第4章光接收设备

第4章光接收设备4.1光接收机组成及性能指标4.2光检测器4.3光接收机电路4.4光接收机的信噪比4.5光接收机的灵敏度

4.1光接收电路4.2输出电路

4.1光接收机组成及性能指标1．光接收机基本构成将输入光脉冲信号转换为输出电脉冲信号，即进行光/电转换前端线性通道数字信号恢复电路（非线性电路）线路译码输出接口光接收机光信号电信号2．光接收机的主要性能指标（1）灵敏度Sr定义为Pr是在给定误码率条件下，光接收机所需要的最小平均光功率。灵敏度反映光接收机接收弱光信号的能力大小。

光接收机的灵敏度指标主要由光检测器件和前置放大器的性能所决定。（2）动态范围DPmax和Pmin分别是光接收机在所期望的误码率条件下的最大和最小平均接收光功率。其中Pmin就是灵敏度Sr对应的Pr。

动态范围表示光接收机在指定的误码率条件下所能接收的光功率变化范围的大小，它反映光接收机适应强光信号的能力。4.2光检测器（PIN和APD）半导体ＰＮ光电二极管内光电效应是光照射到半导体PN结发生受激吸收产生光生载流子形成光电流光照射到半导体PN结发生受激吸收产生光生载流子,运动到导线回路形成光生电流光生电流包括漂移电流+扩散电流检测光的原理是光电效应有外光电效应和外光电效应利用内光电效应制作的光检测器是入射光从P侧进入，在耗尽区内、外被吸收现有两种改进方案PIN光电二极管，雪崩光电二极管(APD)漂移电流扩散电流在耗尽区外产生的电子—空穴对，由于浓度不均匀进行扩散分别向两侧运动，产生光电流是扩散电流扩散运动比漂移运动慢得多，这部分载流子作扩散运动的时延将使检测器输出电流脉冲后沿的拖尾加长，影响光电二极管的响应速度在耗尽区内产生的电子—空穴对，并在内建场的作用下分别向两侧运动，产生光电流是漂移电流1、PIN光电二极管如何减少扩散电流的影响？当缩短P区和N区的宽度，增加耗尽区的宽度，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，可降低扩散的影响加大反向电压？在pn结的中间插入一层本征半导体材料这种结构称为PIN光电二极管增大耗尽层的宽度w减小载流子扩散运动的影响提高响应速度，提高了光电转换效率。通常用于光波系统的PIN光电二极管采用InGaAs作为中间层，用InP作为P层和N层的覆盖层，光子仅在耗尽区内吸收，完全消除了扩散分量，采用几微米厚的InGaAs,效率可接近100%2、APD雪崩光电二极管APD的结构该结构设计上能承受高反向偏压，在PN结内部形成一高电场区(≈

3×105V／cm)入射光功率产生的电子—空穴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。新产生的电子—空穴受到同样加速运动，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，使载流子和反向电流迅速增大，这个物理过程与光电倍增管类似，称为雪崩倍增效应。雪崩过程倍增了一次光电流，使之得到放大。为了使载流子获得高能量以产生雪崩效应，雪崩区需建立高电场，因此APD工作时的偏置电压较高，达几百伏。APDAvalanchPhotodiode（2）雪崩型光电二极管（APD）APD在薄的重掺杂的P+区和N+区之间夹入I区（较厚）和P区，I区是耗尽区（作为光子的主要吸收区），P区是高电场区（高于I区电场，作为碰撞电离区）。APD的特点是：光电转换效率高（有光生电流放大作用，即雪崩倍增作用），响应速度快。APD光电二极管光电二极管又称为光敏二极管。其工作方式为负偏置方式，其中PIN的负偏压约为几至几十伏，APD的负偏压约为几十至一百多伏。3、光电二极管的主要特性参数（1）截止工作波长（上限使用波长）c定义截止工作波长c为

≤c时能产生光生电流，＞c时不能产生光生电流例如：c=1.06µm（Si）和1.6µm（Ge）

光生载流子条件为光电转换受激吸收（2）量子效率定义通常，

=30％～90％（3）响应度R定义：单位入射光功率所产生的一次光生电流，称为响应度R。通常，R=0.5A/W左右。（4）响应时间定义：响应时间为光生载流子在耗尽区内的渡越时间d与光检测回路的RC时间常数RC之和，即=d+RC

d≈耗尽区宽度/光生载流子漂移速度。

RC≈RLCd,RL是负载电阻，Cd是光电二极管结电容。光电二极管等效电路（5）APD倍增因子M定义：APD有倍增时总的光生电流与未倍增的一次光生电流之比，称为倍增因子。即经验公式式中，V为外加反向偏压；

