光通信：第章光电检测器与光接收机

第六章光电检测器与光接收机6.1光电检测器6.2光电检测器的特性指标6.3光接收机6.4光接收机的噪声6.5光接收机的灵敏度6.1光电检测器6.1.1PIN光电二极管 由于受激辐射仅仅发生在PN结附近，远离PN结的地方没有电场存在，因此就决定了PN光电二极管(PNPhotodiode，PNPD)或PN光电检测器的光电变换效率非常低下及响应速度很慢。1.PIN光电二极管的结构 PIN光电二极管(PINPD)的结构如图6.1所示。图6.1PIN光电二极管的结构2.PIN光电二极管的工作原理 当光照射到PIN光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区（高场区）及耗尽区附近产生受激辐射现象，从而产生电子空穴对。6.1.2雪崩光电二极管 雪崩光电二极管应用光生载流子在其耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应而获得光生电流的雪崩倍增。1.雪崩光电二极管的结构 常用的APD结构包括拉通型APD和保护环型APD，如图6.2所示。由于要实现电流放大作用需要很高的电场，因此只能在图中所示的高场区发生雪崩倍增效应。图6.2APD的结构2.雪崩倍增原理 APD的雪崩倍增原理为：当入射光照射在APD的光敏面上时，由于受激吸收原理会产生电子空穴对(这里我们称之为一次电子空穴对)。3.APD的工作原理 当光照射到APD的光敏面上时，由于受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴对。6.2光电检测器的特性指标6.2.1光电检测器的工作特性1.响应度 在一定波长的光照射下，光电检测器的平均输出电流与入射的平均光功率之比称为响应度(或响应率)。响应度可以表示如下： 式中：Ip为光生电流的平均值(单位：A)；P为平均入射光功率值(单位：W)。2.量子效率 响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性。量子效率定义为通过结区的载流子数与入射的光子数之比，常用符号η表示：式中：e是电子电荷，，其值约为1.6×10-19G；ν为光频。η与ρ关系可以表示示为：式中：h是普朗克常数数，c是光在真空中中的速度,λ是光电检测器器的工作波长长。代入相应应数值后，可可以得到：从式(6-4)中可以看看出：在工作作波长一定时时，η与ρ具有定量的关关系。3.响应速速度光电二极管的的响应速度是是指它的光电电转换速度。。4.暗暗电电流流暗电电流流主主要要由由体体内内暗暗电电流流和和表表面面暗暗电电流流组组成成。。5.APD的倍倍增增因因子子APD的电电流流增增益益，，即即平平均均倍倍增增因因子子M可表表示示为为：：式中中：：Ip为APD倍增增后后的的光光生生电电流流；；Ip0是未未倍倍增增时时的的原原始始光光生生电电流流。。若若无无倍倍增增时时和和倍倍增增时时的的总总电电流流分分别别为为I1和I2，则应应扣扣除除当当时时的的暗暗电电流流Id1和Id2后才才能能求求出出M。。6.光光电电检检测测器器的的噪噪声声光电电检检测测器器的的噪噪声声包包括括量量子子噪噪声声、、暗暗电电流流噪噪声声和和由由倍倍增增过过程程产产生生的的倍倍增增噪噪声声。。(1)PINPD的噪噪声声PINPD的总总均均方方噪噪声声电电流流可可以以表表述述如如下下：：〈i2〉=2e(Ip+Id)B式中中：：e为电电子子电电荷荷量量；；Ip为光光生生电电流流；；Id为PINPD的暗暗电电流流，，B为噪噪声声带带宽宽。。(2)APD的噪噪声声APD的量量子子噪噪声声和和暗暗电电流流噪噪声声(要要考考虑虑倍倍增增作作用用)与与PINPD机理理类类似似，，计计算算方方法法也也基基本本相相同同。。(3)最最佳佳倍倍增增因因子子虽然然APD的倍倍增增作作用用对对信信号号有有放放大大作作用用，，但但是是由由于于倍倍增增噪噪声声的的存存在在也也使使得得总总噪噪声声增增加加。。6.2.2光光电电检检测测器器的的典典型型指指标标及及简简易易检检测测1.光光电电检检测测器器的的典典型型指指标标表6.1中中列列出出了了富富士士通通公公司司生生产产的的两两种种光光电电检检测测器器的的典典型型指指标标。。2.光光电器件件的简易易检测与光源器器件一样样，在没没有测试试条件的的情况下下，使用用人员也也可以借借助于指指针式万万用表对对光电检检测器件件进行简简易的测测试。这这种测试试方法主主要是检检查光电电检测器器件PN结的好坏坏：PN结好不能能保证器器件具有有好的特特性，而而PN不好的器器件其质质量绝对对不会好好。常用用光电检检测器件件的参考考数据如如表6.2所示示。6.3光接收收机机6.3.1光光解调调原理1.非非相干检检测方式式常用的非非相干检检测方式式就是直直接功率率检测方方式。直直接功率率检测方方式是通通过光电电二极管管直接将将接收的的光信号号恢复成成基本调调制信号号的过程程。