光纤通信：第四章 光信号探测及恢复

第四章

光信号探测及恢复Vocabularyopticalreceiver光接收机signaldistortion信号畸变BER(bit-errorrate)误码率APD雪崩光电二极管ISI码间串扰darkcurrent暗电流photoncurrent光生电流directdetection直接探测coherentdetection相干探测noisefigure噪声指数highsensitivity高灵敏度responsivity响应度thermalnoise热噪声shotnoise散粒噪声noiseequivalentpower噪声等效功率currentfluctuation电流波动excessnoisefactor过剩噪声因子quantumlimit量子受限automaticgaincontrol自动增益控制pre-amplifier前置放大器decisioncircuit判决电路decisionthresholdvalue判决阈值clockrecovery时钟恢复electron-holepair电子空穴对driftvelocity漂移速率Gaussianstatistics高斯统计high-passfilter高通滤波器linearchannel线性信道electro-opticaldelay电光延迟samplingtime采样时间powerfluctuation功率波动optimumgain最优增益complementaryerrorfunction互补误差函数multiplicationfactor倍增因子spectraldensity谱密度intensitynoise强度噪声Chapter42SOEI,HUSTtimingjitter定时抖动mode-partitionnoise模式分配噪声parasiticreflection寄生反射depletionregion耗尽区biasvoltage偏置电压reversebias反向偏置tunnelingbreakdown隧道击穿equalizer均衡器stimulatedabsorption受激吸收quantumefficiency量子效率straylight杂散光sensitivitydegradation灵敏度劣化diffusive扩散gainflatness增益平坦ionizationcoefficient电离系数gainregion增益区boundarycondition边界条件avalancheprocess雪崩过程pulsebroadening脉冲展宽stationaryrandomprocess平稳随机过程Poissonstatistics泊松统计Wiener-Khinchintheorem维纳-辛钦定理pulseshaping脉冲整形transferfunction传递函数rectangularpulse矩形脉冲one/two-sided单/双边带transparenttransmission透明传输wavelengthrouting波长路由point-to-point点对点topologystructure拓扑结构powerbudget功率预算powermargin功率余量powerpenalty功率代价Chapter43SOEI,HUST第四章光信号探测及恢复4.1光探测器设计4.2光接收机结构4.3接收机噪声4.4接收机灵敏度4.5相干光接收机

要求高灵敏度，高响应度，低成本，高可靠性，抗干扰Chapter45SOEI,HUST光信号驱动电压O/E前置放大器自动增益控制放大器滤波器回路采样时钟恢复

PINorAPD电信号前向线性通道数据恢复4.1.1响应率及带宽1.受激吸收自发辐射受激辐射受激吸收LEDLDPD光源光电探测器Chapter46SOEI,HUST2.响应率

光电流R为光探测器响应度(单位为A/W).3.怎么增加响应度R?Chapter47SOEI,HUST当

为量子效率电子产生速率光子注入速率Chapter48SOEI,HUST4.PD带宽Chapter49SOEI,HUSTRCtimeconstantOpticalsignalPinVout(t)90%10%V0TrWTransittime光信号时间常数渡越时间Chapter410SOEI,HUST5.暗电流来源于电子空穴对产生的杂散光和热4.1.2典型结构和演进历程Chapter411SOEI,HUSTP-N光电二极管p-n结加反向偏压速度快速度慢a)Ap-n光电二极管加反压；(b)PD内部光功率分布;(c)漂移和扩散的载流子移动能带图

漂移成分扩散成分光电流

扩散成分使光电二极管瞬时响应失真

解决方法：减小p、n区厚度，增加耗尽区宽度。Chapter412SOEI,HUST

i区→高阻抗→大电场→耗尽区→漂移成分占主导但是扩散成分仍然存在2.PIN光电二极管Chapter413SOEI,HUSTEg(i)<hv<Eg(p,n)Chapter414SOEI,HUST双异质结PINs受激辐射只在i区发生扩散电流完全被消除。(高响应速度).

