光纤通信5第五章光检测器与光接收机

光纤通信简明教程总学时数40周学时4光纤通信原理全面表达光纤损耗特性

197020dB/km

现0.2dB/km袁国良李元元编著主要参考书

方强《光纤通信》

西安电子科技大学出版社孙学康《光纤通信技术》

北京邮电大学出版社1目录第1章光纤通信概述第2章光纤的物理学基础第3章光纤第4章光源和光发射机第5章光检测器和光接收机第6章光纤通信系统与工程第7章SDH技术第8章光放大和色散补偿技术第9章波分复用技术第10章光纤通信的高新技术2第5章光检测器和光接收机本章内容5.1光检测器5.2光电检测器的工作特性5.3光接收机5.4光接收机的噪声5.5光接收机的误码率和接收灵敏度3第5章光检测器和光接收机5.1光检测器1.光纤通信对光电检测器的主要要求(1)在工作波长上光电转换效率要高，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。将收到的光信号转化为电信号用于光纤通信的光检测器是利用光电效应把光信号转化为电流信号的光子器件。4第5章光检测器和光接收机2．半导体的光电效应当光子照射到物体上时，它的能量可以被物体中的某个电子全部吸收，如果电子吸收的能量足够大，超过了克服脱离原子所需要的电离能和脱离物体表面时所需的溢出功，电子就可以离开物体表面脱逸出来，成为光电子，这就是光电效应。5第5章光检测器和光接收机2．半导体的光电效应图b是PN结及其附近的能带分布图，能带的高低是以电子（负电荷）的电位能为根据的，电位越负，能带越高。由于光子的能量为hf，半导体光电材料的禁带宽度为Eg，则当光照射光电二极管上时，若hf≥Eg时就会产生光生“电子－空穴”对（光生载流子）。6第5章光检测器和光接收机2．半导体的光电效应设fc为截止频率，λc为截止波长，则Eg＝hfc，

所以λc＝hC/Eg

当入射光波长λ<λc时，入射光才能被半导体材料吸收产生光生载流子。当入射光变化时，光生电流随之做线性变化，从而把光信号转化成电信号，这种由受激吸收产生的“电子－空穴”对的运动，在闭合电路中产生光生电流的器件就是简单的光电二极管7第5章光检测器和光接收机3．PIN光电二极管为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，在P型材料和N型材料之间加一个I层（本征耗尽层），它是轻掺杂的N型材料，由于掺杂浓度较轻，电子浓度很低，经扩散可以形成一个很宽的耗尽层。这就是PIN光电二极管（PIN-PD），如图5-1-2所示。8第5章光检测器和光接收机

APD的工作原理是利用半导体材料的雪崩倍增效应制成的。图为拉通型雪崩光电二极管(RAPD)的结构示意图和电场分布图。4．雪崩光电二极管9第5章光检测器和光接收机4．雪崩光电二极管（1）工作原理雪崩光电二极管在结构设计上已考虑到能承受高反向偏压，在PN结内部形成一个高电场区。光生载流子经过高场区时被加速，获得足够能量，它们在高速运动中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，激发出新的电子－空穴对（碰撞电离），这个电子－空穴对称为二次电子－空穴对。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。

（2）结构常用的APD有两种类型

保护环型（GAPD）拉通型（RAPD）

10第5章光检测器和光接收机4．雪崩光电二极管保护环型（GAPD）为防止扩散区边缘的雪崩击穿，在制作时先沉积一层环行N型材料然后高温推进，形成一个深的圆形保护环，在保护环和P区之间形成浓度缓慢变化的缓变结，从而防止了高反向偏压下PN结边缘的雪崩击穿。特性：具有高灵敏度。雪崩增益随偏压变化的非线性十分突出，要想获得足够增益，必须在接近击穿电压下使用，而击穿电压对温度非常敏感，当温度变化时，雪崩增益也随之发生较大的变化。GAPD结构11第5章光检测器和光接收机4．雪崩光电二极管拉通型（RAPD）由N+区、P区、I区和P＋区四层结构组成.①未加电压时，N＋区与P区形成PN结。

