光纤通信4-光检测器与光接收机

光检测器光检测器与光接收机第四章主要内容光检测器工作原理光电二极管的工作特性光接收机光接收机的噪声数字接收机的灵敏度光电二极管（PD）光检测器利用光电效应实现。PN势垒耗尽层光子进入PN结，价带的电子受激吸收将被激发到导带，产生一对光生载流子，受内建电场的作用，光生载流子的电子向N区漂移，空穴向P区漂移，载流子移动到外部电路形成光电流。§4.1光检测器工作原理外光电效应内光电效应真空光电二极管半导体光电二极管1、半导体光电二极管光生电流包括：漂移电流--耗尽区的光生载流子在电场作用下运动形成的电流扩散电流扩散电流----P区的光生载流子形成的电流

N区的光生载流子形成的电流光检测器:检测通过光纤传来的光信号将光功率转换为电流输出。光电检测器电流输出光波输入空间电荷区扩散电流漂移电流增大漂移电流，减小扩散电流扩散电流，光电转换效率低，响应速度慢漂移电流,光电转换效率高，相应速度快增加PN结的反偏耗尽层加偏置电压的好处：加大耗尽区的宽度，加强漂移电流的影响，减少扩散电流的比例，提高响应速度。同时，提高了电光转换效率。但增加有限。另一种加大耗尽层的方法是引入本征半导体（I型半导体）增大漂移电流的方法2、PIN光电二极管结构：PN结之间加了一层本征半导体（I层）PIN特点：I区的耗尽区很宽，入射光很容易产生光生电子空穴对，形成漂移电流；提高了响应速度。另外，I区的吸收系数小，因而光电转化效率高。一、结构及特点在p区和n区之间插入I区，增加了耗尽区的宽度，使得大部分的入射光在耗尽区被吸收，因此大部分的载流子也在此区域内产生。耗尽区的高电场使得电子-空穴对迅速分开并在反向偏置的结区中向两端流动，然后在边界处被收集，从而在外电路中形成电流。吸收系数被吸收的光功率产生的光电流光功率衰减w耗尽区宽度由于吸收系数取决于光波长，因此，特定的半导体材料只能应用在有限的波长范围内。光吸收系数与波长的关系曲线?1eV=1.602×10-19J电子伏（electronvolt），符号为eV，是能量的单位。代表一个电子（电量为-1.6×10-19库伦）经过1伏特的电位差加速后所获得的动能。临界波长1

）雪崩光电二极管的的结构3、雪崩光电二极管(APD)高掺杂的型半导体，为接触层；

P型半导体，为倍增层（或称雪崩区）；I轻掺杂半导体I层，为漂移区（光吸收区）；N+高掺杂的型半导体，为接触层。当外加的反向偏压(约100V—150V)比PIN情况下高得多时，这个电压几乎都降到P结上。特别是在高阻的PN结附近，电场强度可高达105V/m，已经高出碰撞电离的电场。2

）雪崩光电二极管(APD)的工作原理此时若光从P区照射，则和PIN一样，大部分光子将在较厚的I层被吸收，因而产生电子、空穴对。入射光功率产生的电子空穴对经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使晶格中的原子电离，产生新的电子空穴对。新的电子空穴对受到同样加速运动，又与原子碰撞电离，产生电子空穴对，称为二次电子空穴对。如此重复，使强电场区域中的电子和空穴成倍的增加，载流子和反向光生电流迅速增大，产生雪崩现象,这个物理过程称为雪崩倍增效应。雪崩过程倍增了一次光生电流，因此，在雪崩光电二极管内部就产生了放大作用。雪崩光电二极管就是这样既可以检测光信号，又能放大光信号电流。高电场光一次电子光电检测器—光电二极管§4.2光电二极管的工作特性量子效率响应度响应带宽

