光检测与光接收机

第四章光接收机1什么是光接收机2光检测器3光接收机的噪声4模拟接收机的噪声分析5数字接收机的噪声分析6接收机前置放大器7数字接收机的误码率和接收灵敏度光接收机

光发送机输出的光信号，在光纤中转输时，不仅幅度会受到衰减，而且脉冲的波形也会被展宽。本章重点讨论接收机前端的噪声特性、模拟及数字接收机的性能，如信噪比或误码率、接收机灵敏度等。

光接收机作用光接收机的任务是:

以最小的附加噪声及失真恢复出由光纤传输的光载波所携带的信息。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。光接收机分类按照接收处理的信号的形式可分为：数字接收机（用于数字光纤通信系统）模拟接收机（用于模拟光纤通信系统）光接收机的构成模拟接收机：反向偏压下的光电检测器、低噪声前置放大器及其他信号处理电路组成，是一种直接检测(DD)方式。数字接收机：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放大电路jsj-21.swf。图光电检测器作用：把接收到的光信号转化成电信号。要求：高的转换效率低的附加噪声快速的响应前置放大器作用：对光电探测器输出的弱电流加以放大。要求：前置放大器必须是低噪声、宽频带放大器。前置放大器的性能优劣对接收机的灵敏度有十分重要的影响。为此，前放必须是低噪声、宽频带放大器。

主放大器

作用：主要用来提供高的增益，将前置放大器的输出信号放大到适合于判决电路所需的电平。前置放大器的输出信号电平一般为mV量级，而主放大器的输出信号一般为1V～3V(峰／峰值)。均衡器

作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最小的正余弦波形。均衡器的输出信号通常分为两路：一路经峰值检波电路变换成与输入信号的峰值成比例的直流信号，送入自动增益控制电路，用以控制主放大器的增益；另一路送入判决再生电路，将均衡器输出的正余弦信号恢复为"0"或"1"的数字信号。判决再生与时钟提取任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号为确定是‘1’或是‘0’，需要对某时隙的码元作出判决。若判决结果为‘1’，则由再生电路产生一个矩形‘1’脉冲；若判决结果为‘0’，则由再生电路重新输入一个‘0’。为了精确地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致性能评价参数1接收灵敏度2动态范围3响应时间4功耗，价格等接收灵敏度定义：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。注意事项：富裕度不同的系统要求不同动态范围定义：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。作用：宽的动态范围可以是系统结构更灵活。

决定于？

决定于非线性失真及前置放大器的饱和电平

光检测器系统要求：

(1)在工作波长上光电转换效率高，即对一定的入射光信号功率，光检测器能输出尽可能大的光电流；

(2)检测过程中带来的附加噪声尽可能小

(3)响应速度快、线性好及频带宽，使信号失真尽量小；

(4)高可靠长寿命，尺寸可与光纤直径相配，工作电压低等。两类常用的光检测器1PIN光电二极管2雪崩光电二极管光电二极管工作原理

光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。如前节所述，在PN结界面上，由于电子和空穴的扩散运动，形成内部电场。内部电场使电子和空穴产生与扩散运动方向相反的漂移运动，最终使能带发生倾斜，在PN结界面附近形成耗尽层如图下。当入射光作用在PN结时，如果光子的能量大于或等于带隙(hf≥Eg)，便发生受激吸收，即价带的电子吸收光子的能量跃迁到导带形成光生电子-空穴对。在耗尽层，由于内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动，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，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流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。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。这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子-空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管(PD)。

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。

PIN光电二极管结构：

由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。

PIN光电二极管的工作原理

中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用Π(N)表示；两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。I层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子-空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。

当光从P区一侧入射，则光能量在被吸收的同时仍继续向N区一侧延伸吸收，在经过耗尽层时，由于吸收光子能量，电子从价带被激励到导带而产生电子空穴对（即光生载流子），并且在耗尽层空间电场作用下，分别向N型区和P型区相互逆方向作漂移运动，并形成电流。

然而，在耗尽层以外的区域因为没有电场作用，

所以由光电效应产生的电子空穴对，在扩散运动中相遇发生复合，从而消失。不过在扩散运动过程中，也有些扩散距离长的电子空穴将进入耗尽层，在耗尽层和空间电场的作用下进入对方区域。于是在P区和N区两端之问产生与被分隔开的电子和空穴数量成正比的电压。若与外电路连通，这些电子就可经外部电路与空穴复合形成电流。如图