P区掺杂较轻，耗尽区较宽。加小的反偏压时，耗尽区增宽，继续增大反向偏压，耗尽区延伸到P＋区。

APD二极管的击穿电压VB

对温度很敏感，需进行温度补偿。12第5章光检测器和光接收机5.2光电检测器的工作特性光电检测器的工作特性参数很多，PIN-PD的主要工作特性有的响应度和量子效率、响应时间、暗电流等，由于APD有雪崩倍增效应，所以APD除了上述参数外还包括倍增因子、过剩噪声指数等。13第5章光检测器和光接收机1响应度和量子效率响应度是描述这种器件光电转换能力的物理量。光电转换能力也可以从另一个角度描述，这就是量子效率η，定义为产生的光生电子-空穴对数占入射光子数的百分比。式中，Ip

是光生电流，P0

为入射光功率hf为光子能量，e为电子电荷。14第5章光检测器和光接收机结论：响应度与量子效率、入射光波的频率有关。

R和η都是描述器件光电转换能力的物理量，只是分析的角度不同。R和η之间的关系为要提高量子效率，必须采取如下从措施：尽量减小光子在表面层的反射率，增加入射到光电二极管中的光子数。②尽量减小中性区的厚度，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区被充分地吸收。15第5章光检测器和光接收机2．响应时间响应时间是描述光电检测器对光信号变化响应速度快慢程度的物理量，一般用上升时间和下降时间来表示。所谓上升时间是PD受阶跃光脉冲照射时，输出脉冲前沿的10%点到90%点之间的时间间隔来衡量，如图所示。16第5章光检测器和光接收机渡越时间：是指耗尽区内产生的光生载流子穿越耗尽层所需要的时间，用td表示td＝W/vd

,W－耗尽层宽度，vd－载流子的漂移速度。2)扩散时间：在耗尽区以外产生的载流子要产生扩散，扩散时间用τi来表示。如果扩散区的电场很小，扩散时间很长，由于τi的存在会产生脉冲拖尾。光检测器的响应时间受三个因素影响17第5章光检测器和光接收机光检测器的响应时间受三个因素影响3)电路的影响：光电检测电路会对响应时间产生影响，不同的电路时间常数，产生的上升时间是不同的。光检测器的10％－90％电路上升时间近似为τRC=2.2RTCT式中：RT－电路的总电阻，CT－电路的总电容。考虑上述三个因素的影响，则总的上升时间为

τ=(τ2RC+τ2d+τ2i)1/2

带宽与上升时间有关，一般情况带宽为上升时间倒数的数量级。好的Si－PIN上升时间τ可达500PS以下，Ge－PIN上升时间τ可达100PS以下。18第5章光检测器和光接收机3．响应波长产生光电效应的条件是由光电效应发生的条件可知，对任何材料制作的光电二极管都存在截止波长，表达式为

但是，入射光波长太短时，光电转换效率会大大降低，原因是材料对光的吸收系数是波长的函数。19第5章光检测器和光接收机4．暗电流是指在规定的反向电压下无光照射时光电二极管的反向电流。

暗电流引起光接收机噪声增大，希望越小越好

Ge

材料的光电二极管暗电流达到几百纳安

Si

材料的光电二极管暗电流只有不到1纳安

InCaAs材料的光电二极管暗电流也很小暗电流器件表面的泄漏电流－晶体表面缺陷造成流经体内的本体暗电流－由热激励产生的电子空穴对组成20第5章光检测器和光接收机对于APD，由于发生雪崩倍增效应，所以APD还需要用倍增特性来描述。APD的倍增特性有倍增因子G、过剩噪声指数x等。倍增因子定义为G：为有雪崩倍增时光电流的平均值IM与无雪崩倍增时光电流的平均值IP的比值G=IM/IP