APD的倍增系数噪声1、量子效率

2、响应度：响应度表征了光电二极管的能量转换效率e是电子电荷，h是普朗克常数R的单位为A／W光电二极管的主要特性参数光电二极管光子数s电子数m

波长λ的单位取μm响应度随波长增加而增大。例一PIN光电二极管，半导体材料为InGaAs，量子效率大约为90％，工作波长为1300nm，求响应度。

3、APD光电二极管的倍增因子M雪崩增益后输出电流的平均值未倍增时的初级光电流加在PN结的有效电压雪崩电压适配因子，与材料及结构有关mM例：一种硅APD在波长900nm时的量子效率为65％，假定0.5uW的光功率产生的倍增电流为10uA，试求倍增因子M。倍增因子M为：因此，初级光电流被放大了43倍。初级光电流为：解：4、光电检测器的噪声

暗电流噪声

量子噪声

热噪声

入射光子激发的电子空穴的随机性产生的电流PIN在反偏情况下，没有外来的光时产生的电流电阻的热噪声散粒噪声是一种电流涨落is(t)，由随机时间产生的电子流组成，考虑散粒噪声引起的电流波动时，由恒定光信号功率产生的光电二极管的电流可写为为光检测器平均电流为噪声电流散粒噪声谱密度在整个频域为常数，为白噪声噪声谱密度噪声方差为Δf是接收机的有效噪声带宽是在产生光电流的过程中产生的PIN光电二极管（1）量子(散粒)噪声APD的倍增因子本身也是随机变化的，M仅是取其平均值。FA为APD的过剩噪声因子kA=0时，FA不超过2；kA=1时，FA保持FA＝M方式增大，

FA随M线性增大。为减小FA，kA应尽可能小。APD的散粒噪声PINM2过剩噪声因子FA与增益M的关系电子与空穴的离化率比（2）光电二极管的暗电流噪声其中ID是初级（未倍增过的）光检测器体暗电流。光电二极管K：玻耳兹曼常数T：绝对温度（3）光电探测器电阻的热噪声热噪声是在有限温度下，导电媒质内自由电子和振动离子间热相互作用引起的一种随机脉动。一个电阻中电子的这种随机脉动，即使没有外加电压也表现为一种电流波动。光检测器负载电阻中产生的这种电流波动将叠加到光检测器产生的光电流中。热噪声引起的电流波动，在数学上可用稳态高斯随机过程来模拟，其谱密度在0THz～1THz范围内均与频率无关，近乎是一种白噪声，谱密度为热噪声（电流）方差为热噪声与光电流无关，即使没有光功率输入，热噪声还是存在的。5、检测器响应时间P(t)I(t)当检测器受到阶跃光脉冲照射时，响应时间可以用检测器输出脉冲的上升时间和下降时间来表示光电二极管光电流的响应时间主要取决于以下三个因素：1．耗尽区的光载流子的渡越时间；2．耗尽区外产生的光载流子的扩散时间；3．光电二极管以及与其相关的电路的RC时间常数。渡越时间t由载流子漂移速度v和耗尽区宽度w决定一般情况下，耗尽区的电场足够高，载流子都可以达到它们的散射极限速度。典型的Si光电二极管的耗尽区宽度为10um，极限响应时间为0.1ns。上升时间的快速反应分量源于耗尽区产生的载流子，

A＝扩散层面积而慢速分量则是源于距离耗尽区边界处的载流子的扩散。在光脉冲的后沿，耗尽区的光脉冲吸收得很快，所以在下降时间里产生了快速分量，在距耗尽区边界以内的载流子扩散造成了脉冲后沿的一个很慢的延迟拖尾。另外，如果w太小，结电容也会变得很大。结电容Cj为：这个电容增大，就会使RC时间常数变大，从而限制了检测器的响应时间。为了获得较高的量子效率，耗尽区宽度必须大于1/（吸收系数的倒数）这样才能吸收大部分的光。如果光电二极管的电容较大，那它的响应时间就会受到负载电阻RL和光电二极管结电容所构成的RC时间常数所限制。如果耗尽区宽度太窄，则非耗尽材料产生的任何载流子在被吸收之前不得不扩散到耗尽区。所以窄耗尽区的器件会有明显不同的慢速和快速响应分量。一个低电容的、耗尽区宽度的光电二极管对矩形输入脉冲的响应，它的上升与下降时间与输入脉冲比较一致。