所示。

PIN-2.swf

这里，在耗尽层之外形成的电流叫扩散电流，扩散电流的运动速度比漂移电流的运动速度慢得多，使频率特征变坏。由于在PN结处存在着空间电场，使进入空间电场区的电子和空穴二者逆方向移动。如从外部对PN结施加反向偏压(即P侧加(-)，N侧加(+)以后，结处的空间电场(即耗尽层内的自建电场)被加强，从而加快了载流子的漂移速度。光电二极管的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。吸收系数在厚度W内被材料吸收的光功率可表示为：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。光检测器吸收光功率后产生的一次光电流可表示为：两种Si-PIN

的结构正面入射结构优点：侧面入射结构优点：适合短波长图3.21正面PIN光电二极管结构两种InGaAs-PIN的结构(长波长)顶部入射结构特点：低量子效率，尺寸不能做得很小底部入射方式特点：尺寸小，电容低适合长波长

雪崩光电二极管(APD)

光电二极管输出电流I和反偏压U的关系示于图下。随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。APD就是根据这种特性设计的器件。

图光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系

图APD载流子雪崩式倍增示意图

光生的电子或空穴经过高场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离,从而激发出新的电子空穴对，这个过程称为碰撞电离。通过碰撞电离产生的电子空穴对称为二次电子空穴对。新产生的电子和空穴在电场区中运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，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。雪崩效应倍增因子：

g=IM/IP

倍增增益常取统计平均值G=<g>影响因素：

载流子的电离系数雪崩区宽度反向偏压

倍增因子和倍增增益

一次光电流倍增输出电流的平均值载流子的电离系数定义：一个载流子在晶格中渡越单位距离所产生的雪崩电子空穴对数。空穴电离系数电子电离系数K值小的材料制作的APD可获得低的噪声，高的增益，大的增益带宽积。雪崩区宽度为了降低偏置电压，需设法使雪崩过程仅发生在很薄的区域内，即仅在该区域内才有雪崩所需的高电场，其余区域则电场较低。于是设计了拉通型的APD。

Si-APD的结构有多种类型，如图下示出的N+PΠP+结构被称为拉通型APD。在这种类型的结构中，当偏压加大到一定值后，耗尽层拉通到Π(P)层，一直抵达P+接触层，是一种全耗尽型结构。拉通型雪崩光电二极管(RAPD)具有光电转换效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。

拉通型RAPD

P型半导体，为倍增层轻掺杂半导体π层，为漂移区为接触层，低电阻高掺杂的N+型半导体，为接触层，低电阻高掺杂的P+型半导体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，使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。图APD结构图Ge-APD优点：在1-1.6um吸收系数大，因此灵敏度高、响应时间快，击穿电压低。缺点：过剩噪声大，暗电流大，限制了倍增增益及检测灵敏度。SAM-APD管的结构SAM-APD管的结构

图APD增益与偏置电压关系1.APD增益与偏置电压：

APD的击穿电压APD的内阻相关常数

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。光电二极管的工作特性1响应波长2光电转换效率3响应速度4暗电流响应波长上限截止波长：图3-22PIN光电二极管相硬度、量子效应率与波长的关系内量子效率和带宽的关系

back下限波长当入射光波长太短时，光变电的转换效率也会大大下降，当入射光波长很短时，材料的吸收系数变得很大，结果使大量的入射光于在光电二极管的表面层里就被吸收。光电二极管的表面层往往存在着一个零电场的区域，当电子—空穴对在零电场区里产生时，少数载流于首先要扩散到耗尽区，然后才能放外电路收集。但在这个区域中，少数载流子的寿命时间很短，扩散速度又慢，电子—空穴对往往在被检测器电路收集以前就已被复合掉，从而使检测器的光电转换效率降低。

η=光电转换产生的有效电子—空穴对数入射光子数工程上常用来衡量光电转换效率。光电二极管的量子效率表示入射光子能够转换成光电流的概率。量子效率当入射功率中含有大量光子时、量子效率可用转换成光电流的光子数与入射的总光子数的比来表示：要得到高量子效率，必须采取如下措施1减小入射表面的反射率：2尽量减小光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区被充分地吸收。响应度响应度是描述光检测器能量转换效率的一个参量。雪崩管需考虑增益图

