要产生光电流，入射光子的能量必须至少等于禁要产生光电流，入

9、射光子的能量必须至少等于禁带宽度带宽度Eg（也称为带隙能量），这导致了对光频（也称为带隙能量），这导致了对光频率率f或波长或波长的限制的限制 )1 ()()(0 xsePxPgEhf gcEhC如果如果Eg使用电子伏特（使用电子伏特（eV），则），则c可以使用微米可以使用微米（m）表示为）表示为gcEhC)eV(24. 1ggcEEhC对于对于Si材料，截止波长为材料，截止波长为1.06 m，Ge材料是材料是1.6 m如果波长更长，光子能量就不足以激励一个价带如果波长更长，光子能量就不足以激励一个价带的电子跃迁到导带中的电子跃迁到导带中在短波长段，材料的吸收系数在短波长段，材料的吸收系数s变得

10、很大，光子变得很大，光子在接近光检测器的表面就被吸收，电子空穴对在接近光检测器的表面就被吸收，电子空穴对的寿命极短，结果载流子在由光检测器电路收集的寿命极短，结果载流子在由光检测器电路收集以前就已经复合了以前就已经复合了 要检测某波长的入射光，必须选择适当的材料做要检测某波长的入射光，必须选择适当的材料做成的检测器成的检测器一方面由禁带宽度决定的截止波长要大于入射光一方面由禁带宽度决定的截止波长要大于入射光波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换另一方面，吸收系数不能太大，以免降低光电转另一方面，吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率换效率 常用半导体材

11、料的禁带宽度和相应的截止波长常用半导体材料的禁带宽度和相应的截止波长 材材 料料Eg（eV）c（m）Si1.171.06Ge0.7751.6GaAs1.4240.87InP1.350.92In0.55Ga0.45As0.751.65In1-0.45YGa0.45YAsYP1-Y0.751.351.650.92上述讨论的光电二极管都是基于每一个被吸收的上述讨论的光电二极管都是基于每一个被吸收的光子只能产生一个电子光子只能产生一个电子但是如果产生的电子在强电场的作用下获得了足但是如果产生的电子在强电场的作用下获得了足够能量，就会诱发许多的电子从价带到导带，即够能量，就会诱发许多的电子从价带到导带，

12、即产生二次电子空穴对产生二次电子空穴对这些二次电子空穴对又被加速获得足够的能量，这些二次电子空穴对又被加速获得足够的能量，引发更多的电子空穴对，这一过程称为雪崩放引发更多的电子空穴对，这一过程称为雪崩放大大把具有这一现象的光电二极管称为雪崩光电二极把具有这一现象的光电二极管称为雪崩光电二极管（管（APD，Avalanche Photo Diode） 与与PIN光电二极管不同，雪崩光电二极管（光电二极管不同，雪崩光电二极管（APD）在结构设计上已考虑到使它能承受高反向偏压在结构设计上已考虑到使它能承受高反向偏压（一般为几十或几百伏），从而在（一般为几十或几百伏），从而在PN结内部形成结内部形成一

13、个高电场区一个高电场区 高电场对光生载流子加速，使载流子获得高的动高电场对光生载流子加速，使载流子获得高的动能，从而在它漂移过程中可以碰撞电离而激发出能，从而在它漂移过程中可以碰撞电离而激发出新的电子空穴对，这个过程称为碰撞电离新的电子空穴对，这个过程称为碰撞电离 新产生的载流子同样由电场加速，并获得足够的新产生的载流子同样由电场加速，并获得足够的能量从而导致更多的碰撞电离产生，形成雪崩倍能量从而导致更多的碰撞电离产生，形成雪崩倍增效应增效应 APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器高灵敏度的检测器 雪崩过程产生了光电流雪崩过程产生了光

14、电流Ip的倍增，可以用倍增增的倍增，可以用倍增增益益G表示表示APD的放大能力的放大能力实际上，雪崩过程是一种统计过程，并不是每一实际上，雪崩过程是一种统计过程，并不是每一个载流子都经过了同样的倍增，所以个载流子都经过了同样的倍增，所以G只是一个统只是一个统计平均值计平均值 pGIIG 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）可以对尚未进入后面放）可以对尚未进入后面放大器的输入电路的初级光电流进行内部放大大器的输入电路的初级光电流进行内部放大这样可以显著地增加接收机的灵敏度，因为在还这样可以显著地增加接收机的灵敏度，因为在还没有遇到接收机电路的热噪声之前就已放大了光没有遇到接收机电路的热噪声之