Si、Ge、InGaAspin光电二极管的通用工作特性参数参数符号单位SiGeInGaAs波长范围响应度暗电流上升时间带宽偏置电压nmA/WnAnsGHzV400～11000.4～0.61～100.5～1.00.3～0.75800～16500.4～0.550～5000.1～0.50.5～3.05～101100～17000.75～0.950.5～2.00.05～0.51.0～2.05

Si、Ge、InGaAs

雪崩光电二极管的通用工作特性参数M·B参数符号单位SiGeInGaAs波长范围雪崩增益暗电流上升时间增益带宽积偏置电压nm－nAnsGHzV400～110020～4000.1～10.1～2100～400150~400800～165050～20050～5000.5～0.82～1020～401100～170010～4010～500.1～0.520～25020~30M表4.1两种典型光电二极管的主要参数管型参数InGaAs---PINInGaAs---APD工作波长(λ)/µm1.301.551.55量子效率（η）/%756075响应度（

R）/(A/W)0.780.780.94暗电流（Id）/nA0.10.120截止频率(fc)/GHz2.02.03.0电容(Ct)/pF1.11.10.5典型应用622Mb/s系统622Mb/s系统2.5Gb/s系统应用APD：用于灵敏度要求较高的地方，但造价高PIN：灵敏度要求不高的地方，便宜§4.3光接收机

光接收机的任务从接收到带有附加噪声及失真的微弱光信号中恢复出携带的信息。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。光纤通信系统有模拟和数字两大类光接收机也有数字接收机和模拟接收机两种形式。1、数字光接收机组成光检测器前置放大器主放大器均衡器数字信号恢复、时钟线路译码接口偏置电路自动增益控制线性通道线性通道主要完成对信号的线性放大，以满足判决电平的要求。接收机的前端包括反向偏压下的光电二极管和前置放大器。数字信号和时钟恢复电路。接收机前端

2、光接收机前端接收机前端等效电路：放大电路的输入电容为Ca

输入电阻为Ra光电二极管的串联电阻Rs，总电容Cd作用：是将光纤线路末端耦合到光电二极管的光比特流转换为时变电流，然后进行预放大，以便后级作进一步处理。要求：一台性能优良的光接收机，应具有无失真地检测和恢复微弱信号的能力，这首先要求光接收机具有：

前端应有低噪声；高灵敏度；足够的带宽。前端的设计有3种不同的方案低阻抗前端高阻抗前端跨阻抗前端低阻抗前端低阻抗前端从频带要求出发选择光检测器的负载电阻RL，使其满足Δf为码速率所要求的前端带宽；

Ct=Cj+Cs+Ca；

Cj---为光电二极管的结电容；

Cs---为光电二极管和前置放大器引线的杂散电容；

Ca---为前置放大器的输入电容。低阻抗前端优点：电路简单，不需要或只需要很少的均衡，前置级的动态范围也较大。低阻抗前端缺点：灵敏度较低，噪声比较高。

(1)低阻抗前端

（2）高阻抗前端

高阻抗前端优点：

噪声低，灵敏度高。

高阻抗前端缺点：带宽窄，需要增加均衡网络，对频响特性进行补偿，电路结构复杂，动态范围小。（3）跨(互)阻抗前端

跨阻抗前端将负载电阻连接为反相放大器的反馈电阻，因而又称互阻抗前端。互阻抗前端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.优点：动态范围大，频带宽、噪声低、灵敏度高。400Mb/s光接收机前端2Gb/s光接收机前端接收机噪声正比于接收机带宽，为降低噪声，采用带宽Δf小于比特率B的低通滤波器。接收机带宽主要由线性通道的低通滤波器决定。

3、光接收机的线性通道光接收机的线性通道:高增益放大器低通滤波器（或均衡器)自动增益控制(AGC)放大器：高增益放大，将放大器的平均输出电压限制在固定电平而不随输入平均光功率而变。低通滤波器（或均衡器

）：对信道特性进行均衡，控制可能出现的码间串扰(ISI)。多级网络的噪声噪声系数(1)放大器的噪声和噪声系数输入端的信号和噪声功率输出端的信号和噪声功率(2)信道特性均衡信道信道均衡器

