《光纤通信》第三章-光接收机课件

第三章

光接收机 第三章

光接收机1光接收机框图探测器： 实现光电变换。前放： 实现低噪声放大。主放： 提供足够的增益，且增益受AGC电路的控制。均衡器： 保证判决时不存在码间干扰。判决器、时钟提取：对信号进行再生。AGC电路：改变接收机的增益，扩大接收机的动态范围。光信号探测器

前置放大器主放大器均衡器判决器时钟提取AGC电路译码器光接收机框图探测器： 实现光电变换。光探测器前置主放均衡器2§3.1探测器半导体探测器： 光电二极管PD(PIN)

雪崩光电二极管APD§3.1探测器3光电二极管工作在反向偏压的PN结二极管。工作原理----受激吸收。

□

加反向偏压，形成耗尽区。

□入射光子，h>Eg时产生电子--空穴对。

□在电场的作用下，电子向N区漂移，空穴 向P区漂移。

□电子到达N区，空穴到达P区，被外电路 吸收，形成光生电流。光电二极管工作在反向偏压的PN结二极管。4光电二极管结构 ----PIN结构P IN光IuRL·°I为本征半导体，低掺杂；P、N均为高掺杂。光电二极管结构P IN光IuRL·°I为本5光电二极管响应波长

□光电效应需满足条件： h>Eg

即:

<hc/Eg

□截止波长：c=hcEg=1.24Eg(eV)(m) Si:c=1.06m Ge,InGaAs:c=1.6m□响应波长:

Si:0.5-1.0mGe,InGaAs:1.1-1.6m光电二极管响应波长c=hcEg=1.24Eg(eV)(m6光电二极管光电转换效率

□量子效率：=光生的电子-空穴对数入射光子数=Ip/e0P0/h=IpP0he0Ip:光生电流P0：入射光功率□响应度（常用物理量）:R=IpP0=e0h(A/W)<1光电二极管光电转换效率=光生的电子-空穴对数入射光子数7光电二极管暗电流Id

无光照射时PD的反向电流。 Id:Si:<1nA Ge:<1A InGaAs:<10nAId作为一直流噪声源存在探测器已加反向电压P0(W)Ip(A)0IdR:斜率R=IpP0光电二极管暗电流IdId作为一直流噪声源存在探测器已加反向8光电二极管响应速度

□常用上升，下降时间表示。

□主要由结电容和负载电阻的时间常数决定。 上升时间(RL=50) Si:300ps Ge:500psInGaAs:<100ps工作于主干线：2.5Gbit/s10Gbit/s光电二极管响应速度工作于主干线：2.5Gbit/s9雪崩光电二极管（APD）工作在高反向偏压的PN结二极管。 入射光功率产生一次光生电流，一次光生电流被雪崩放大，形成较大的反向电流。P IN光IuRL·°■

响应波长 与PIN同。·°·°雪崩光电二极管（APD）工作在高反向偏压的PN结二极管。P 10雪崩光电二极管平均雪崩增益G=一次光生电流总输出电流G=11-(V/VB)mVB:击穿电压m：常数，与APD材料、掺杂特性及波长有关V：反向电压GV1101001000VBSi：G≈100Ge：G≈10InGaAs：G≈10～20经验公式：雪崩光电二极管平均雪崩增益G=一次光生电流总输出电流G=1111雪崩光电二极管

APD的温度特性GV1101005010015020ºC40ºC60ºC TVB。APD实用时应在偏置电路中加温度补偿。雪崩光电二极管APD的温度特性GV1101005010012雪崩光电二极管

APD的倍增噪声

APD噪声： 量子噪声（散弹噪声）

暗电流噪声

倍增噪声----影响最大

APD的过剩噪声系数：

F(G)Gx x:过剩噪声指数。

Si-APD: x:0.3-0.5 Ge-APD: x:0.8-1.0 InGaAs-APD:x:0.5-0.7雪崩光电二极管APD的倍增噪声13雪崩光电二极管

APD的倍增噪声

F(G)表示由于倍增作用而增加的一个噪声系数。 通过APD倍增后信号功率与G2成正比， 而噪声功率与G2•F(G)=G2+x成正比， 即APD放大噪声比放大信号多Gx倍。 例: G=100,x=0.5,F(G)=10, APD放大噪声比放大信号多10倍。