15、前就已放大了光电流电流 APD的雪崩增益的雪崩增益G可以很大，然而大的可以很大，然而大的G值也伴随值也伴随着光电流的大的起伏，产生大的着光电流的大的起伏，产生大的APD噪声，因此噪声，因此要在增益和噪声之间进行折中，选择合适的要在增益和噪声之间进行折中，选择合适的G值以值以使其性能最佳使其性能最佳 最常用的具有低倍增噪声的结构是拉通（最常用的具有低倍增噪声的结构是拉通（reach-through）型的）型的APD 电场雪崩区雪崩电离所需的最小电场WM耗尽区N+Pi()P+P型重型重掺杂掺杂 带有少量带有少量P掺杂的掺杂的本征材料本征材料 “拉通拉通”这一术语来源于光电二极管的工作情况这一术语来

16、源于光电二极管的工作情况当加上一个较低的反向偏置电压时，大部分的电当加上一个较低的反向偏置电压时，大部分的电压降在压降在PN+ 结上结上增加电压，耗尽区宽度也将增加，直到加到增加电压，耗尽区宽度也将增加，直到加到PN+ 结 上 的 峰 值 电 场 低 于 雪 崩 击 穿 所 需 电 场 的结 上 的 峰 值 电 场 低 于 雪 崩 击 穿 所 需 电 场 的5%10% 时才停止，此时耗尽区也正好拉通到时才停止，此时耗尽区也正好拉通到了整个本征区了整个本征区 在一般的操作过程中，在一般的操作过程中，RAPD工作于完全耗尽的工作于完全耗尽的方式。光子从方式。光子从P+ 区进入，并在区进入，并在区被

17、吸收，区被吸收，区区就是收集光生载流子的区域就是收集光生载流子的区域光子被吸收后释放它的能量，产生的电子空穴光子被吸收后释放它的能量，产生的电子空穴对立即由对立即由区的电场分开，然后通过区的电场分开，然后通过区漂移到区漂移到PN+ 结区，结区，PN+ 结上的高电场使得电子产生雪崩结上的高电场使得电子产生雪崩倍增倍增 APD的增益机理对温度非常敏感，在于电子和空的增益机理对温度非常敏感，在于电子和空穴的电离速度取决于温度穴的电离速度取决于温度在高温条件下，粒子之间发生碰撞的平均自由度在高温条件下，粒子之间发生碰撞的平均自由度变小了，因而许多载流子没有机会获得产生二次变小了，因而许多载流子没有机会

18、获得产生二次载流子所需要的高速度，会导致增益降低载流子所需要的高速度，会导致增益降低这种对温度的依赖性在高偏置电压下尤其明显，这种对温度的依赖性在高偏置电压下尤其明显，一个小小的温度变化都能引起增益的很大变化一个小小的温度变化都能引起增益的很大变化 当保持所加偏置电压不当保持所加偏置电压不变时降低温度，则电子变时降低温度，则电子和空穴的电离速率会增和空穴的电离速率会增加，因而雪崩增益也会加，因而雪崩增益也会增加增加为了保证温度变化时增益值不变，就必须改变为了保证温度变化时增益值不变，就必须改变PN结倍增区的电场，这就要求接收机加入一个补偿结倍增区的电场，这就要求接收机加入一个补偿电路，以便在温

19、度变化时调整光检测器的偏置电电路，以便在温度变化时调整光检测器的偏置电压压 可以运用温度与电离速率的关系得到增益曲线，可以运用温度与电离速率的关系得到增益曲线，但计算相当复杂，可以从一个经验关系式求得但计算相当复杂，可以从一个经验关系式求得 BsGVRIVG11与与APD材料材料及波长有关及波长有关的经验参数的经验参数 在了解光检测器的结构与原理后，再来讨论衡量在了解光检测器的结构与原理后，再来讨论衡量光电二极管光电二极管PIN和雪崩光电二极管和雪崩光电二极管APD性能好坏性能好坏的几个重要参数，并作出比较的几个重要参数，并作出比较 光电二极管的两个重要特性参数是其量子效率和光电二极管的两个重

20、要特性参数是其量子效率和响应速度，这些参数主要由器件材料的带隙能量、响应速度，这些参数主要由器件材料的带隙能量、工作波长、工作波长、P区、区、I区、区、N区的掺杂浓度和宽度所区的掺杂浓度和宽度所决定决定另外一个重要参数是检测器噪声，它将直接影响另外一个重要参数是检测器噪声，它将直接影响到接收机的灵敏度到接收机的灵敏度 量子效率量子效率表示每个能量为表示每个能量为hf的入射光子所产生的的入射光子所产生的电子空穴对，由下式给出电子空穴对，由下式给出在光电二极管的实际应用中，在光电二极管的实际应用中，100个光子会产生个光子会产生30到到95个电子空穴对，因此检测器的量子效率个电子空穴对，因此检测器

