光纤通信系统 第二章-光纤通信基础 part2

第2章光纤通信基础2.2.4光电二极管光电二极管要求：1.能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换；2.足够高的响应度，对一定的入射功率能输出足够大的光电流；3.具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；4.具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；5.具有较小的体积、较长的工作寿命等。1光电二极管结构基本工作原理： 反向偏压，pn结产生与入射光强度成正比的光生电流；类型：

PN光电二极管，PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。（1）PN光电二极管结构：1）pn结；2）反向偏压；3）光入射；4）电流环路。（1）PN光电二极管光电二极管实际上是一个加了反向偏压的pn结n型p型耗尽层耗尽层当反向偏压足够大时耗尽区本征载流子被完全耗尽pn当光照射到光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区(高场区)及耗尽区附近引起受激跃迁现象，从而产生电子空穴对。pnhv（1）PN光电二极管产生的电子空穴对在外部电场作用下定向移动，被电极收集产生电流pnE光生电流

I（1）PN光电二极管光电流和入射光强度成正比。（1）PN光电二极管光在势垒区和势垒外都有吸收。势垒外的吸收产生扩散电流。扩散电流影响：扩散相当慢，导致时间响应畸变。解决办法：减小p区和n区厚度来减少扩散时间。（2）PIN光电二极管pn光电二极管的缺点： 势垒长度小，只有漂移电流产生有效的光电流，因此效率低。pn结中间夹一层掺杂浓度很低的本征半导体i层。势垒区宽度W的影响：（1）W大，光能吸收多，产生光电流大，响应度高；（2）W小，渡越时间小，响应速度快，响应带宽大。需要进行W的优化。InGaAs：3~5μm；Si：20~50μm。结构：优点：（1）i层具有高电阻，电压基本落在该区；（2）势垒宽度增加，减小扩散运动的影响，提高了响应速度。（2）PIN光电二极管（2）PIN光电二极管InGaAsPIN光电二极管说明：（1）InP对波长λ>0.9μm是透明的，受光面镀增透膜；（2）InGaAs截止波长是1.65μm。（3）1.3~1.65μm具有很强的吸收。（当波长太短，载流子寿命小，导致扩散长度短，未形成光电流就重新复合。）（3）雪崩光电二极管（APD）目的：提高响应度。方法：采用电离碰撞效应，一个光子产生多对电子-空穴对。结构：在i区和n区之间引入一层p区作为碰撞电离区，即增益区，以产生二次电子——空穴对。（3）雪崩光电二极管（APD）（3）雪崩光电二极管（APD）工作原理：（1）光子在吸收区被吸收产生一次电子——空穴对；（2）电子在增益区被高速电场加速；（3）在增益区，晶格原子电离碰撞，产生二次电子——空穴对；（4）在增益区，多次碰撞，产生连锁反应，至使载流子雪崩式倍增。2光电二极管的工作特性和参数主要特性参数： 响应度 倍增系数 噪声 响应带宽（1）响应度定义：物理意义：单位入射光功率产生的光电流大小。单位：A/W量子效率：物理意义：一个光子产生一个光电流中电子空穴对的概率。响应度与波长的关系：（1）波长增大，R增大；（2）hν<Eg时，η0。（无受激吸收）取λ=0.85μm，η=0.8，R≈0.55A/W；取λ=1.55μm，η=0.8，R≈1A/W；（1）响应度响应度和量子效率的关系：（1）响应度量子效率η与吸收系数α的关系：推导过程：透射光功率：被吸收光功率：量子效率：当αW>>1时，η1。（2）APD倍增系数及噪声倍增系数定义：Ip：APD的输出平均电流；I0：平均一次电流。APD响应度比PIN响应度提高了M倍：RIN噪声：量子噪声，暗电流噪声。APD噪声：量子噪声，暗电流噪声和倍增噪声。量子噪声：光子产生电子空穴对的随机性；暗电流噪声：在无光照时，偏置电路产生的电流随机性；倍增噪声过程：（1）i区产生一次电子空穴对的随机性；（2）增益区产生二次电子空穴对的随机性。倍增效应使噪声电流也被放大了。（2）APD倍增系数及噪声PIN噪声：APD噪声：x：0.3~1说明：噪声功率增大是信号功率增大的Mx倍。B：噪声带宽（3）响应带宽频率响应带宽定义： 转换效率与直流信号相比下降3dB时的频率。PIN响应带宽：说明：（1）渡越时间越小，带宽越大；（2）增大电压，通过增大电场来提高速度vs；在耗尽区高电场加速的情况下，光生载流子可达极限速度；（3）减小W，提高Δf。：渡越时间（3）响应带宽APD响应带宽：：空穴和电子的碰撞电离系数比值