InPInGaAsInPChapter415SOEI,HUSTChapter416SOEI,HUST典型结构(a)AnAPD反向偏置下不同层的电场分布情况；(b)直通型APD设计。3.雪崩光电二极管(APDs)Chapter417SOEI,HUST工作原理:碰撞电离一个加速的电子提供一部分动能给价带中的另一个电子，最终由价带传送到导带，留下空穴。光子

单个原生电子具有高动能的电子大量二次电子和空穴i区:吸收;增益区:碰撞和电离后倍增吸收加速碰撞电离主要参数碰撞电离系数:(αe:电子;αh:空穴)取决于材料合电场

Chapter418SOEI,HUST倍增因素倍增区电流：ie,ih:分别为电子和空穴对应电流总电流:Chapter419SOEI,HUST假设:增益区电场是统一的(是常数),只有电子跨越边界进入n区。考虑边界条件：

Chapter420SOEI,HUSTChapter421SOEI,HUST响应度M:平均APD增益雪崩!when是碰撞系数比带宽

M0-低频增益,τe-有效传输时间Chapter422SOEI,HUSTChapter423SOEI,HUST

不同APD结构Chapter424SOEI,HUST直通型APD0.85um:Si,KA<<1M~100,B~100Mb/s1.31um,1.55um:Ge,InGaAs解决方法:宽带隙→能施加高反压

吸收层和倍增层运用相同的材料倍增窄带隙大噪声，(ilayer)Chapter425SOEI,HUSTSAM-APD:吸收倍增分离APDp+-InPn+-InPn-InPi-InGaAsMA-+问题:InP&InGaAs宽带隙不同EInp=1.35eVEInGaAs=0.75eV1)空穴易在双异质结上被捕获2)响应慢&带宽小解决方法:Chapter426SOEI,HUSTChapter427SOEI,HUSTp+-InPn+-InPn-InPInGaAsMA-+InGaAsPGSAGM-APD(吸收（分阶）倍增分离)p+-InPN+-InPn-InPInGaAsMA-+InGaAsPGN+-InPCChapter428SOEI,HUSTSAGCM-APD(C-电荷层)PN光电二极管PIN双异质结PINAPDSAM-APDSAGM-APD：Mf=70GHzSAGCM-APD：Mf=140GHz第四章光信号探测及恢复4.1光探测器设计4.2光接收机结构4.3接收机噪声4.4接收机灵敏度4.5相干光接收机TIA4.2.1前向Chapter431SOEI,HUST等价电路：(a)前端高阻抗光接收机电路和(b)前端跨阻抗光接收机电路。两种电路中光电二极管都相当于电源。设计要求大负载阻抗接收带宽

高输出电压低热噪声改善灵敏度接收机灵敏度和带宽之间须平衡!Chapter432SOEI,HUST互阻抗放大器(TIA)高灵敏度和大带宽4.2.2线性通道Chapter433SOEI,HUST1.组成具有自动增益控制（AGC）的放大器：接收一定范围输入AC电压，输出恒定幅值电压，实现增益平坦。低通滤波器：减少噪声，决定接收机BW，为电压脉冲整形以减小码间串扰（ISI）。2.低通滤波器最优化Chapter434SOEI,HUST输入信号：输出脉冲的优化整形便于判决：连续余弦脉冲显示归零信号性质。Chapter435SOEI,HUST线性通道转移通道如下：上升余弦眼图包含信息(NRZ)Chapter436SOEI,HUST4.2.3回路判决Chapter437SOEI,HUST组成：时钟恢复(CR)+回路判决CR从接收到的信号分离在f=B处的光谱分量，为判决提供比特信息，使判决同步。RZ信号易进行时钟恢复，而NRZ信号较难。最佳采样时间由眼图决定。第四章光信号探测及恢复4.1光探测器设计4.2光接收机结构4.3接收机噪声4.4接收机灵敏度4.5相干光接收机O/E倍增放大PinIp=RPinIo=MRPinIA=AMRPin背景噪声，差拍噪声散粒噪声；暗电流噪声额外噪声负载阻抗热噪声；有功分量。接收机噪声散粒噪声：电子随机产生，是具有泊松分布（近似高斯分布）的静态随机过程。Chapter440SOEI,HUST4.3.1噪声机理具有散粒噪声的光电二极管电流：根据维尔-辛钦定理知，自相关函数与光谱密度有关。平均电流与散粒噪声相关的电流波动考虑暗电流双边光谱密度单边光谱密度Chapter441SOEI,HUST总传播函数有效噪声带宽噪声电流均方根2.热噪声：一定温度下，不加电压时，电子在电阻中随机移动。由热噪声引起的电流波动是具有高斯统计特征的静态随机过程具有热噪声的光电二极管电流功率谱密度Fn:表征被前置和主放大器的电阻加强的热噪声因素。双边光谱密度单边光谱密度Chapter442SOEI,HUST总噪声功率