2.相相干检测测方式就像普通通的无线线电收音音机一样样，首先先接收光光信号要要与一个个光本地地振荡器器在光混混频器混混频之后后，再被被光电检检测器变变换成一一定要求求的电信信号，如如图6.5所示示。图6.5相相干检测测原理6.3.2光光接收收机的构构成与指指标1.光光接收机机的构成成在实用的的直接功功率检测测光接收收机中，，光电检检测器直直接从接接收光信信号中将将基本调调制信号号恢复出出来。2.光光接收机机指标对于不同同的光纤纤通信系系统，有有着不同同的光接接收机质质量指标标。(1)光光接收收机灵敏敏度所谓光接接收机灵灵敏度，，就是指指在一定定误码率率或信噪噪比(有有时还要要加上信信号波形形失真量量)条件件下光接接收机需需要接收收的最小小平均光光功率(有时也也称为平平均最小小输入光光功率)。(2)光光接收收机动态态范围所谓光接接收机动动态范围围，就是是指在一一定误码码率或信信噪比(有时还还要加上上信号波波形失真真量)条条件下光光接收机机允许的的光信号号平均光光功率的的变化范范围。6.4光接收机机的噪声声6.4.1光光接收收机的噪噪声源1.光光电检测测器噪声声光电检测测器上的的噪声包包括光检检测噪声声(有可可能与信信号强度度相关的的噪声)、暗电电流噪声声及背景景辐射噪噪声。(1)PINPD的光检测测噪声由于光的的量子性性，PINPD的光检测测噪声属属于光量量子噪声声。PINPD的光检测测噪声可可以由下下式决定定：式中：η为光电检检测器的的量子效效率；e为电子电电荷量；；P为平均接接收光功功率；B为系统带宽；；h为普朗克克常数；；ν为光子的的频率。。(2)APD的光检测测噪声由于APD雪崩倍增增过程的的随机性性，使得得APD的光检测测噪声更更多的表表现为倍倍增噪声声。APD的光检测测噪声可可以表述述如下：：式中：η为光电检检测器的的量子效效率；e为电子电电荷量；；P为输入光光电检测测器的平平均光功率；M为APD的平均均倍增增因子子；F为APD的倍增增噪声声系数数；B为系统统带宽宽。2.放放大大器的的噪声声不管前前置放放大器器的具具体结结构如如何，，从低低噪声声角度度出发发第一一级采采用共共射极极(或或共源源极)则是是公认认的。。关于于第一一级器器件的的应用用，无无非是是晶体体三极极管(Bi-junctionTransistor，，BJT)或场效效应管管(FieldEffectTransistor，FET)两类。。(1)FET前置放放大器器的噪噪声FET前置放放大器器的输输入等等效噪噪声可可以用用下式式表示示：(2)BJT前置放放大器器的噪噪声BJT前置放放大器器的输输入等等效噪噪声可可以表表示为为：3.总总噪噪声表表达式式光接收收机的的输入入等效效总噪噪声可可以表表示为为：ntot=nPD+nA在PINPD光接收收机中中，nPD要远远远小于于nA。6.4.2光光接接收机机的信信噪比比1.PINPD光接收收机的的信噪噪比根据信信噪比比定义义，PINPD光接收收机判判决点点上的的信噪噪比为为：2.APD光接收收机的的信噪噪比同理，，可以以得到到APD光接收收机在在判决决点上上的信信噪比比表达达式为为：6.5光接收收机的的灵敏敏度6.5.1数数字字光接接收机机的误误码率率根据通通信系系统理理论，，二进进制数数字传传输系系统的的误码码率可可以表表示为为：式中：p(0)和p(1)分别表示二二进制数字字码流中““0”、““1”出现现的概率；；p0(i)和p1(i)分别表示““0”、““1”码的的概率密度度函数；i表示信号电电流的瞬时时值；D0是p0(i)和p1(i)相等时对应应的信号电电流。利用数值计计算技术求求得误码率率的方法非非常费时，，而且不能能对光接收收机的设计计提供多少少帮助。所所以，为了了简化计算算，一般均均将概率密密度函数近近似成高斯斯函数来进进行相应的的分析。于于是，误码码率又可表表示成：式中Q可以表示为为：6.5.2光接接收机的灵灵敏度极限限光接收机的的灵敏度极极限也称为为理想光接接收机的灵灵敏度。由由于这种光光接收机完完全是理想想的：光电电检测器暗暗电流为零零，放大器器无噪声，，系统的带带宽无限大大。当码流中““0”、““1”等概概时，系统统的误码率率就等于““1”码发发生差错概概率的一半半，即式中：n表示一个码码元的平均均光子数。。6.5.3实际光光接收机的的灵敏度根据式(6-23)，可以得得到如下公公式：在这里不考考虑暗电流流和光源直直流光影响响(Iop0=0)，并且有Iop1可以表示为为：式中：M为APD的倍增因子子(对PINPD，M=1)；P1为“1”码码时的光功功率；A为放大器的的放大倍数数。6.5.4影响响光接收机机灵敏度的的主要因素素1.输入入和输出信信号波形在光纤通信信系统中，，光接收机机接收到的的光信号波波形是被光光纤线路展展宽了的信信号波形，，这种波形形将会存在在码间干扰扰。为了减少码码间干扰的的影响，必必须对接收收的信号波波形进行滤滤波均衡，，变成没有有码间干扰扰的信号波波形(实际际中多采用用升余弦波波)。