第四章光检测器与光接收机

第四章光检测器与光接收机在光纤通信系统中，光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息，因此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。本章首先介绍光检测器的原理与特性，然后以数字接收机为例对光接收机进行详细说明。第一节：概述第二节：光检测器第三节：数字接收机第一节概述

光接收机可分两类：模拟接收机和数字接收机，如下图。它们均由光检测器、低噪声前置放大器及其他信号处理电路组成。数字接收机比较复杂，在主放大器后还有均衡滤波、定时提取与判决再生、峰值检波与AGC放大等电路。光检测器的作用是把接收到的光信号转换成光电流。前置放大器的作用是对光检测器生成的光电流进行低噪声放大。光纤通信接收机框图

(a)模拟接收机;(b)数字接收机

光检测器和低噪声放大器构成接收机前端，其性能的优劣是决定接收灵敏度的主要因素。主放大器的作用是把前端输出的毫伏级信号放大到后面信号处理电路所需的电平(1－3V(峰－峰))。其余电路则对信号进行进一步的处理、整形，以提高系统的性能，最后解调出发送信息。衡量接收机性能的主要指标是接收灵敏度及动态范围。1）接受灵敏度接受灵敏度是指达到指定误码率或信噪比时的最小接收信号光功率，通常用dBm表示。影响接受灵敏度的主要因素是光信号检测过程及前置放大器中的各种噪声。2）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不同，发送功率随温度的变化及老化原因，接收光功率有一定的范围。定义：最大允许的接收光功率与最小可接收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。

最小光功率则决定于接受灵敏度。第二节光检测器光纤通信系统对光检测器的要求：在工作波长上光电转换效率高，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；响应速度快，线性好及频带宽，使信号失真尽量小。；噪声低，器件本身对信号的影响小；体积小、寿命长、高可靠、工作电压低等。在光纤通信中，满足上述要求的光检测器有两种：PIN光电二极管和雪崩二极管(APD)一、光检测器的工作原理1）PN结的光电效应光电二极管（PD）是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，如下图。由光电二极管作成的光检测器的核心是PN结的光电效应。当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近载流子基本上耗尽形成耗尽区。当光束入射到PN结上，且光子能量hv大于半导体材料的带隙Eg时，价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子—空穴对。半导体中的光发射

(e)反向偏置的pn结

在耗尽区，在内建电场的作用下电子向N区漂移，空穴向P区漂移，如果PN结外电路构成回路，就会形成光电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电信号。当入射光子能量小于Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足：即存在

λc为产生光电效应的入射光的最大波长，称为截止波长。以Si为材料的光电二极管,λc=1.06μm;以Ge为材料的光电二极管，λc=1.60μm。

利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极管。但这种光电二极管结构简单，无法降低暗电流和提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合做光纤通信的检测器。2）PIN光电二极管a、PIN光电二极管的结构

PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。结构如下图：由于I层吸收系数很小，入射光可以很容易地进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子—空穴对，因此大幅度提高了光电转换效率。另外，I层两侧的P层、N层很薄，光生载流子的漂移时间很短，大大提高了器件的响应速度。PIN光电二极管结构PIN光电二极管及能带图动画演示b、PIN光电二极管的特性

PIN光电二极管的主要特性包括波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度及噪声特性等。波长响应范围不同半导体材料存在着上限波长即截止波长。当入射波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大降低。因此，半导体光电检测器只可以对一定波长范围的光信号进行有效的光电转换，这一波长范围就是波长响应范围。由于半导体材料对光的吸收，光在材料中按指数率衰减，因此在厚度W的材料内被吸收的光功率为：式中：P0为入射光功率；α(λ)为材料吸收系数，其大小与材料性质有关，且是波长的函数。半导体材料的吸收作用随波长减小而迅速增强，即α随波长减小而变大。下图为光纤通信中用作光检测器的几种材料的吸收系数随波长的变化情况。材料吸收系数随波长的变化情况

从图中可以看出，当波长很短时，材料的吸收系数很大，这样，光在半导体材料表层即被吸收殆尽。在表层产生的光生载流子要扩散到耗尽层才能产生光生电流，而在表层为零电场扩散区，扩散速度很慢，在光生载流子还没有到达耗尽层时就大量被复合掉了，使得光电转换效率在波长很短时大大下降。综上所述，检测某波长的光时要选择合适材料作成的光检测器。