PIN光电二极管响应度、量子效应率与波长的关系例题用带隙能量为0.75eV的材料制造的雪崩光电二极管，量子效率为70%，增益为20，计算其响应度。响应速度影响因素：1光电二极管和它的负载电阻的RC时间常数2载流子在耗尽区里的渡越时间3耗尽层外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟

光电检测及其等效电路光检测器结电容放大器输入电阻，电容渡越时间电路时间常数的影响真空介电常数相对介电常数结电容结宽度结面积内量子效率和带宽的关系

暗电流暗电流是指无光照时光电二被管的反向电流。光接收机的噪声影响光接收机性能的主要因素是接收机内的各种噪声源。什么是噪声1)噪声的数学表示噪声是一种随机性的起伏量，它表现为无规则的电磁场形式，其瞬时电压Vn(t)的变化形式如图下所示。噪声是电信号中一种不需要的成分，它干扰实际系统中信号的传输和处理，影响和限制了系统的性能。特点：

噪声电压Vn(t)的振幅、相位等均随时可作无规则的变化，其瞬时值的平均为零，即E（Vn(t)）＝0，因而无法用平均值来评价噪声的大小。

表示：

从统计理论上讲，其均方差<Vn2(t)>则是完全确定的，这表示单位电阻(1欧)上所耗损的平均功率，并可用功率电表测量。因此，噪声的大小可用<Vn2(t)>来判定，而Vn(t)的均方根值()为噪声电压的有效值。举例噪声谱密度在正频域内，电阻R的热噪声电压和电流的谱密度：光接收机中的噪声源

在光接收机中，可能存在多种噪声源，具体见下图：

量子噪声(或散弹噪声)来自单位时间内到达光检测器上信号光子数的随机性，因此它与信号电平有关。在采用APD作光检测器时，倍增过程的统计特征产生附加的散弹噪声，它随倍增增益而增加。光检测器中的其他噪声源来自暗电流及漏电流，它们均与光照无关，在小信号时光检测器的偏置电阻及放大器电路的热噪声往往起重要作用。

量子噪声(或散弹噪声)来自单位时间内到达光检测器上信号光子数的随机性，它与信号电平有关。 在采用APD作光检测器时，倍增过程的统计特征产生附加的散弹噪声，它随倍增增益而增加。 光检测器中的其他噪声源来自暗电流及漏电流，它们均与光照无关，在小信号时光检测器的偏置电阻及放大器电路的热噪声往往起重要作用。

噪声计算信号光检测过程噪声电路噪声接收机等效电路及放大器电路噪声光检测器被认为是一个理想的容性电流源；接收机的唯一噪声源将是前置放大器的噪声。假定这些噪声具有高斯统计特征，其频谱是平坦的(即为白噪声)，且互不相关[统计独立的]，则它们可用两个噪声谱密度来表示：

SI—并联噪声电流源谱密度(A2／Hz)，它包括前置放大器第一级的噪声电流(主要是Ra的热噪声)及光检测器负载电阻Rb的热噪声；

SE——串联噪声电压源谱密度(v2／Hz)，代表放大器通道的串联噪声源。这时，前置放大器被看做为无噪声的理想放大器。前置放大器和主放大器一起构成电压放大器，其频响函数为A(ω)。放大到足够大的信号送到均衡滤波器，其频响函数为H(ω)，输出信号的电压为Vs(ω)。包括滤波器在内的放大器链称为接收机的线性通道。系统传递函数：输入光信号电流is(t)的傅里叶变换输出信号电压总的输入阻抗光检测器的噪声

(1)光信号入射到光检测器上时的随机起伏及光电子产生和收集过程的统计特征。信号光电流中不但有信号成分，还有噪声成分，这种噪声称为量子噪声(或散弹噪声)，它与信号电平成正比。

(2)

对于APD，由于倍增过程的统计特征而产生附加的散弹噪声，它随倍增增益的增加而增加。

(3)无光照时光检测器中流通的暗电流，这也是一种散弹噪声，且受倍增的影响。(4)表面漏电流产生的散弹噪声，与倍增过程无关。

(5)背景噪声。量子噪声

源自光的波粒二重性。对于频率为f的光场，每个光子的能量为hf。设光束功率为P，则单位时间内的光子数为P／hf。理论和实验都证明，光束中的这些光子是以其统计平均值为中心作随机波动的。这种随机起伏的光子入射到光检测器上时，产生的电子空穴对也具有随机起伏，导致所谓量子噪声。显然，量子噪声是由光的本质决定的，必然附着在信号上，成为接收机灵敏度的最终限制。

AP