5．倍增特性

APD的倍增因子G随反向电压VB的升高而增大。APD的G值一般在40－100之间；21第5章光检测器和光接收机5．倍增特性雪崩倍增效应也会引起倍增噪声，这时因为在APD中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，这将导致倍增增益产生波动。通常用噪声系数F（G）来表示，在实际使用过程中F（G）常常近似表示为F（G）＝Gx式中x为过剩噪声指数，与器件所用的材料和制造工艺有关，x越大，则F（G）越大。所以应选择APD的x小的管子。22第5章光检测器和光接收机5.3光接收机1．光接收机的组成直接检测数字光纤通信接收机一般由三个部分组成，即光接收机的前端、线性通道和数据恢复三个部分，如图所示。

均衡滤波判决器译码器自动增益控制时钟恢复前放前端线性通道数据恢复主放23第5章光检测器和光接收机1)光接收机前端光接收机前端的作用是将光纤线路末端耦合到光电检测器把光比特流转变为时变电流，然后进行预放大，以便后一级进一步处理。光接收机前端一般由光电检测器和前置放大器组成。

24第5章光检测器和光接收机前置放大器应具有无失真的检测和恢复弱信号的能力，这就要求前端应具有低噪声、高灵敏度和足够的带宽。根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案。

(1)低阻抗前端。

(2)高阻抗前端

(3)跨(互)阻抗前端1)光接收机前端25第5章光检测器和光接收机1)光接收机前端(1)低阻抗前端°°前置放大器无反馈低电阻前端从频带要求出发，使光检测器的负载电阻RL满足RL≤(2πΔfCt)－1Δf为码速率所要求的前端带宽，Ct为前端电路的总电容。优点：线路简单、动态范围较大且无需均衡。缺点：由于输入阻抗低电路噪声大、灵敏度低。26第5章光检测器和光接收机1)光接收机前端