首先，材料的带隙决定了截止波长要大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。

其次，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。

Si―PIN光电二极管的波长响应范围为0.5～1μm。

Ge―PIN和InGaAs―PIN光电二极管的波长响应范围约为1~1.7μm。响应度响应度是描述光检测器能量转换效率的一个参量。它定义为：

其中，P0为入射到光电二极管上的光功率；Ip为所产生的光电流。它的单位为A/W。量子效率量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即：η=光电转换产生的有效电子—空穴对数入射光子数其中,e为电子电荷，其值为1.6×10-19

C。所以有：式中,λ单位取μm。可见，光电检测器的响应度随波长的增大而增大。下图为PIN光电二极管的响应度、量子效率与波长的关系。可以看出，响应度、量子效率随着波长的变化而变化。

为提高量子效率，必须减少入射表面的反射率，使入射光子尽可能多地进入PN结；同时减少光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区内被充分吸收。光电二极管响应度、量子效率与波长的关系响应速度响应速度是光电检测器的另一个重要参数，通常用响应时间（上升时间和下降时间），如下图来表示。光检测器的脉冲响应光电二极管在接收机中使用时通常由偏置电路与放大器相连，这样检测器的响应特性必然与外电路相关。如下图，为检测器电路及其等效电路，其中CPN为检测器的结电容；Rb为偏置电阻；Ra、Ca分别为放大器的输入电阻和输入电容；Rs为检测器的串联电阻，通常只有几欧，可以忽略。影响响应速度的主要因素有：（1）检测器及其有关电路的RC时间常数，设它造成的脉冲前沿上升时间为：ιRC

要提高响应速度，就要降低整个电路的时间常数。从检测器本身来看，就要尽可能降低结电容光检测器电路及等效电路式中，ε为材料的介电常数，A为结面积，W为耗尽区厚度。（2）载流子漂移通过耗尽区的渡越时间，设上升时间为：ιdr

光电二极管的响应速度主要受到耗尽区内的载流子在电场作用下的漂移通过所需时间(即渡越时间)的限制。渡越时间：式中，vd为光身载流子的漂移速度。漂移运动的速度与电场强度有关，电场强度较低时，漂移速度正比于电场强度，当电场强度达到某一值后，漂移速度不再变化。（3）耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟，设上升时间为：ιdi

耗尽区外产生的载流子一部分复合，一部分扩散到耗尽区，被电路吸收。由于扩散速度比漂移速度慢得多，因此，这部分载流子会带来附加时延，会使输出电信号脉冲拖尾加长。总的上升时间为：噪声特性光电二极管的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声以及负载电阻的热噪声。除负载电阻的热噪声以外，其它都为散弹噪声。散弹噪声是由于带电粒子产生和运动的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白噪声。

量子噪声是由于光电子产生和收集的统计特性造成的，与平均光电流Ip成正比。来自噪声电流的均方值可表示为：Δf为噪声带宽暗电流噪声是当没有入射光时流过器件偏置电路的电流，它是由于PN结内热效应产生的电子—空穴对形成的，是PIN的主要噪声源。暗电流的均方值可表示为：式中，Id为暗电流平均值。当偏置电压增大时，暗电流增大。暗电流还随着器件温度的升高而增加。暗电流的大小与光电二极管的结面积成正比，故常用单位面积上的暗电流即暗电流密度来衡量。下图给出了几种光电检测器常用材料的暗电流密度与偏置电压的关系。除此之外，光电二极管中还有表面漏电流。表面漏电流是由于器件表面物理特性的不完善，如表面缺陷、不清洁和加有偏置电压而引起的。漏电流的均方值可表示为：IL为漏电流平均值漏电流和暗电流一样，都只能通过合理设计、良好的结构以及严格的工艺来降低。任何电阻都具有热噪声，只要温度高于绝对零度，电阻中大量的电子就会在热激励下作无规则运动，由此在电阻上形成无规则弱电流，造成电阻的热噪声。均方热噪声电流为：式中，R为等效电阻，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数。因此，光电二极管的总均方噪声电流为：量子噪声不同于热噪声，它伴随着信号的产生而产生，随着信号的增大而增大。当没有光入射时，信号消失，量子噪声也同时消失。3）雪崩光电二极管（APD）a、雪崩光电二极管的结构当耗尽区中的场强达到足够高时，入射光产生的电子或空穴将不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子和空穴在运动过程中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，激发出新的电子—空穴对。这些碰撞电离产生的电子和空穴在场中也被加速，也可以电离其它的原子。经过多次电离后，载流子迅速增加，形成雪崩倍增效应。