具有散粒噪声和热噪声的光电流：

注意is(t),iT(t)

是独立的随机过程Chapter443SOEI,HUST1.PIN接收机4.3.2光接收机的信噪比（SNR）Chapter444SOEI,HUST热噪声限制噪声等效功率(NEP):

每单位带宽的光功率引入SNR=1

可探测性:(NEP)-1平均信号功率噪声功率散粒噪声限制SNR可根据1bit所对应的光子数Np来得出选择Chapter445SOEI,HUST2.APD接收机FA(M):额外噪声因素，Chapter446SOEI,HUST散粒噪声加强：经过碰撞电离过程，二次电子空穴对随机产生。热噪声限制散粒噪声限制最佳APD增益Chapter447SOEI,HUST同等条件下，因过剩噪声的影响，APD的SNR下降了FA倍。在实际光接收机中由于热噪声占支配地位，因此APD仍具有吸引力。第四章光信号探测及恢复4.1光探测器设计4.2光接收机结构4.3接收机噪声4.4接收机灵敏度4.5相干光接收机误比特率(BER)：接收机采样判决1bit发生错误的概率。Chapter450SOEI,HUST4.4.1误比特率和灵敏度(假设p(1)=p(0)=1/2)

(complementaryerrorfunction)Chapter451SOEI,HUST判决阈值：选取最佳ID使BER最小化。

当ID如下式时BER最小：Q因素Chapter452SOEI,HUSTQ和BER的关系：

Chapter453SOEI,HUSTChapter454SOEI,HUST2.灵敏度：当接收机误比特率在10-9时，接收机的最小平均功率。平均接收功率：Chapter455SOEI,HUSTPIN接收机

APD接收机接收功率最小值：Chapter456SOEI,HUST4.4.2误比特率和信噪比散粒噪声限制

热噪声限制Chapter457SOEI,HUST4.4.3灵敏度退化Powerpenalty:非理想条件使最小平均接收功率增大。

消光比；强度噪声；

时间抖动；

模式电流分配噪声；

寄生反射消光比ideal:rex=0infact:rex≠0Ib<Ith,P0=0,弛豫振荡减缓，电光延迟增加。Ib>Ith,P0≠0,rex≠0,调制带宽增大。对PIN接收机，热噪声受限：

功率损耗:对APD接收机，

δex大两倍Chapter458SOEI,HUSTChapter459SOEI,HUST消光比与功率损耗关系强度噪声参数与功率损耗关系强度噪声功率波动

电流波动Chapter460SOEI,HUST模式电流分配噪声；寄生反射RZ,Error-free时间抖动Chapter461SOEI,HUST时间抖动采样时间采样值抖动信号附加抖动（噪声）比特流间波动问题

光接收机灵敏度分析某PIN光接收机等效噪声带宽近似等于接收光信号比特速率的一半，工作在1550nm时量子效率为0.9，前端总电容为0.003pF，放大器噪声指数为3dB，忽略暗电流，分别计算下面受限情况下，该接收机工作在10Gb/s时误码率要求为10－12时对应的灵敏度（单位为dBm）：1）热噪声受限；2）散粒噪声受限。注：普朗克常数：；基本电荷电量：；玻尔兹曼常数：Chapter462SOEI,HUST第四章光信号探测及恢复4.1光探测器设计4.2光接收机结构4.3接收机噪声4.4接收机灵敏度4.5相干光接收机直接探测是探测光信号的常见方法。电场的二次检测。仅探测强度！4.5.1工作原理强度，相位，偏振态！LO频率≈载波频率：intradynedetection相干探测：电场的线性检测（通过与本地振荡器干涉）。1.直接探测和相干探测比较：Chapter464SOEI,HUSTRef1.Fiber-OpticCommunicationSystems(Edition4),pp158~161直接探测DirectDetection&相干探测CoherentDetection只给出了余弦组件(换句话说,同相分量的LO阶段),和正弦组件(正交分量)不能被检测到。因此,这种类型的零差接收机无法提取完整的复振幅信息信号。准备另一LO,相移90o，那么信号同相和正交分量都能被检测出来。相位差法Thisfunctioncanbeachievedbya90ohybrid.4.5.2典型结构1.相位差法:光电流I1，I2，I3，I4

可以提供输入信号场实部、虚部的全部信息。I1I4Chapter467SOEI,HUSTRef2.OpticalFiberTelecommunic