(2)高阻抗前端为减小低阻抗前端热噪声，可采用高阻抗前端设计方案，但是负载阻抗RL增大使前置放大器带宽和动态范围减小。当比特率较高时，输入端信号的高频分量损失大，需采用很强的均衡来补偿高频分量损失。所以，高阻抗前端一般只适用于低速系统。27第5章光检测器和光接收机1)光接收机前端(3)跨(互)阻抗前端°°GRL前置放大器跨阻抗前端这种前端将负载电阻连接为反相放大器的反馈电阻，它是一个性能优良的电流－电压转换器，即使RL很高，而负反馈使有效输入阻抗降低了G倍，从而使其带宽比高阻抗前端增加了G倍，动态范围也提高了。所以，具有频带宽、噪声低、灵敏度高、动态范围大的优点。28第5章光检测器和光接收机1)光接收机前端右图为一400Mb/s跨阻抗前端电路图（第一级采用电压负反馈，第二级采用射极补偿以提升高频分量）为了减少引线电容等杂散电容，提高响应速度和灵敏度，通常采用混合集成工艺，将光电二极管与场效应管前置放大器集成在一起，做成PIN－FET光接收机组建。+V°°°+5V输出29第5章光检测器和光接收机1)光接收机前端光接收组件其功能是将经光纤传输的光信号经组件内的光电二极管还原成电信号。因此，组件的核心是光电二极管和前置放大器。为了输入与输出有良好的匹配，组件内还有阻抗匹配网络。为了使光电二极管工作，还需要配置直流偏置电路。为避免光返回光纤，还应采取防反射措施。30第5章光检测器和光接收机光接收机的线性通道由一个高增益的主放大器和一个均衡滤波器组成，还包括峰值检测和自动增益控制(AGC)电路，用来控制放大器增益。因为主放大器和一个均衡滤波器起一个线性系统的作用，故可称为线性通道，如下图所示。2）线性通道31第5章光检测器和光接收机主放大器的作用有两个方面：（1）将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。（2）它还是一个增益可调节的放大器。当光检测器输出的信号出现起伏时，通过光接收机的自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的输出信号在一定范围内不受输入信号的影响。对APD光接收机还通过控制APD的偏压来控制雪崩增益。2）线性通道32第5章光检测器和光接收机2）线性通道对于一个实际的传输系统（包括信道、放大器、均衡滤波器等），其频带总是受限的。对于一个频带受限系统，它的时域将是无限的，也就是说它的输出波形必定有很长的拖尾，使前后码元波形重叠，引起码间干扰，导致误码判决。尽管频带受限系统的时域波形总会有拖尾，但我们可以设计具有特定频谱的波形，使其在判决其它码元的时刻，拖尾值为零。通过均衡电路对失真的数字信号进行整形、输出为码间干扰尽可能小、有利于判决的波形。通常将输出波形均衡成具有升余弦频谱函数（相频特性为线性）的特性，此时码间干扰最小，最有利于判决。33第5章光检测器和光接收机2）线性通道升余弦频谱函数为对上式进行傅立叶逆变换，得线性通道的响应为上式中的hout（t）相应于线性通道输出的电压脉冲Vout（t）的形状。在t＝0判决时刻，hout（t）＝1，信号最大；当t＝m/B时hout（t）＝0，而t＝m/B，对应于相邻比特判决时刻，所以，本码不会干扰邻码。34第5章光检测器和光接收机本码判决时刻邻码判决时刻t0T2T3T4T均衡前的脉冲波形本码判决时刻邻码判决时刻t0均衡后的脉冲波形2TT3T4T2）线性通道通过比较知道，没有均衡滤波器的输出波形不利于判决，经过均衡后的波形，在本码判决时刻，波形的瞬时值应为最大值；而这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零。这样，即使经过均衡以后的输出波形仍有拖尾，但是这个拖尾在邻码判决的这个关键时刻为零，从而不干扰对邻码的判决。因此均衡滤波非常重要。35第5章光检测器和光接收机3）数据恢复数据恢复电路由判决电路和时钟恢复电路组成，如果需要与电端机接口，还需要解码、解扰和编码电路，如下图所示。36第5章光检测器和光接收机将升余弦波恢复成数字信号（首先要提取正确的时钟，适当移相后在最佳时刻对升余弦信号取样，与阈值比较以确定“0”或“1”，实现数据重建）为了能从均衡器的输出信号判决出是“0”码还是“1”码，首先要设法知道应在什么时刻进行判决．亦即应将“混在”信号中的时钟信号（又称定时信号）提取出来．3）数据恢复37第5章光检测器和光接收机信号再生示意图3）．数据恢复接着再根据给定的判决门限电平，按照时钟信号所“指定”的瞬间来判决由均衡器送过来的信号．若信号电平超过判决门限电平，则判为“l”码；低于判决门限电平，则被判为“0”码．从而把升余弦频谱脉冲恢复（再生）为“0”，“1”码信号．38第5章光检测器和光接收机3）数据恢复眼图：由于经过均衡的信号是变了形的数字码流，用示波器观看时看到的是一种与眼睛相似的图案，称为眼图。眼图形成条件：

a、观测的二进制码流具有随即性（非周期规则码），在同步触发扫描下每帧图案不同。

b、示波器的余晖时间要远大于扫描的重复周期，在同步触发下，相互叠加显示稳定的眼图。

c、数字码流中的脉冲已经不是理想的矩形脉冲，成了升余弦波形。对眼图的要求：眼图张开越大越好，线条要清晰，图形要稳定，单线最好，对称性好。39第5章光检测器和光接收机眼图分析法：最佳取样时间相应于在“1”和“0”信号电平相差最大的位置，可由眼图决定，它由不同比特电脉冲顶部叠加而成，上图为理想的眼图，下图为噪声和时间抖动导致的半张半闭退化眼图，最佳取样时间相应于眼睛睁开最大处的时间。3）数据恢复40第5章光检测器和光接收机均衡器移相嵌位、整形非线性处理整形限幅调谐放大时钟恢复电路方框图3）数据恢复时钟恢复：是指将f＝B的谱分量（时钟信号）与接收信号分离，向判决电路提供码间隔TB＝1/B的时钟信息，使判决过程同步。41第5章光检测器和光接收机2．辅助电路(1)钳位电路