APD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。下图为一种被称为拉通型APD（RAPD）的结构。

π层为低掺杂区（接近本征态），而且很宽。当偏压加达到一定程度后，耗尽区将被拉通到π层，一直抵达P+层。这是一种全耗尽型结构，具有光电转换效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。一种称为拉通型APD(RAPD)的结构图(a)RAPD的结构示意图;(b)场分布示意图

动画演示

倍增的高电场区集中在pn+结附近窄的区域内。随着偏置电压的增加，结区的耗尽层逐渐加宽，直到p区的载流子全部耗尽，是p区成为耗尽区。进一步加大偏置电压，耗尽区逐渐扩大，直至“拉通”到整个π区。

π区较宽以提高量子效率。π区电场比pn+结区电场低。入射光子在π区吸收后建立一次电子－空穴对，其中电子在电场作用下向pn+结漂移，并在pn+结区内产生雪崩倍增；一次空穴则直接被P+吸收。b、雪崩光电二极管的特性与PIN相比，雪崩光电二极管的主要特性也包括波长响应范围、量子效率、响应度、响应速度等。除此之外，由于APD中雪崩倍增效应的存在，APD的特性还包括雪崩倍增特性、倍增噪声、温度特性等。1)倍增因子

定义倍增因子g为APD输出光电流Io和一次光生电流Ip的比值：

g值随反向偏压、波长和温度而变化。显然，APD的响应度比PIN增加了g倍。现在APD的g值已达到几十甚至上百。2)噪声特性

APD中的噪声除了量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声之外，还有附加的倍增噪声。

雪崩倍增效应不仅对信号电流有放大作用，而且对噪声电流也有放大作用。同时雪崩效应产生的载流子也是随机的，所以会引入新的噪声成分。用附加噪声因子F(大于1）可描述雪崩效应的随机性所引起的噪声增加的倍数。通常附加噪声因子可表示为：

F=g

x

式中，x称为附加噪声指数，反映了不同材料的APD的附加噪声的大小。对于Si，x=0.3~0.5；对于Ge，x=0.6~1.0；对于InGaAsP，x=0.5~0.7。

APD中表面漏电流不被倍增，热噪声与PIN的特性相同。量子噪声为：暗电流噪声为3)温度特性当温度变化时，原子的热运动状态发生变化，从而引起电子、空穴电离系数的变化，使得APD的增益也随温度而变化。随着温度的升高，倍增增益下降。为保持稳定的增益，需要在温度变化的情况下进行温度补偿。第三节数字接收机一、数字光接收机的组成数字光接收机的组成如下图所示，主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。数字光接收机组成框图

前置放大器是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前置放大器的噪声取决于放大器的类型。主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定不变。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。

均衡器的目的是对经光纤传输、光／电转换和放大后已产生畸变（失真）的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决（一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形），以消除码间干扰，减小误码率。

再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。数字光发射机的主要指标有灵敏度、误码率和信噪比。二、数字接收机的噪声在数字光纤通信系统中，传输得是由“0”和“1”组成的二进制光脉冲信号，这是一种单极性码，即光功率在“接通”和“断开”两个电平上变动。按照“1”码时码元宽度相对于码元周期T的大小，分为归零码（RZ码）与非归零码（NRZ码）两种。

RZ码的占空比小于0.5，NRZ码的占空比为1。数字光纤通信中的码元

数字信号在光纤系统中的传输接收机的噪声及其分布数字信号传输过程中由于叠加噪声及波形失真等原因，会使原来发送的“1”码，在接收端判决时被误判为“0”码；原来发送的“0”码，可能被误判为“1”码。产生误码的主要原因：光接收机的噪声特性和系统带宽的限制。下面根据数字光接收机模型简单地分析一下噪声来源。入射光脉冲为hp(t)，输出光脉冲为hout(t)。光检测器用信号电流源is及暗电流源iD表示。光检测器电容与前置放大器电容并联，形成总的输入电容。线性通道包括前置放大器、主放大器及均衡滤波器，其传递函数（包括光检测器）为ZT(w)，它具有电阻量纲，将输入电流转换成输出电压。接收机放大噪声主要来自线性通道前端的前置放大器，用等效输入噪声电流源iC表示。数字光接收机模型在这个模型中，线性通道输出的总噪声功率<n2(t)>有三项：入射光脉冲功率产生的噪声APD暗电流产生的噪声放大器产生的电路噪声因此，总噪声功率<n2(t)>为：三、数字光接收机的前置放大器电路由于前置放大器的噪声特性是影响光接收机灵敏度的主要因素之一，因此前置放大器必须有良好的噪声特性，同时还必须考虑带宽特性。前置放大器电路有三类，即低阻抗前置放大器电路、高阻抗前置放大器电路和互阻抗前置放大器电路，如下图。接收机前置放大器