G=100,x=1.0,F(G)=100, APD放大噪声比放大信号多100倍。 过剩噪声指数为APD的重要指标.雪崩光电二极管APD的倍增噪声14§3.2光接收机的灵敏度接收灵敏度

(1)保证达到给定误码率的条件下，光接收机需 要的最小平均光功率。(W，dBm)

(2)保证达到给定误码率的条件下，光接收机需 要的每一光脉冲的最低平均能量。

(3)保证达到给定误码率的条件下，光接收机需 要的每一光脉冲的最低平均光子数。§3.2光接收机的灵敏度接收灵敏度15§3.2光接收机的灵敏度P(dBm)BER10-1010-910-810-710-610-510-4-32-30-28-26-24给定BER接收灵敏度Pmin≈-29.4dBm§3.2光接收机的灵敏度P(dBm)BER10-1010-16光接收机灵敏度的量子极限假设： 系统频带无限宽

系统无噪声

光源消光比为零

光电管暗电流为零

量子效率为1

☆BER=10-9时，E1=21h每个入射‘1’码脉冲应有21个光子的能量。(2)每个入射‘1’码脉冲含有的平均光子数为21个。(3)Pmin=10.5•Rb

hc/(1) Rb:码元速率 :波长P164例题光接收机灵敏度的量子极限假设： 系统频带无限宽P164例题17由于光源EXT=0，“0”码时接收的光能量为0；光电二极管的暗电流为0、“0”码时接收的光能量为0、系统又无噪声，因此“0”码误判为“１”码的概率为0，即Pe,01=0。由于系统无噪声，只要光电二极管输出一个电子空穴对，判决器就能判出来。所以产生误码的惟一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有产生光电流，放大器没有电流输出。光接收机灵敏度的量子极限由于光源EXT=0，“0”码时接收的光能量为0；光接收机灵敏18④因为光子计数过程的概率分布为泊松分布，“1”码持续期间产生的平均光子数λ=E1/hv,所以：

Pe,10=e-λλ0/0！=e-λ=e-E1/hv=e-n⑤当“0”码和“1”码等概率出现时，误码率为：⑥设传输的是非归零码(NRZ)，每个光脉冲最小平均光能量为E1，码元宽度为Tb，一个码元平均光子数为n，那么光接收机所需最小平均接收功率为:④因为光子计数过程的概率分布为泊松分布，“1”码持续期间产生19灵敏度与码速的关系RbPmin(变差)PIN:PminRb3/2

(4.5dB/比特率倍程)APD：PminRb7/6 (3.5dB/比特率倍程)APD比PIN改善 灵敏度5-10dB灵敏度与量子极限 差10dB左右1101001000Rb(Mb/s)Pmin(dBm)-80-70-60-50-40-30-20量子极限APDPINP177灵敏度与码速的关系RbPmin(变差)110100120

EXT（百分比定义）Pmin恶化

□对于PINPmin9EXT(%)(dB)

□对于APDPmin18EXT(%) (dB)

例：EXT=10%Pmin=1.8dBLD消光比对灵敏度的影响图3.4.5EXT（百分比定义）Pmin恶化LD消光比对灵敏21其它因素对灵敏度的影响暗电流输入波形放大器噪声……P190其它因素对灵敏度的影响暗电流P19022§3.3

接收机的动态范围接收机的动态范围

保证达到给定误码率的条件下，允许接收光功率的变化范围。(dB)

------反映接收机接收强信号的能力。

系统对接收机动态范围的要求：

D(dB)=[PTR(dBm)-10dB]~Pmin(dBm)

可正常接收比发送功率小10dB的光功率 例：fb=34Mb/s,Pmin=-44dBm,PTR=-3dBm

要求：D=31dB§3.3接收机的动态范围接收机的动态范围23接收机的动态范围P(dBm)BER10-1010-910-810-710-610-510-4-32-30-28-12-10给定BER接收灵敏度Pmin-8-6≈过载功率Pmax动态范围DD(dB)=Pmax(dBm)-Pmin(dBm)接收机的动态范围P(dBm)BER10-1010-910-824§3.4光接收机的均衡网络升余弦形频谱