当Δf＜B时，电脉冲展宽超过了规定的比特时隙，将可能干扰相邻比特时隙的检测，引起码间串扰，滤波器设计时应避免产生这种现象。均衡器的作用是消除放大器、光纤等部件引起的信号波形失真，经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形，使码间干扰减小到最小。经过均衡以后的波形，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。4、数据恢复电路

光接收机的数据恢复部分的任务是把线性通道输出的模拟信号恢复成数字信号。由三部分组成：时钟提取电路取样判决电路数字信号波形成型电路取样判决电路为了重建数字信号，则要判定每个码元是“0”还是“1”，这首先要确定判决时刻。为此，要从升余弦信号中提取准确的时钟信号，并经过适当移相后，在最佳时刻对升余弦信号取样，然后将取样幅度与判决阈值进行比较，确定码元是“0”还是“1”，从而把升余弦波形恢复重建成原传输的数字信号。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。非归零码(NRZ)数字光接收的眼图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。

理想眼图4.4光接收机的信噪比在光纤通信系统中，通常要求光电二极管能检测出微弱的光信号。为了得到较高的信噪比，可以采取以下措施：为了检测到最小可能的信号，必须对光检测器和它随后的放大器电路进行最优化设计，以此来保证一定的信噪比。光接收机输出端的信噪比S/N定义为光检测器必须要有很高的量子效率，以产生较大的信号功率；使光检测器和放大器噪声保持尽可能低的值。放大器输入端的信噪比为：光检测器前置放大器主放大器均衡器数字信号恢复、时钟线路译码接口光检测器前置放大器主放大器均衡器数字信号恢复、时钟线路译码接口(1)PIN信噪比与噪声的关系热噪声限制下，在高阻抗或互阻抗前端光接收机中，σT>>σs，热噪声决定了接收的性能，散粒噪声和暗电流噪声可忽略SNR随入射功率平方倍变化，增加负载电阻可以提高信噪比。说明为什么大多数光接收机采用高阻抗或互阻抗前端的原因散粒噪声限制下增大入射功率可达到散粒噪声限制，同时减小暗电流Id的影响的效果，当忽略Id的影响时可见，在散粒噪声限制下，SNR随Pin线性增加，并随量子效率η、有效噪声带宽Δf

和光子能量hν而变可用包含在每比特“1”中的光子数Np表示带宽Δf的典型值为Δf＝B/2，则有SNR＝ηNp。在散粒噪声限制下，欲得SNR＝20dB，则需Np≈100例题：接收机的信噪比

lnGaAsPIN光接收机具备如下参数：负载电阻RL＝300k；光电管暗电流Id＝5nA；绝对温度T＝300k；放大器带宽是500MHz；假设放大器没有噪声，在入射光功率Pin＝20nW下产生平均光电流Ip＝15nA。计算接收机的信噪比SNR。

解：PIN信噪比表达式如下第一步：求S及第二步：求均方根热噪声T第三步：求SNR通常SNR用dB表示，SNR＝10Log7.3＝8.63dB

(2)APD光接收机的信噪比在给定输入功率Pin时，为达到最大SNR所要求的APD增益，即倍增增益的最佳值MoptAPD信噪比与噪声的关系热噪声限制下比PIN接收机提高了倍散粒噪声限制下比PIN接收机降低了倍4.5数字接收机的灵敏度数字接收机的灵敏度当数字接收机的输出信号质量-----误码率达到质量要求时，数字接收机接收的最小光功率灵敏度和误码率有关误码率和信号的失真和信号中的噪声有关误码率（BER：biterror）:误码率=传输中的误码/所传输的总码数是衡量通信系统传输数据精确性的指标

误码率与通话质量（PCM）误码率通话质量10－6感觉不到干扰10－5在低话音电平范围内感觉轻微干扰10－4在低话音电平范围内有个别“咯咯”声10－3在低话音电平范围内都感觉有干扰10－2强烈干扰，听懂程度明显下降0.5几乎听不懂“1”码出现的概率为P(1);“0”码出现的概率为P(0);接收机把“0”码误判为“1”码的概率为P(1/0);接收机把“1”码误判为“0”码的概率为P(0/1);误码率为：BER=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)经过线路编码，数字信号序列中“0”码和“1”码出现的概率各为1/