(a)电压放大器;(b)高阻抗前端;(c)互阻抗前端图(a)的电压放大器是一种最简单的设计，检测光电流流过电阻后产生信号电压，然后进行电压放大。为了获得大的带宽，Rb通常取得较小（如50Ω或75Ω），直接与微波阻抗匹配，因此称为低阻抗前端。图(b)的高阻抗前端是最灵敏的设计，它的输入电阻非常高（可达1~10MΩ)，热噪声特别小。但是，它的带宽非常窄，需要增加均衡网络进行频响特性补偿，因此结构复杂。图(c)的互阻抗前端设计采用负反馈来降低输入阻抗，改善频率响应，增加动态范围。但反馈电阻的存在使设计的噪声性能比高阻抗设计稍差。四、数字接收机的性能（一）误码率误码率是衡量数字光纤通信系统传输质量优劣的非常重要的指标，它反映了在数字传输过程中信息受到损害的程度。

误码的定义：光纤数字传输系统的误码性能用误码率来衡量。即在特定的一段时间内所接收的错误码元与同一时间内所接收的总码元数之比。BER=错误接收的码元数传输的总码元数误码发生的形态和原因：误码发生的形态主要有两类：一类是随机形态的误码，即误码主要是单个随机发生的，具有偶然性；另一类是突发的、成群发生的误码，这种误码可能在某个瞬间集中发生，而其它大部分时间无误码发生。误码发生的原因是多方面的。如电缆数字网中的热噪声，交换设备的脉冲噪声干扰，雷电的电磁感应，电力线产生的干扰等。当信号从接收机均衡器输出时，由于叠加了接收机前端噪声及光纤色散等影响，使“1”电平和“0”电平的界限变得不很确定，因而判决时就有可能产生误码。如下图。

BER是在一个较长时间内的传输码流中出现误码的概率，它对话音影响的程度取决于编码方法。对于PCM而言，误码率对话音的影响程度如下表所示。接收信号脉冲(a)与它们的概率密度(b)

误码性能的评定方法：由于误码率随时间变化，用长时间内的平均误码率来衡量系统性能的优劣，显然不够准确。在实际监测和评定中，应采用平均误码率、劣化分、严重误码秒和误码秒来表示。1、平均误码率在一段较长的时间内出现的误码个数和传输的总码元数的比值。平均误码率反映了测试时间内的平均误码结果，因此适合于计量随机误码，但无法反映误码的随机性和突发性。2、劣化分每分钟的误码率劣于10-6这个阈值称为劣化分，用DM表示。我们取总观测时间为TL，它的大小可以是几天或一个月，一个取样观测时间T0为1分钟。从总观测时间TL中扣除不可用时间（连续10秒平均误码率劣于10-3）和严重误码秒后所得可用分钟。ITU―T建议该性能指标应达到在TL内累计的劣化分个数占可用分钟数时间百分数少于10%。

4、严重误码秒每秒内的误码率劣于10-3这个阈值称为严重误码秒，用SES表示。取总观测时间为TL，一个取样观测时间T0为1秒钟。ITU―T建议该性能指标应达到在TL中可用时间内累计的严重误码秒个数占可用时间秒数的时间百分数少于0.2%。5、误码秒每个观测秒内，出现的误码数为0，用ES表示。取总观测时间为TL，一个取样观测时间T0为1秒钟。ITU―T建议该性能指标应达到在TL中可用时间内累计的误码秒占可用时间秒数的时间百分数少于8%。（二）接收灵敏度1、接收机灵敏度的定义接收机灵敏度是指在满足给定误码率条件下，光端机光接口R点能够接收到的最小平均光功率电平值LR。通常用dBm作为灵敏度的衡量单位。接收机的灵敏度是光端机的重要性能指标，它表示了光端机接收微弱信号的能力。它与系统要求的误码率，系统的码速、接收端光电检测器的性能有关。2、测试方法接收机灵敏度的测试原理框图如下图所示。测试步骤如下：误码仪发送符合要求的伪随机测试信号。逐渐加大光可变衰减器的衰减量，使光端机接收到的光功率逐渐减小，这时误码仪检测到的误码率逐渐增加到规定的误码率，并维持一段时间。从R点断开光端机的连接器，将光功率计连接到光可变衰减器的输出端，读取光功率计上的数值，即是光端机能够接收的最小光功率。接收机灵敏度测试原理图（三）动态范围1、动态范围的定义光接收机对它能接收到的光功率有一个最小值（接收机灵敏度），当接收机收到的信号小于这个最小值时，系统的误码率就达不到要求。若接收机接收的光功率过大，也会使系统的误码率达不到要求。所以，为了保证系统的误码特性，光接收机收到的光功率只能在一定的范围内。这个范围就是动态范围D。