在光纤通信系统中，常设计均衡网络使 输出波形具有升余弦形频谱。 □频谱H()=1 0<(1-)/Ts12[1+sinTs2(Ts-)](1-)Ts(1+)Ts0 >(1+)Ts§3.4光接收机的均衡网络升余弦形频谱H()=125§3.4光接收机的均衡网络升余弦形频谱 □频谱H()/Ts2/Ts-/Ts-2/Ts10.5=1=0.5:滚降因子，0<1，表示频谱曲线滚降的快慢。=1滚降最慢。=0§3.4光接收机的均衡网络升余弦形频谱H()/Ts226§3.4光接收机的均衡网络升余弦形频谱 □波形hout(t)=sin(t/Ts)cos(t/Ts)tTs[1-(2tTs)²]thout(t)Ts2Ts3Ts4Ts-Ts-2Ts-3Ts-4Ts=10§3.4光接收机的均衡网络升余弦形频谱hout(t)=si27§3.4光接收机的均衡网络升余弦形频谱 □波形

hout(0)=1

hout(nTs)=0n=±1,±2,±3,..本码元判决时刻信号最大，相邻码元在本码元判决时刻信号为零，无码间干扰。§3.4光接收机的均衡网络升余弦形频谱28§3.4光接收机的均衡网络均衡网络的传递函数Heq()

为实现无码间干扰判决需满足 S()•Hof()•Ham()•Heq()=H() S(): 发送脉冲的频谱 Hof():光纤的传递函数 Ham():放大器的传递函数（包含检测器传递函数）Heq()=H()S()•Hof()•Ham()

均衡网络与发送脉冲波形，光纤特性， 放大器特性有关。§3.4光接收机的均衡网络均衡网络的传递函数Heq()29§3.3光接收机的均衡网络眼图分析法 眼图------随机信号在反复扫描过程中叠加 在一起的综合反应。§3.3光接收机的均衡网络眼图分析法30对比图(b)和(d)可知,眼图的“眼睛”张开得越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小,反之，表示码间串扰越大。

连“1”连“0”+1-1+1-1对比图(b)和(d)可知,眼图的“眼睛”张开得越大，且眼31判决门限V1V2t1t2眼图分析法

模型化眼图：□垂直张开度：E=V1/V2

反映系统的抗噪声能力。□水平张开度：E=t1/t2

反映过门限失真的大小。

E小,会导致提取出的时钟信号的抖动增加。□眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响。判决门限V1V2t1t2眼图分析法□垂直张开度：E=V1/32最佳抽样时刻应是“眼睛”张开最大的时刻；眼图斜边的斜率决定了系统对抽样定时误差的灵敏程度：斜率越大，对定时误差越灵敏；图的阴影区的垂直高度表示信号的畸变范围；图中央的横轴位置对应于判决门限电平；抽样时刻上,上下两阴影区的间隔距离之半为噪声的容限,噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决；图中倾斜阴影带与横轴相交的区间表示了接收波形零点位置的变化范围，即过零点畸变，它对于利用信号零交点的平均位置来提取定时信息的接收系统有很大影响。

最佳抽样时刻应是“眼睛”张开最大的时刻；33本章作业: P2103.1,3.2《光纤通信》第三章-光接收机课件34

第三章

光接收机 第三章

光接收机35光接收机框图探测器： 实现光电变换。前放： 实现低噪声放大。主放： 提供足够的增益，且增益受AGC电路的控制。均衡器： 保证判决时不存在码间干扰。判决器、时钟提取：对信号进行再生。AGC电路：改变接收机的增益，扩大接收机的动态范围。光信号探测器

前置放大器主放大器均衡器判决器时钟提取AGC电路译码器光接收机框图探测器： 实现光电变换。光探测器前置主放均衡器36§3.1探测器半导体探测器： 光电二极管PD(PIN)