21、的量子效率范围是范围是30%95%hfPeIp/0入射的光子数个数产生的电子空穴对的为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得可以吸收大部分的光子度，使得可以吸收大部分的光子但是，耗尽区越厚，光生载流子漂移越过反向偏但是，耗尽区越厚，光生载流子漂移越过反向偏置结的时间就越长置结的时间就越长由于载流子的漂移时间决定了光电二极管的响应由于载流子的漂移时间决定了光电二极管的响应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷折衷 光电二极管的性能经常使用响应度光电二极管的性能经常使用响应度R0来表征来表征若入射

22、光功率为若入射光功率为P0时产生的平均光电流为时产生的平均光电流为Ip，则，则响应度响应度R0（A/W）定义为）定义为 hfePIRp00这个参数描述了单位光功率产生光生电流的大小这个参数描述了单位光功率产生光生电流的大小将将 和普朗克常数和普朗克常数h代入，得到代入，得到 Cf 24. 10R在工作波长一定在工作波长一定时，时，与与R0具有具有定量的关系定量的关系 几种材料的几种材料的PIN光电二极管的响应度与波长关系光电二极管的响应度与波长关系 光子能量一定时，大多数的光电二极管的量子效光子能量一定时，大多数的光电二极管的量子效率和入射到光电二极管上的光功率无关，因此响率和入射到光电二极管

23、上的光功率无关，因此响应度是一个线性函数，也就是说光电流应度是一个线性函数，也就是说光电流Ip正比于正比于入射到光电二极管上的光功率入射到光电二极管上的光功率P0然而，在整个波长范围内量子效率并不是一个常然而，在整个波长范围内量子效率并不是一个常数，因为光子能量在改变数，因为光子能量在改变对于给定的材料，当入射光波长越来越长时，光对于给定的材料，当入射光波长越来越长时，光子能量变得越来越小，当这个能量不足以激发一子能量变得越来越小，当这个能量不足以激发一个电子从价带跃迁到导带上时，响应度就会在截个电子从价带跃迁到导带上时，响应度就会在截止波长处迅速减小止波长处迅速减小 对于对于APD光电二极管

24、而言，由于量子效率只与初光电二极管而言，由于量子效率只与初始载流子数目有关，与倍增无关，所以不管始载流子数目有关，与倍增无关，所以不管PIN或是或是APD，量子效率总是小于，量子效率总是小于1 与与PIN光电二极管类似，光电二极管类似，APD的性能也可由它的的性能也可由它的响应度响应度RAPD来表征来表征由于由于APD中光生电流倍增了中光生电流倍增了G倍，所以它的响应倍，所以它的响应度比度比PIN管提高了管提高了G倍，其定义由下式给出倍，其定义由下式给出 GRGhfeRAPD0光电二极管响应速度可以用响应时间表征光电二极管响应速度可以用响应时间表征 光电二极管产生光电流的响应时间主要取决于下光

25、电二极管产生光电流的响应时间主要取决于下面三个因素：面三个因素：耗尽区的光载流子的渡越时间；耗尽区的光载流子的渡越时间；耗尽区外产生的光载流子的扩散时间；耗尽区外产生的光载流子的扩散时间；光电二极管以及与其相关电路的光电二极管以及与其相关电路的RC时间常数时间常数 光电二极管的响应速度基本取决于光生载流子渡光电二极管的响应速度基本取决于光生载流子渡越耗尽层区所需的时间越耗尽层区所需的时间载流子渡越时间载流子渡越时间td与耗尽层宽度与耗尽层宽度w和载流子的漂移和载流子的漂移速度速度v有关有关 减小耗尽层宽度减小耗尽层宽度w或增加光电二极管的反向偏压或增加光电二极管的反向偏压都可以缩短渡越时间。增

26、加反向偏压，可增加自都可以缩短渡越时间。增加反向偏压，可增加自建场，使漂移速度加快，渡越时间缩短建场，使漂移速度加快，渡越时间缩短 vwtd一般情况下，耗尽区的电场足够高，载流子可以一般情况下，耗尽区的电场足够高，载流子可以达到它们的极限速度达到它们的极限速度对于对于Si，当电场强度达到，当电场强度达到2104V/cm量级时，量级时，电子和空穴的最大速度分别是电子和空穴的最大速度分别是8.4106cm/s和和4.4106cm/s典型的典型的Si光电二极管的耗尽区宽度为光电二极管的耗尽区宽度为10m，极，极限响应时间为限响应时间为0.1 ns 相比高电场区载流子的漂移，耗尽区外的载流子相比高电场