2、测试方法动态范围的测试原理图与接收机灵敏度的测试原理图一样。测试步骤如下：前三步的测试与接收机的灵敏度的测试步骤一样。将可变衰减器的输出端接回到光端机的R点，逐渐减小光衰减量，使光端机收到的光功率逐渐增大，误码率也逐渐增大到规定的值，并维持一段时间。再将光功率计接回到光衰减器的输出端，读取光功率计上的数值，即是光端机能够收到的最大光功率。根据公式算出动态范围。（四）抖动特性1、抖动的定义抖动是数字信号传输中的一种瞬时不稳定现象。即数字信号脉冲的有效瞬间对于标准时间位置的短时间偏离，称为抖动。下图为定时抖动的图解定义。抖动可分为相位抖动和定时抖动。相位抖动：是指传输过程中所形成的周期性的相位变化。定时抖动是：指脉码传输系统中的同步误差。定时抖动的图解定义抖动的大小或幅度通常可用时间、相位或数字周期来表示。目前多用数字周期来表示，即“单位间隔”，用符号UI（UnitInterval），也就是1比特信息所占有的时间间隔。例如码速率为34.363Mb/s的脉冲信号，1UI=1/34.363μs。显然它在数值上等于传输比特率的倒数。2、抖动产生的原因1.数字再生中继器引起的抖动。由于再生中继器中的定时恢复电路的不完善及再生中继器的累计导致了抖动的产生和累加。2.数字复接及分接器引起的抖动。在复接器的支路输入口，各支路数字信号附加上码速调整控制比特和帧定位信号形成群输出信号。而在分接器的输入口，要将附加比特扣除，恢复原分支数字信号，这些将不可避免地引起抖动。3.噪声引起的抖动。由于数字信号处理电路引起的各种噪声。4.其它原因。由于环境温度的变化、传输线路的长短及环境条件等也会引起抖动。3、抖动的类型1.随机性抖动。在再生中继器内与传输信号关系不大的抖动来源称为随机性抖动。这些抖动主要由于环境变化、器件老化及定时调谐回路失调引起。2.系统性抖动。由于码间干扰，定时电路幅度—相位转换等因素引起的抖动。4、抖动的容限1.输入抖动容限输入抖动容限是系统允许的输入信号的最低抖动限值，即加大输入信号的抖动值，直到设备由不误码到开始误码的这个分界点。2.输出抖动容限系统输入信号无抖动时,由于数字系统内的中继器产生抖动,并按一定规律进行累计,于是在数字系统输出端产生抖动。3.抖动转移特性指输出信号的抖动值和输入信号的抖动值之比，它是衡量光端机自身对抖动特性的传递关系。由于输入口数字信号的抖动经设备或系统转移后到达输出口，从而构成了输出抖动的另一个来源。光纤数字通信系统方框图一个完整的光纤通信系统的具体组成如下图所示五、数字接收机中的定时提取与判决再生（一）定时提取均衡器输出的信号脉冲在被判定为“1”码或“0”码时，通常在码元中心、信号最大时进行判决，因此抽样判决时刻的准确性很重要。下图示出了抽样时间偏差与BER增大倍数的关系。BER增大与抽样时间偏差的关系从图中可知，接收机的定时提取电路要有高的稳定性。在数字光纤传输系统中，有两种方法获得定时时钟信号，一是在发送的信号中单独传输时钟信号，二是从接收的数字信号中提取时钟信号。一般采用后者。定时提取电路的框图如下图所示。主放输出的数字信号先微分在全波整流，得到与要求的时钟信号同样周期的序列脉冲。然后