雪崩光电二极管APD§3.1探测器37光电二极管工作在反向偏压的PN结二极管。工作原理----受激吸收。

□

加反向偏压，形成耗尽区。

□入射光子，h>Eg时产生电子--空穴对。

□在电场的作用下，电子向N区漂移，空穴 向P区漂移。

□电子到达N区，空穴到达P区，被外电路 吸收，形成光生电流。光电二极管工作在反向偏压的PN结二极管。38光电二极管结构 ----PIN结构P IN光IuRL·°I为本征半导体，低掺杂；P、N均为高掺杂。光电二极管结构P IN光IuRL·°I为本39光电二极管响应波长

□光电效应需满足条件： h>Eg

即:

<hc/Eg

□截止波长：c=hcEg=1.24Eg(eV)(m) Si:c=1.06m Ge,InGaAs:c=1.6m□响应波长:

Si:0.5-1.0mGe,InGaAs:1.1-1.6m光电二极管响应波长c=hcEg=1.24Eg(eV)(m40光电二极管光电转换效率

□量子效率：=光生的电子-空穴对数入射光子数=Ip/e0P0/h=IpP0he0Ip:光生电流P0：入射光功率□响应度（常用物理量）:R=IpP0=e0h(A/W)<1光电二极管光电转换效率=光生的电子-空穴对数入射光子数41光电二极管暗电流Id

无光照射时PD的反向电流。 Id:Si:<1nA Ge:<1A InGaAs:<10nAId作为一直流噪声源存在探测器已加反向电压P0(W)Ip(A)0IdR:斜率R=IpP0光电二极管暗电流IdId作为一直流噪声源存在探测器已加反向42光电二极管响应速度

□常用上升，下降时间表示。

□主要由结电容和负载电阻的时间常数决定。 上升时间(RL=50) Si:300ps Ge:500psInGaAs:<100ps工作于主干线：2.5Gbit/s10Gbit/s光电二极管响应速度工作于主干线：2.5Gbit/s43雪崩光电二极管（APD）工作在高反向偏压的PN结二极管。 入射光功率产生一次光生电流，一次光生电流被雪崩放大，形成较大的反向电流。P IN光IuRL·°■

响应波长 与PIN同。·°·°雪崩光电二极管（APD）工作在高反向偏压的PN结二极管。P 44雪崩光电二极管平均雪崩增益G=一次光生电流总输出电流G=11-(V/VB)mVB:击穿电压m：常数，与APD材料、掺杂特性及波长有关V：反向电压GV1101001000VBSi：G≈100Ge：G≈10InGaAs：G≈10～20经验公式：雪崩光电二极管平均雪崩增益G=一次光生电流总输出电流G=1145雪崩光电二极管

APD的温度特性GV1101005010015020ºC40ºC60ºC TVB。APD实用时应在偏置电路中加温度补偿。雪崩光电二极管APD的温度特性GV1101005010046雪崩光电二极管

APD的倍增噪声

APD噪声： 量子噪声（散弹噪声）

暗电流噪声

倍增噪声----影响最大

APD的过剩噪声系数：

F(G)Gx x:过剩噪声指数。

Si-APD: x:0.3-0.5 Ge-APD: x:0.8-1.0 InGaAs-APD:x:0.5-0.7雪崩光电二极管APD的倍增噪声47雪崩光电二极管

APD的倍增噪声

F(G)表示由于倍增作用而增加的一个噪声系数。 通过APD倍增后信号功率与G2成正比， 而噪声功率与G2•F(G)=G2+x成正比， 即APD放大噪声比放大信号多Gx倍。 例: G=100,x=0.5,F(G)=10, APD放大噪声比放大信号多10倍。

G=100,x=1.0,F(G)=100, APD放大噪声比放大信号多100倍。 过剩噪声指数为APD的重要指标.雪崩光电二极管APD的倍增噪声48§3.2光接收机的灵敏度接收灵敏度

(1)保证达到给定误码率的条件下，光接收机需 要的最小平均光功率。(W，dBm)

(2)保证达到给定误码率的条件下，光接收机需 要的每一光脉冲的最低平均能量。

(3)保证达到给定误码率的条件下，光接收机需 要的每一光脉冲的最低平均光子数。§3.2光接收机的灵敏度接收灵敏度49§3.2光接收机的灵敏度P(dBm)BER10-1010-910-810-710-610-510-4-32-30-28-26-24给定BER接收灵敏度Pmin≈-29.4dBm§3.2光接收机的灵敏度P(dBm)BER10-1010-50光接收机灵敏度的量子极限假设： 系统频带无限宽