27、区载流子的漂移，耗尽区外的载流子扩散过程就要慢得多，因此为了得到高速光电二扩散过程就要慢得多，因此为了得到高速光电二极管，光生载流子应该在耗尽区或非常接近耗尽极管，光生载流子应该在耗尽区或非常接近耗尽区的地方产生，使载流子扩散时间小于或等于渡区的地方产生，使载流子扩散时间小于或等于渡越时间越时间从光电二极管结构可以看出，光基本被耗尽层吸从光电二极管结构可以看出，光基本被耗尽层吸收，所以扩散时间对响应速度影响很小收，所以扩散时间对响应速度影响很小 响应速度除了与上面提到的漂移运动和扩散运动响应速度除了与上面提到的漂移运动和扩散运动速度有关外，它还与负载电路速度有关外，它还与负载电路RC参数有关参

28、数有关 光接收机中光检测的简单模型和其等效电路光接收机中光检测的简单模型和其等效电路 当光检测器受到光脉冲照射时，响应时间可以使当光检测器受到光脉冲照射时，响应时间可以使用检测器输出脉冲的上升时间和下降时间来表示用检测器输出脉冲的上升时间和下降时间来表示 如果光电二极管的电容较大，那它的响应时间就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会受到负载电阻RL和光电二极管结电容所构成的和光电二极管结电容所构成的RC时间常数的限制时间常数的限制在高速应用情况下，光电二极管的设计电容为几在高速应用情况下，光电二极管的设计电容为几个皮法甚至更小个皮法甚至更小 器件的响应速度受到渡越时间或电

29、路上升时间的器件的响应速度受到渡越时间或电路上升时间的制约，而后者的影响更大。目前，已经有制约，而后者的影响更大。目前，已经有100 ps的实用化器件的实用化器件 噪声是光检测器的一个重要参数噪声是光检测器的一个重要参数噪声的存在同样限制了光检测器所能检测出的最噪声的存在同样限制了光检测器所能检测出的最小光功率，直接影响了接收机的灵敏度小光功率，直接影响了接收机的灵敏度光检测器的噪声主要包括：热噪声、暗电流噪声光检测器的噪声主要包括：热噪声、暗电流噪声和漏电流噪声、散弹噪声等和漏电流噪声、散弹噪声等 光检测器在无内部增益时，其主要噪声包括散弹光检测器在无内部增益时，其主要噪声包括散弹噪声（又称

30、量子噪声）、光电二极管材料引起的噪声（又称量子噪声）、光电二极管材料引起的暗电流噪声和表面电流噪声暗电流噪声和表面电流噪声 处于反向偏压下的半导体光电二极管，在无光照处于反向偏压下的半导体光电二极管，在无光照射时仍有电流通过，这部分电流称为暗电流，可射时仍有电流通过，这部分电流称为暗电流，可以分为两个部分：以分为两个部分：一部分为反向偏压下二极管的反向饱和电流，称为体暗一部分为反向偏压下二极管的反向饱和电流，称为体暗电流，由光电二极管电流，由光电二极管PN结区载流子的热扩散产生结区载流子的热扩散产生 另一部分是由半导体表面缺陷引起的表面漏电流，称为另一部分是由半导体表面缺陷引起的表面漏电流，称

31、为表面暗电流，也简称漏电流。它是由表面缺陷、清洁程表面暗电流，也简称漏电流。它是由表面缺陷、清洁程度、偏置电压大小和表面积大小等因素决定度、偏置电压大小和表面积大小等因素决定体暗电流由半导体材料及掺杂浓度决定，对于体暗电流由半导体材料及掺杂浓度决定，对于APD而言，由此产生的载流子同样会得到而言，由此产生的载流子同样会得到PN结区结区高电场的加速，并因雪崩效应而倍增高电场的加速，并因雪崩效应而倍增 由于雪崩效应是一种体效应，所以表面漏电流并由于雪崩效应是一种体效应，所以表面漏电流并不受雪崩增益的影响不受雪崩增益的影响 一般而言，反向偏压增大，暗电流也增大。当偏一般而言，反向偏压增大，暗电流也增

