第4章光接收设备

光纤通信

―原理与应用

第4章光接收设备

第4章光接收设备

4.1光接收电路

4.2输出电路

第4章光接收设备

4.1光接收电路4.1.1

基本构成和主要性能指标1．光接收电路的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。

2．光接收电路的主要性能指标（1）灵敏度Sr

定义为

其中，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，单位是W（瓦）。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。

其中，Pmax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。（2）动态范围D4.1.2光检测器件（PIN和APD）（1）本征PN型光电二极管（PIN）

PIN是在薄的P区和N区之间夹入一层较厚的本征半导体材料，以增加PN结耗尽区的宽度，称为I

区。PIN的特点是：光电转换效率较高（无光生电流放大作用），响应速度快。

(a)PIN光电二极管

(b)APD光电二极管（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。

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

光生载流子条件为h≥Eg，即≤hc/Eg

定义截止工作波长c为

chc/Eg

则得≤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）

②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。

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

G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

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。上式适合任何工作偏压下的PIN和低偏压无倍增条件下的APD。通常，R=0.5A/W左右。

④量子效率定义：一个入射光子所产生的一次光生电子数，称为量子效率。

故的定义适合任何工作偏压下的PIN和低偏压无倍增条件下的APD。通常，

=30％～90％⑤响应时间定义：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，称为响应时间。即

=d+RC

式中，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。图4-3

光电二极管等效电路

⑥APD倍增因子G

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G。即式中，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，G与T有关，T则G。通常G=10～100。

经验公式

⑦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。其均方值为

2eIPfG2是倍增噪声，Gx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。

4.1.3前置放大器

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。前置放大器的重要指标是：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。4.1.4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3．级联放大器的噪声系数

式中，NF1和NF2分别为前置放大器和主放大器的噪声系数，KP1为前置放大器的功率增益。

可见，当KP1足够大时，以致右边第二项很小可以略去，则NF≈NF1。这表明，当前置放大器的功率增益足够大时，则级联放大器的噪声系数主要由前置放大器的噪声系数来决定。由前置放大器和主放大器构成的级联放大器的噪声系数NF满足公式：减小级联放大器噪声系数的关键是使前置级具有高增益和低噪声4.1.5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）（1）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；而留在本时隙内的光脉冲能量减小，使判决电路的输入信噪比降低。所以，码间干扰是产生误码的重要原因。

（2）码间干扰消除方法

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（见下页插图）。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。

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)

图4-8

码间干扰消除方法示意图

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。3．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。4．眼图眼图张开程度越大，则码间干扰越小，越有利于判决。图4-11

升余弦信号的眼图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3．判决门限与误码率的关系

设基线恢复电路的输出电信号是

x(t)=s(t)+n(t)(0≤t≤Tb)

s(t)是待判决的升余弦信号，n(t)是N(0,σ2)型正态噪声，Tb是码元周期。取t=tj为判决时刻，则s(tj)和n(tj)分别为

观测模型为式中含有“1”码的x(tj)和含有“0”码的x(tj)出现的概率密度分别为

p(x/V1)和p(x/V0)随x变化的曲线判决准则为（判决门限设为Vd）虚警概率α（发“0”码而错判为“1”码）为漏警概率（发“1”码而错判为“0”码）为其中，称为标准正态分布函数。总的错误概率Pe（即误码率）为

Pe=P(V0)+P(V1)

式中，P(V0)是发“0”码的概率，P(V1)是发“1”码的概率，且P(V0)+P(V1)=1。

上式是误码率与判决门限Vd的一般关系式。

幅度判决时，选择判决门限Vd使误码率减至最小，即

解得故最佳判决门限为若P(V1)≈P(V0)，σ1≈σ0，则K很小最后化得故得此式是最小误码率与最佳判决门限Vd的关系式。

光纤通信一般要求Pe=10-9，则由上式可得对应的

Q≈6。于是，最小误码率为Pe=P(V0)[1-

(Q)]+P(V1)

(−Q)=

(−Q)

即4．灵敏度与误码率的关系

设P(V0)=P(V1)=1/2，则平均电压脉冲幅度为

V=(V0+V1)/2

即平均每2Tb内出现由于光脉冲与电脉冲的一一对应关系，故有P(Pr0)=P(Pr1)=1/2则平均光功率为

Pr=(Pr0+Pr1)/2即平均每2Tb内出现

即可得Q(1+0)=V1−V0=V1(1−V0/V1)=V1(1−)

根据

如果预先给定Pe、、1及0，则按以下步骤可以确定灵敏度Sr，即：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。

图4-16单极性NRZ和RZ脉冲序列信号的时域和频域波形图

2．典型电路图4-17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