系统无噪声

光源消光比为零

光电管暗电流为零

量子效率为1

☆BER=10-9时，E1=21h每个入射‘1’码脉冲应有21个光子的能量。(2)每个入射‘1’码脉冲含有的平均光子数为21个。(3)Pmin=10.5•Rb

hc/(1) Rb:码元速率 :波长P164例题光接收机灵敏度的量子极限假设： 系统频带无限宽P164例题51由于光源EXT=0，“0”码时接收的光能量为0；光电二极管的暗电流为0、“0”码时接收的光能量为0、系统又无噪声，因此“0”码误判为“１”码的概率为0，即Pe,01=0。由于系统无噪声，只要光电二极管输出一个电子空穴对，判决器就能判出来。所以产生误码的惟一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有产生光电流，放大器没有电流输出。光接收机灵敏度的量子极限由于光源EXT=0，“0”码时接收的光能量为0；光接收机灵敏52④因为光子计数过程的概率分布为泊松分布，“1”码持续期间产生的平均光子数λ=E1/hv,所以：

Pe,10=e-λλ0/0！=e-λ=e-E1/hv=e-n⑤当“0”码和“1”码等概率出现时，误码率为：⑥设传输的是非归零码(NRZ)，每个光脉冲最小平均光能量为E1，码元宽度为Tb，一个码元平均光子数为n，那么光接收机所需最小平均接收功率为:④因为光子计数过程的概率分布为泊松分布，“1”码持续期间产生53灵敏度与码速的关系RbPmin(变差)PIN:PminRb3/2

(4.5dB/比特率倍程)APD：PminRb7/6 (3.5dB/比特率倍程)APD比PIN改善 灵敏度5-10dB灵敏度与量子极限 差10dB左右1101001000Rb(Mb/s)Pmin(dBm)-80-70-60-50-40-30-20量子极限APDPINP177灵敏度与码速的关系RbPmin(变差)110100154

EXT（百分比定义）Pmin恶化

□对于PINPmin9EXT(%)(dB)

□对于APDPmin18EXT(%) (dB)

例：EXT=10%Pmin=1.8dBLD消光比对灵敏度的影响图3.4.5EXT（百分比定义）Pmin恶化LD消光比对灵敏55其它因素对灵敏度的影响暗电流输入波形放大器噪声……P190其它因素对灵敏度的影响暗电流P19056§3.3

接收机的动态范围接收机的动态范围

保证达到给定误码率的条件下，允许接收光功率的变化范围。(dB)

------反映接收机接收强信号的能力。

系统对接收机动态范围的要求：

D(dB)=[PTR(dBm)-10dB]~Pmin(dBm)

可正常接收比发送功率小10dB的光功率 例：fb=34Mb/s,Pmin=-44dBm,PTR=-3dBm

要求：D=31dB§3.3接收机的动态范围接收机的动态范围57接收机的动态范围P(dBm)BER10-1010-910-810-710-610-510-4-32-30-28-12-10给定BER接收灵敏度Pmin-8-6≈过载功率Pmax动态范围DD(dB)=Pmax(dBm)-Pmin(dBm)接收机的动态范围P(dBm)BER10-1010-910-858§3.4光接收机的均衡网络升余弦形频谱

在光纤通信系统中，常设计均衡网络使 输出波形具有升余弦形频谱。 □频谱H()=1 0<(1-)/Ts12[1+sinTs2(Ts-)](1-)Ts(1+)Ts0 >(1+)Ts§3.4光接收机的均衡网络升余弦形频谱H()=159§3.4光接收机的均衡网络升余弦形频谱 □频谱H()/Ts2/Ts-/Ts-2/Ts10.5=1=0.5:滚降因子，0<1，表示频谱曲线滚降的快慢。=1滚降最慢。=0§3.4光接收机的均衡网络升余弦形频谱H()/Ts260§3.4光接收机的均衡网络升余弦形频谱 □波形hout(t)=sin(t/Ts)cos(t/Ts