VB为击穿电压(一般选择VB大的APD)；

m是常数因子。此外，M与T有关，T则M。通常M=10～100。

（6）量子噪声与APD附加噪声指数定义：光束中光子数目波动引起光生电流波动，产生光生电流散粒噪声，称为量子噪声。2eIPfM2是倍增噪声，F是倍增噪声附加项。x称为附加噪声指数，x≤1。例如，Si-APD（0.85m）的x=0.3～0.5，Ge-APD（1.31m）的x=0.8～1.0，InGaAsP-APD（1.31m）的x=0.5～0.7。

其均方值为PINPIN（7）暗电流Id定义：无光照射时，光电二极管的反向电流，称为暗电流Id。暗电流Id越小越好。

M是APD倍增因子，x是附加噪声指数。通常，PIN的Id＜1nA，APD的Id=1～几十nA

暗电流Id构成本底背景噪声，称为暗电流散粒噪声，其电流均方值为4.1光接收机组成及性能指标4.2光检测器1、PIN光电二极管2、APD雪崩光电二极管3、光电二极管的主要特性参数1、光接收机组成2、性能指标APD倍增因子M4.3接收机电路（1）．基本功能将光检测器件输出的微弱电流信号（通常为10-7～10-5A）进行放大，以适合后续电路的需要。低噪声高灵敏度合适的带宽大的动态范围良好的温度稳定性等前置放大器的重要指标是：1、前置放大器有三种电路方式低阻抗前端高阻抗前端跨阻抗前端低阻抗前端这种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=CPN+Cs+Ca；CPN---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。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增大后将使前置放大器动态范围缩小，而且当比特率较高时，输入端信号的高频分量损失过大，对均衡电路要求较高，很难实现，所以高阻抗前端一般只适用于低速系统。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。跨(互)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，因而又称互阻抗前端。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，动态范围也提高了，所以具有频带宽、噪声低、灵敏度高、动态范围大等综合优点，被广泛采用。

（2）．典型电路：FET互阻抗前置放大器该电路的主要特点：采用了共源-共基-共集方式，内部反馈小，即后级电路对前级电路的影响小，电路稳定性好；采用了负反馈，使放大器输入阻抗有所减小，有利于增大带宽。FET共源放大共基放大两级共集放大PIN-FET集成组件2、主放大器（1）基本功能将前置放大器输出电压信号（通常为毫伏数量级）放大到适合于后级判决电路所需要的幅度范围（几伏数量级）。主放大器的电压增益变化范围要求比较大，以适应前端入射光功率动态范围大的特点，为此需要有自动增益控制（AGC）功能。（2）典型电路：双栅FET主放大器双栅FET共源放大集成IC放大3、接收机的噪声系数光接收机前端光电转换后信号电流很小，接收机中噪声也就应很小。在设计接收机放大器时内部噪声应该很小才行。放大器的内部噪声用噪声系数表示两级放大器的噪声系数证明：级联放大器前置放大器主放大器噪声系数4、均衡器（1）基本功能对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使其变为升余弦信号，以利于克服码间干扰进行幅度判决。（2）码间干扰（ISI）产生原因光纤色散引起光脉冲展宽，当光脉冲展宽超过分配给它们的时隙时，以致一部份光脉冲能量进入相邻时隙，对邻近码元信号产生干扰，称为码间干扰。码间干扰使判决电路的输入信噪比降低。码间干扰是产生误码的重要原因。

光脉冲展宽是不可避免的，如何减少或抑制展宽引起的干扰？若单个码元的时域展宽波形的主峰峰值对应时刻以及各个零点对应时刻是等间隔分布的，并且其间隔时间t等于码元周期Tb，则用这种码元时域展宽波形组成的码元序列，在传号码元波形的主峰峰值对应时刻上不会出现其他码元信号的非零值，在空号码元的零值中心时刻上也不会出现其他码元信号的非零值，因而就不会产生码间干扰。所以，在传号码元的主峰峰值对应时刻上和在空号码元的零值中心时刻上进行幅度判决，不会产生误码。（3）码间干扰消除方法升余弦信号符合以上要求，其特点为：①具有等间隔分布的主峰峰值时刻和零点时刻；②具有比尖锐截止低通信号更短和更细的拖尾(即次峰个数少、幅度低)

当均衡器输出升余弦波形时，发送端输出的基带数字脉冲信号，只要严格按照fb=1/Tb的速率发送，则在均衡器输出信号的波峰峰值处不会产生码间干扰。升余弦信号时域函数频域函数滚降因子（4）均衡电路均衡电路是专门的滤波及频率补偿电路，其输出波形应当接近升余弦波。实现方法是，补偿某些频率、抑制某些频率。LRC滤波器均衡电路图：调试该电路时，须根据眼图的状况来调整Rc和Re。眼图眼图张开程度越大，则码间干扰越小，越有利于判决。4.1.6基线恢复1．基本功能

将升余弦信号的基线固定在某一电平上不变。2．典型电路

（1）二极管钳位器(用于速率≤34Mb/s的光纤通信系统)（2）差分电路负反馈钳位器（用在速率为140Mb/s的光纤通信系统中）4.1.7幅度判决1．基本功能将均衡器输出并经过基线恢复处理的升余弦波信号整形为非归零（NRZ）的矩形脉冲信号，以利于时钟提取。2．典型电路4.1.8非线性处理1．基本功能将幅度判决输出的非归零矩形脉冲序列信号变为归零矩形脉冲序列信号，以利于提取时钟信号。