为了使输入判决器的信号稳定，在判决器前面加有钳位电路，它将已均衡波的幅度底部钳制在一个固定的电位上。(2)温度补偿电路

由于光接收机环境温度变化时，雪崩管的增益将发生变化，导致接收机的灵敏度发生变化。为了尽可能减少这种变化，就需要给雪崩管的偏压加温度补偿电路，使雪崩管的偏压随温度产生相应的变化。(3)告警电路

当输入光接收机的光信号太弱或无光信号时，则由告警电路输出一个告警信号至告警盘。42第5章光检测器和光接收机3．光接收模块和集成光接收机光接收模块是指将包括PD管芯和前置放大器以及阻抗匹配电路和电路状态监视/警示电路，再加上若干光学元件集成在一个管壳内并形成光接收功能的器件。集成光接收机与光接收模块不同，它是采用集成电路工艺技术把所有的元件集成在一个芯片上。43第5章光检测器和光接收机集成光接收机设计制造有两种方案，一种称为混合集成光接收机，它将电子器件集成在GaAs芯片上，而将光电二极管制造在InP芯片上，然后将InP芯片按下图所示倒装式接合法，堆叠在GaAs芯片上，使这两个芯片连接起来。44第5章光检测器和光接收机4.光收发一体模块光收发一体模块是将传统的分离发射、接收组件合二为一密封在同一管壳内的新型光电器件。它具有如下优点：小型化、低成本、高可靠性和高性能，在数据通信和电信传输中均有广阔的应用前景。45第5章光检测器和光接收机5．4光接收机的噪声噪声电磁干扰—来自空间的无线电波、周围电器设备及电源波纹等随机噪声—光电转换及放大过程中的随机因素所引入的随机噪声按噪声机理散粒噪声热噪声按引入部位等光电检测器噪声放大器噪声量子噪声电流倍增噪声散粒噪声热噪声46第5章光检测器和光接收机5．4光接收机的噪声

研究光接收机噪声的目的

在一个完整的光纤通信系统中，光接收机是重要组成部分。可以想像，在满足误码率（或信噪比）指标要求下，如果需要输入接收机的光功率低，则表明这个光接收机的灵敏度高，性能好．那么为什么光接收机的输入功率不能无限制地降低呢？显然，是受到了系统中噪声的限制．主要是光电检测器和前置放大器噪声。47第5章光检测器和光接收机5．4光接收机的噪声对于多级放大器的线性通道来说也会产生噪声，但主要取决于前置放大器噪声，因为会被后面的线性通道放大。为了研究光接收机的性能，就需研究光纤通信系统的噪声，首先是从接收机这端引入的噪声。48第5章光检测器和光接收机5．4光接收机的噪声光接收机的噪声是与信息无关的随机变量，噪声源从引入过程来分，可分为两类：光电检测器引入的噪声和接收机电路引入的噪声。49第5章光检测器和光接收机①量子噪声出现这种噪声的原因是：由于光波的传播是由大量光量子（光子）传播来进行的．例如：lmw