32、大。当偏压增大到一定程度时，暗电流激增，产生反向击压增大到一定程度时，暗电流激增，产生反向击穿，发生反向击穿的电压值即为反向击穿电压穿，发生反向击穿的电压值即为反向击穿电压如如Si材料材料PIN反向击穿电压为反向击穿电压为100余伏，但余伏，但PIN工作时的偏置电压为工作时的偏置电压为1030 V，离击穿电压较远，离击穿电压较远暗电流会引起噪声，限制了光电二极管所能检测暗电流会引起噪声，限制了光电二极管所能检测的最小光功率，也就是降低了接收机的灵敏度的最小光功率，也就是降低了接收机的灵敏度 光电二极管受到入射光照射时，所产生的电子光电二极管受到入射光照射时，所产生的电子空穴对具有离散性和随机性

33、，构成了散弹噪声空穴对具有离散性和随机性，构成了散弹噪声另外载流子越过耗尽区时的随机起伏也构成散弹另外载流子越过耗尽区时的随机起伏也构成散弹噪声噪声散弹噪声（或散粒噪声）是由光的粒子性产生的，散弹噪声（或散粒噪声）是由光的粒子性产生的，所以也称为量子噪声所以也称为量子噪声 在带宽在带宽B内，量子噪声均方根电流和光电流内，量子噪声均方根电流和光电流Ip的平的平均值之间成正比均值之间成正比 )(222GFBGeIipQ噪声系数噪声系数F(G) 是噪声系数，和雪崩特性有关是噪声系数，和雪崩特性有关对于对于PIN光电二极管，光电二极管，F(G) 和和G都等于都等于1 对于对于APD光电二极管，光电二极

34、管，F(G) 即为过剩噪声系数，即为过剩噪声系数，用来描述倍增噪声用来描述倍增噪声由于由于APD光电二极管的倍增是随机的，这种随机性的光电二极管的倍增是随机的，这种随机性的电流起伏将带来附加噪声，即倍增噪声电流起伏将带来附加噪声，即倍增噪声实验结果表明，可以将实验结果表明，可以将F(G) 近似为近似为 xGGF)(0 x1.0当当APD光电二极管的雪崩增益为光电二极管的雪崩增益为G时，它的信号时，它的信号电流比无倍增时增大了电流比无倍增时增大了G倍，信号功率增大了倍，信号功率增大了G2倍倍噪声功率增大了噪声功率增大了G2F倍，即倍，即G2+x倍，所以噪声功倍，所以噪声功率增大的速率大于信号功率

35、增大的速率率增大的速率大于信号功率增大的速率因此选用因此选用APD时，应选用时，应选用x值较小的管子值较小的管子 热噪声是由光电二极管的负载电阻热噪声是由光电二极管的负载电阻RL和后接的放和后接的放大器的输入电阻产生大器的输入电阻产生一般情况下，放大器输入阻抗远大于负载电阻一般情况下，放大器输入阻抗远大于负载电阻RL，所以放大电路的热噪声远小于所以放大电路的热噪声远小于RL的热噪声的热噪声光检测器负载电阻的均方热噪声电流为光检测器负载电阻的均方热噪声电流为 LTRkTBi42降低器件的绝对温度可以降低热噪声，降低检测降低器件的绝对温度可以降低热噪声，降低检测带宽也可以减少热噪声带宽也可以减少热

36、噪声因为热噪声是一种白噪声，所以在检测器前面可因为热噪声是一种白噪声，所以在检测器前面可以用光滤波器去除信号带宽以外的热噪声以用光滤波器去除信号带宽以外的热噪声 LTRkTBi42分别列出了分别列出了PIN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的一般性能的一般性能 Si PINInGaAs PIN波长响应波长响应（m）0.41.01.01.6响应度响应度R0（AW）0.4（850 nm）0.6（1300 nm）暗电流暗电流Id（nA）0.1125响应时间响应时间t（ns）2100.21结电容结电容Cd（pF）0.5112工作电压（工作电压（V）-5-15-5-15分别列出了

37、分别列出了PIN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的一般性能的一般性能Si APDInGaAs APD波长响应波长响应（m）0.41.011.65响应度响应度R0（AW）0.50.50.7暗电流暗电流Id（nA）0.111020响应时间响应时间t（ns）0.20.50.10.3结电容结电容Cd（pF）12 100 k（R1K档）档） 100 k（R1K档）档）无穷大无穷大（R1K档）档）光接收机是光纤通信系统的主要组成部分，它的光接收机是光纤通信系统的主要组成部分，它的性能是整个光纤通信系统性能的综合反映性能是整个光纤通信系统性能的综合反映光接收机是由光检测器、放大器和