NRZ与RZ脉冲序列信号的区别如下：

（1）时域：NRZ脉冲宽度τ等于码元周期Tb，RZ脉冲宽度τ小于码元周期Tb(τ=Tb/m，其中m=2,3,4…)。（2）频域：NRZ功率谱没有时钟频率的线谱分量，RZ功率谱则有之。单极性NRZ和RZ脉冲序列信号的时域和频域波形图2．典型电路非线性处理电路及其各点信号的波形图

4.1.9时钟提取1．基本功能从非线性处理电路输出的RZ信号中获得按时钟频率fb振荡的余弦信号。其中fb=1/Tb。2．典型电路：LC谐振放大器4.1.10限幅移相1．基本功能将时钟提取电路输出的一列幅度变化很大的余弦振荡信号进行限幅，得到矩形脉冲信号，再经过移相和电平变换，变成后续电路所需要的时钟信号。2．典型电路：射极耦合限幅移相电路状态Ⅰ：VT2截止、VT3导通；状态Ⅱ：VT2和VT3同时导通；状态Ⅲ：VT2导通、VT3截止射极耦合限幅移相电路及其输入和输出信号的波形图4.1.11定时判决1．基本功能利用限幅移相电路输出的时钟脉冲的控制作用，将幅度判决电路输出的NRZ脉冲信号（其前、后沿有较大抖动）变成与发送端一致的NRZ脉冲信号（抖动很小）。2．典型电路：使用D触发器D触发器定时判决电路及其输入和输出信号4.4光收机的信噪比4.4光接收机的信噪比1、接收机的噪声暗电流及漏电流噪声，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，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。4.3接收机电路1、前置放大器2、主放大器3、均衡滤波器低噪声，高灵敏度，合适的带宽，采用前置和主放分级设计，前置采用互阻抗电路主放大器是高增益，大动态范围设计，动态范围取决于AGC电路均衡器消除码间干扰，采用升余弦滤波特性4.4光接收机的信噪比1、接收机的噪声检测器量子噪声暗电流噪声负载热噪声放大器噪声PIN量子噪声APD量子噪声暗电流噪声负载热噪声放大器热噪声光检测器前置放大器主放大器均衡器数字信号恢复、时钟前置放大器输入端的噪声电流方差判决电路输入端噪声电流方差+放大器热噪声2、PIN光接收机的信噪比信噪比（SNR）是评价光接收机性能的重要指标对于PIN光接收机在判决电路输入端信号电流均方值为判决电路输入端噪声电流方差3、APD光接收机的信噪比在判决电路输入端信号电流均方值为判决电路输入端噪声电流方差4、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，散粒噪声可忽略（1）SNR随入射功率平方倍变化，（2）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而变如果每比特“1”中的光能量为Ep‘光子数为Np带宽Δf的典型值为Δf＝B/2，则有SNR＝ηNp。在散粒噪声限制下，η=1,欲得SNR＝20dB，则需Np≈1003APD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接收机降低了倍例题1：lnGaAsPIN光接收机具备如下参数：PIN的响应度R=0.8(A/W),光电管暗电流Id＝5nA,负载电阻RL＝300k，绝对温度T＝300k；

；放大器带宽是500MHz；放大器噪声系数NF=6计算在入射光功率Pin＝50nW时，接收机的信噪比SNR。解：4.5数字光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度是描述其准确检测光信号能力的一种性能指标在几种接收机中，如果某一接收机能在较低的入射功率下达到同样的性能，就称该接收机比较灵敏。数字光接收机的性能标准由误码率(BER)决定对数字光接收机通常使用的标准要求是光接收机的灵敏度定义为接收机工作于的BER所要求的最小平均接收光功率。对新型高性能光波系统，规定要求达到甚至1、光接收机的误码率在光纤通信系统中，虽然发送信号是由两个完全确定的光功率电平“1”和“0”组成，但从光接收机均衡器输出的待判决信号，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。传送的信号接收到的判决前的信号被噪声干扰失真判决后的信号判决时刻td判决电平ID如果传输的数字信号流中“1”码出现的概率为误码有两种：“1”码错判为“0”“0”码错判为“1”“0”码出现的概率为“1”码错判为“0”的条件概率为“0”码错判为“1”的条件概率为数据流的误码率（比特差错率）为在光发送机中经过线路编码后，“1”码和“0”码出现概率均等？为什么有误码，因为有噪声判断错误与噪声的特性有直接相关设信号为“0”码时，电流取不同值的概率密度为信号为“1”码时，电流取不同值的概率密度为设电流判决值取，判为“1”码，判为“0”码“0”码错判为“1”码的概率，就是“0”码时