频率为f＝1015Hz的光功率，所对应的每秒钟接收到的光子数n

应为式中，hf

是一个光子具有的能量这样大量的光量子其相位和幅度都是随机的。因此，光电检测器在某个时刻实际接收到的光子数，是在一个统计平均值附近浮动，因而产生了噪声。从噪声产生的过程看出，这种噪声是顽固地依附在信号上的，用增加发射光功率，或采用低噪声放大器都不能减少它的影响．因而，它限制了光接收机的灵敏度指标。50第5章光检测器和光接收机②光电检测器的暗电流噪声当没有光照射时，在理想条件下，光电检测器应没有光电流输出。但是，实际上由于热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光的情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流，是一种散粒噪声。又因上述各种激励条件是随机的，因此，暗电流亦是随机浮动的，从而形成了暗电流噪声。③雪崩管倍增噪声由于雪崩管的光电倍增作用是随机的，是一个十分复杂的过程．这种随机性，必然要引起雪崩管输出信号的浮动，从而引入噪声。51第5章光检测器和光接收机漏电流噪声：是由于器件表面物理特性不完善所致，它与表面积的大小及偏置电压有关。背景噪声：是指输入光信号的热噪声，与频率无关，是一种白噪声，一般不大，可以忽略。热噪声：是指在有限温度下，导电媒质内自由电子和震动离子间热相互作用引起的一种随机脉动，一个电阻中的这种随机脉动，即使没有外加电压也表现为一种电流波动，是一种白噪声。热噪声与光电源无关，即使没有光功率输入，热噪声还是存在。52第5章光检测器和光接收机⑦光接收机的放大器噪声在强度调制系统的光接收机中，把光信号变为电信号之后，还要经过一系列电的放大等电路系统。在这些电路中，电阻将引入热噪声；晶体管亦将引入噪声，尤其是前置放大器晶体管引人的噪声影响更为严重．在一个多级放大器中，每一级放大器都可能引入附加的噪声，而且在每一级放大器里，噪声和信号都将同样地被放大。在这种情况下多级放大器的第一级就显得至关重要。只要第一级放大器的增益足够高，后面各级放大器对噪声的影响就比较小。所以我们更关心的是前置放大器的噪声．53第5章光检测器和光接收机噪声的评价方法噪声是一种随机性的起伏量，表现为无规则的起伏，是电信号中不需要的成分，它会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。

由于噪声电压Vn(t)的振幅、相位等均随时间作无规则的变化，其瞬时值的平均为零，即<Vn(t)>=0，因而无法用平均值来评价噪声的大小。但是，其均方值<V2n(t)>是完全确定的，因此，噪声的大小可以用均方值来表示。54第5章光检测器和光接收机1）噪声的大小可以用均方值来表示对于散粒噪声，入射光功率产生的光电二极管电流（忽略平均暗电流Id）为I(t)=Ip+is(t)式中：Ip＝RPo为光检测器输出的平均光电流；is为散粒噪声的电流起伏。则均方散粒噪声σ2S=2eIPΔf式中Δf为接收机带宽。对于热噪声，产生的原因是负载电阻RL内部的自由电子或电荷载流子的不规则热运动引起的噪声。附加的热噪声用iT(t)表示，则均方热噪声电流为

σ2T=<iT(t)>=(4kBT/RL)Δf式中：kB＝1.38×10-23JK-1为玻耳兹曼常数；T为绝对温度如果放大器的噪声指数为Fn，则该噪声经放大器要扩大Fn倍。由此获得总的均方噪声电流为σ2=σ2S+σ2T55第5章光检测器和光接收机2）信噪比（SNR)信噪比(SNR)是评价光接收机性能的重要指标，其定义为平均信号功率和噪声功率的比值按照这个定义，对所有光接收机的各个过程引入的噪声都可以做定量分析。对于PIN接收机，热噪声通常占主导地位，散粒噪声可以忽略，则PIN光接收机的信噪比为：上式表明，在热噪声限制下，SNR与PO的平方成正比，而且与RL成正比，这说明可以通过使用大的负载电阻RL来提高SNR，这也是大多数光接收机采用高阻抗或互阻抗前端的原因之一。56第5章光检测器和光接收机1．光接收机的误码率分析光接收机的误码率BER定义为错误接收的码元数与传输的码元总数的比值。对于数字光接收机，数字信号的恢复是由判决电路