38、信号处理电路光接收机是由光检测器、放大器和信号处理电路组成组成光接收机的主要作用是将经光纤传输后幅度被衰光接收机的主要作用是将经光纤传输后幅度被衰减，波形被展宽的微弱光信号转变为电信号，并减，波形被展宽的微弱光信号转变为电信号，并经放大处理，恢复为原来的信号经放大处理，恢复为原来的信号 典型光纤数字传输链路路径中可以看出接收端的典型光纤数字传输链路路径中可以看出接收端的主要处理过程主要处理过程 一般而言，光检测器产生的电流通常很小，而且一般而言，光检测器产生的电流通常很小，而且还会受到光检测过程中产生的随机噪声的影响还会受到光检测过程中产生的随机噪声的影响当光电二极管输出的电信号被放大时，放大

39、器电当光电二极管输出的电信号被放大时，放大器电路上的附加噪声将进一步使信号劣化路上的附加噪声将进一步使信号劣化由于接收机电路中的噪声源，使得信号一般都有由于接收机电路中的噪声源，使得信号一般都有一个能正确处理的最低限一个能正确处理的最低限由于接收机首先检测到微弱的失真信号，然后根由于接收机首先检测到微弱的失真信号，然后根据这个放大的失真信号来判断所传输数据的类型，据这个放大的失真信号来判断所传输数据的类型，所以光接收机的设计比光发送机的设计要复杂得所以光接收机的设计比光发送机的设计要复杂得多多 直接检测数字光接收机原理方框图直接检测数字光接收机原理方框图主放大、均衡滤波和自动增益控制光检测与前

40、置放大 判决与再生 光检测器与前置放大器合起来称为接收机前端，光检测器与前置放大器合起来称为接收机前端，是光接收机的核心是光接收机的核心其作用是将耦合入光电检测器的光信号转换为时其作用是将耦合入光电检测器的光信号转换为时变光生电流，然后进行预放大，并将电流信号转变光生电流，然后进行预放大，并将电流信号转换为电压信号，以便后级作进一步处理换为电压信号，以便后级作进一步处理前端性能是决定光接收机的主要因素，要求低噪前端性能是决定光接收机的主要因素，要求低噪声、高灵敏度、足够的带宽声、高灵敏度、足够的带宽 光检测器可以采用光检测器可以采用PIN光电二极管和雪崩光电二光电二极管和雪崩光电二极管（极管（

41、APD），应当视具体情况而定），应当视具体情况而定 前置放大器主要作用是保持检测到的电信号不失前置放大器主要作用是保持检测到的电信号不失真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管（管（FET） 目前，光检测器与前置放大有商用集成组件目前，光检测器与前置放大有商用集成组件 主放大器、均衡滤波器和自动增益控制组成光接主放大器、均衡滤波器和自动增益控制组成光接收机的线性通道收机的线性通道主放大器一般是多级放大器，它的功能主要是提主放大器一般是多级放大器，它的功能主要是提供足够高的增益供足够高的增益 AGC就是用反馈环路来控制主放大器的增益，以就是用反馈环路

42、来控制主放大器的增益，以扩大接收机的动态范围扩大接收机的动态范围 均衡器的作用是对主放输出的、已畸变（失真）均衡器的作用是对主放输出的、已畸变（失真）和有码间干扰的电信号进行整形和补偿和有码间干扰的电信号进行整形和补偿 所传输的数字脉冲信号，经过光纤传输后，又经所传输的数字脉冲信号，经过光纤传输后，又经过光电检测器、放大器等，由于传输带宽的限制，过光电检测器、放大器等，由于传输带宽的限制，不再是矩形脉冲形式，产生拖尾现象不再是矩形脉冲形式，产生拖尾现象这将导致相邻码元的重叠，从而产生码间干扰，这将导致相邻码元的重叠，从而产生码间干扰，严重时将造成判决电路的误判，产生误码严重时将造成判决电路的误

43、判，产生误码 通过均衡器对主放大器输出的失真数字脉冲进行通过均衡器对主放大器输出的失真数字脉冲进行整形和补偿，使之成为有利于判决的码间干扰最整形和补偿，使之成为有利于判决的码间干扰最小的信号波形小的信号波形如升余弦波形如升余弦波形 判决器、译码器和时钟恢复组成光接收机的判决、判决器、译码器和时钟恢复组成光接收机的判决、再生部分再生部分时钟恢复电路从码流中恢复出时钟信号（定时信时钟恢复电路从码流中恢复出时钟信号（定时信号），并提供给判决电路号），并提供给判决电路判决电路在时钟信号控制下，将均衡后的脉冲输判决电路在时钟信号控制下，将均衡后的脉冲输出信号判决输出为出信号判决输出为“1”或或“0”，恢

44、复出所传输的，恢复出所传输的二进制脉冲信号二进制脉冲信号 再生过程再生过程实际应用中，可以选用时钟数据再生器组件，实际应用中，可以选用时钟数据再生器组件，如朗讯科技的如朗讯科技的LG 1600系列系列 光接收机主要性能指标有：光接收机主要性能指标有：接收灵敏度，反映了接收机检测微弱信号的能力；接收灵敏度，反映了接收机检测微弱信号的能力；误码率或信噪比；误码率或信噪比；动态范围，反映了接收机适应输入信号变化的能力动态范围，反映了接收机适应输入信号变化的能力 在数字接收机中，来自放大、均衡后的信号在每在数字接收机中，来自放大、均衡后的信号在每一时刻都会和一个阈值进行比较，以判定当前时一时刻都会和一

45、个阈值进行比较，以判定当前时隙的信号是隙的信号是“1”或或“0”由于各种噪声、码间干扰等因素，判决电路难免由于各种噪声、码间干扰等因素，判决电路难免发生错误判决，即发生错误判决，即“1”码误判为码误判为“0”码，或把码，或把“0”码误判为码误判为“1”码码 信号电平bonboffvth方差2off2on方差阈值电平光接收机对码元错误判决的概率称为误码率光接收机对码元错误判决的概率称为误码率在二进制情况下，等于误比特率（在二进制情况下，等于误比特率（BER，Bit-Error-Rate），它反映出在较长时间间隔内的传），它反映出在较长时间间隔内的传输码流中，错误判决的码元数输码流中，错误判决的码

46、元数Ne在所接收到的码在所接收到的码元总数元总数Nt中所占的比例中所占的比例 BtNNNBERete对二进制系统而言，误码率可以由下式给出对二进制系统而言，误码率可以由下式给出要确定误码率，不仅要知道噪声的大小，而且要要确定误码率，不仅要知道噪声的大小，而且要知道噪声的功率分布知道噪声的功率分布然而，光接收机的噪声功率分布十分复杂然而，光接收机的噪声功率分布十分复杂一种简化的计算是假定总噪声的概率分布为高斯一种简化的计算是假定总噪声的概率分布为高斯分布，这是由分布，这是由S. D. Personick提出的提出的 )0/1 ()0() 1/0() 1 (PPPPBER设设“0”和和“1”等概率

47、发送，得到等概率发送，得到 QeQerfdxeQPBERQQxe2/2/222121211误差函数误差函数 onthonoffoffthvbbvQ xydyexerf022因子因子Q和特定误码率下的信噪比相关，因此，被广和特定误码率下的信噪比相关，因此，被广泛用来说明接收机的性能泛用来说明接收机的性能给出了给出了BER随随Q变化的情况变化的情况当当on=off=，且，且boff=0，bon=V，则阈值，则阈值由于由于通常称为根噪声，因此，比值也就是峰值均通常称为根噪声，因此，比值也就是峰值均方根信噪比方根信噪比 2/Vvth 22121VerfPe接收机灵敏度是光接收机最主要的性能指标之一，接

48、收机灵敏度是光接收机最主要的性能指标之一，是表征光接收机调整到最佳状态时，接收微弱光是表征光接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号的能力信号的能力它可用下列三种物理量表示它可用下列三种物理量表示在保证达到所要求的误码率（或信噪比）条件下，在保证达到所要求的误码率（或信噪比）条件下，接收机所需的：接收机所需的：输入的最小平均光功率输入的最小平均光功率PR每个光脉冲的最低平均光子数每个光脉冲的最低平均光子数n0每个光脉冲的最低平均能量每个光脉冲的最低平均能量Ed 以上三个表示方法有所不同，但所表示的物理意以上三个表示方法有所不同，但所表示的物理意义是一致的，在工程上通常采用光功率的定义方义是一致的

49、，在工程上通常采用光功率的定义方法法对于对于“1”、“0”码等概率的码等概率的NRZ码脉冲，三种表码脉冲，三种表示方法之间有如下关系示方法之间有如下关系ThfnTEPdR220一个光子一个光子的能量的能量 脉冲码脉冲码元时隙元时隙 PR的单位是的单位是W，常用，常用mW若用若用dBm来表示灵敏度来表示灵敏度Sr，则可写为，则可写为在实际工程应用中，接收机所需的最小接收光功在实际工程应用中，接收机所需的最小接收光功率率PR可按照下面给出的近似公式计算可按照下面给出的近似公式计算 当采用当采用PIN光电二极管时，在则光电二极管时，在则当采用当采用APD光电二极管时，在则光电二极管时，在则mW 1l

50、g10RrPS 23081025. 3RRPR67091064. 1RRPRR0为基准计算码速率，为基准计算码速率，R0 = 25 Mb/s 对于不同的误码率要求，接收机的灵敏度也不同对于不同的误码率要求，接收机的灵敏度也不同在一定误码率条件下，影响接收机灵敏度的因素在一定误码率条件下，影响接收机灵敏度的因素有：码间干扰、消光比、暗电流、量子效率、光有：码间干扰、消光比、暗电流、量子效率、光波波长、信号速率、各种噪声等波波长、信号速率、各种噪声等而产生误码的主要原因是噪声，光信号通过接收而产生误码的主要原因是噪声，光信号通过接收机时，受到各种噪声影响，降低接收机的灵敏度机时，受到各种噪声影响，

51、降低接收机的灵敏度因此，对接收机噪声的研究分析是光接收机的主因此，对接收机噪声的研究分析是光接收机的主要课题要课题 动态范围是光接收机的另一重要指标动态范围是光接收机的另一重要指标光接收机的动态范围光接收机的动态范围D定义为：在保证系统的误码定义为：在保证系统的误码率指标要求下，接收机最低输入光功率率指标要求下，接收机最低输入光功率Pmin（以（以dBm表示）和最大允许输入光功率表示）和最大允许输入光功率Pmax（以（以dBm表示）之差（以表示）之差（以dB表示），即有表示），即有minmaxminmaxlg10mW 1lg10mW 1lg10PPPPD之所以要求光接收机有一个动态范围，是因为

52、光之所以要求光接收机有一个动态范围，是因为光接收机的输入光信号不是固定不变的，为了保证接收机的输入光信号不是固定不变的，为了保证系统正常工作，光接收机必须具备适应输入信号系统正常工作，光接收机必须具备适应输入信号在一定范围变化的能力在一定范围变化的能力低于这个动态范围的下限（即灵敏度），如前所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述将产生过大的误码高于这个动态范围的上限（即接收机的过载功高于这个动态范围的上限（即接收机的过载功率），在判决时也将造成过大的误码率），在判决时也将造成过大的误码 动态范围表征了光接收机对输入信号的适应能力动态范围表征了光接收机对输入信号的适应能

53、力 光信号在光纤传输过程中会出现两个问题：光信号在光纤传输过程中会出现两个问题： 光纤的损耗特性使光信号的幅度衰减，限制了光信号的光纤的损耗特性使光信号的幅度衰减，限制了光信号的传输距离；传输距离； 光纤的色散特性使光信号波形失真，造成码间干扰，使光纤的色散特性使光信号波形失真，造成码间干扰，使误码率增加误码率增加 光纤线路上的损耗和色散不但限制了光信号的传光纤线路上的损耗和色散不但限制了光信号的传输距离，也限制了光纤的传输容量输距离，也限制了光纤的传输容量为增加光纤的通信距离和通信容量，必须设置光为增加光纤的通信距离和通信容量，必须设置光中继器（或称再生器）中继器（或称再生器）光中继器的功能

54、是补偿光能量损耗，对畸变失真光中继器的功能是补偿光能量损耗，对畸变失真的信号波形进行整形的信号波形进行整形 光中继器主要有两种：光中继器主要有两种：一种是传统的光中继器（即光电中继器）一种是传统的光中继器（即光电中继器）另一种是全光中继器另一种是全光中继器 在光放大器研制成功之前，主要采用光电混合中在光放大器研制成功之前，主要采用光电混合中继器放大光信号继器放大光信号首先将光纤中送来的光信号转换为电信号，然后首先将光纤中送来的光信号转换为电信号，然后对电信号进行放大，最后再将放大了的电信号转对电信号进行放大，最后再将放大了的电信号转换为光信号送到光纤中去，即光电光方式换为光信号送到光纤中去，即光电光方式 根据不同的要求，可将中继器分为三种类型：根据不同的要求，可将中继器分为三种类型：只有放大和均衡功能的只有放大和均衡功能的1R（Re-amplifying）中继）中继器，用于模拟信号的传输器，用于模拟信号的传输2R中继器，即在