M0=M（0）说明：（1）M0增大，带宽减小；（2）减小来增大带宽。如：Si半导体材料（0.8μm波段）的

：低频倍增系数（3）响应带宽小结PIN光电二极管特点：结构简单，可靠性高，电压低，使用方便，量子效率高，噪声小，带宽较高。应用场合：光纤通信系统，灵敏度要求不高场合一般采用PIN。APD光电二极管特点：高灵敏度，高增益，高电压，结构复杂，噪声大。应用场合：灵敏度要求较高的场合，如小信号测量。材料：Si：PIN/APD,0.85μm；InGaAs：PIN，1.31和1.55μm2.3光发射机和光接收机光纤发送信号接收信号光纤通信系统组成：（回顾）光发射机初识激光器

光纤驱动电路自动功率控制电路自动温度控制电路耦合装置电信号光信号本讲主要内容1光源的选择2光源与光纤的耦合3驱动电路4自动功率控制（APC）电路5自动温度控制（ATC）电路6其他一些电路1光源的选择两种类型的光源：

LED：Light-EmittingDiode，发光二极管

LD：LaserDiode，半导体激光器两种光源特性的对比：1）P-I特性：LED：LD：无阈值有阈值线性度差线性度较好1光源的选择2）光谱特性LED：LD：谱宽30~50nm谱宽50~80nm谱宽10MHz1光源的选择3）调制特性调制带宽LED：50~140MHzLD：结论：1）LED用于低速、短距离系统的光发射机，

LD用于高速、长距离系统的光发射机；

2）模拟系统的光发射机应选择LD。本讲主要内容1光源的选择2光源与光纤的耦合3驱动电路4自动功率控制（APC）电路5自动温度控制（ATC）电路6其他一些电路2光源与光纤的耦合问题：光源光束的发射角与数值孔径决定的最大收光角之间的关系。2光源与光纤的耦合解决方案1：最大收光角将光纤端面尽可能靠近光源的发光面纤芯包层2光源与光纤的耦合解决方案2：纤芯包层纤芯包层端面透镜使收光角增大拉锥烧球方法在光纤端面上形成一个透镜该方案耦合效率重要参数：面LED1%，边LED10%，LD40%2光源与光纤的耦合解决方案3：采用球透镜的共焦耦合方式该方案耦合效率重要参数：LD70%本讲主要内容1光源的选择2光源与光纤的耦合3驱动电路4自动功率控制（APC）电路5自动温度控制（ATC）电路6其他一些电路3驱动电路驱动电路的分类和要求：按方案来分：

1）外调制方案：电流驱动产生直流光信号——电光转换；

2）内调制方案：调制的电信号产生调制的光信号——信号调制+电光转换；激光器激光器驱动电路外调制器外调制器驱动电信号外调制：激光器激光器驱动电路内调制：电信号3驱动电路按调制信号要求来分：

1）模拟信号——模拟调制驱动电路；

2）数字信号——数字调制驱动电路。LEDLD简单模拟调制电路模拟调制：3驱动电路LED的数字调制：LED简单LED数字调制电路恒流源输入电压大于参考电压输入电压小于参考电压“1”“0”3驱动电路LDLD的数字调制：简单LD数字调制电路恒流源>VBB<VBB直流偏置问题：如何实现不加反相器呢？3驱动电路说明：1）电子管和其他电子元件存在分布参数限制光发射机性能；2）对于高于1Gb/s的驱动电路采用光电混合集成电路（OEIC）来实现。射极耦合逻辑驱动电路本讲主要内容1光源的选择2光源与光纤的耦合3驱动电路4自动功率控制（APC）电路5自动温度控制（ATC）电路6其他一些电路4自动功率控制（APC）电路为什么需要进行自动功率控制？

1）接收机对输入光功率的要求； 下限：接收机灵敏度，上限：过载光功率。

2）判决阈值的要求； 接收机中平均输入光功率的变化，要求判决阈值相应变化。

3）其他：线路中光放大器输入光功率的要求等。因此要求光发射机。输出光功率稳定4自动功率控制（APC）电路引起输出光功率变化的因素有：温度变化激光器老化随着温度的升高，输出光功率减小随着使用时间的增加，输出光功率减小4自动功率控制（APC）电路自动功率控制的原理：光发射机光功率输出光功率

自动反馈：

控制对象：恒流源不可行调节调制电流强度4自动功率控制（APC）电路IP老化情况：IP温度变化情况：调节偏置电流可行4自动功率控制（APC）电路VbVeR要求：1）P减小，Vb增大；P增大，Vb减小。

2）正常情况下，“0”信号与“1”信号具有相同的Vb。

3）消除PIN噪声的影响。检测光信号接反相输入端输入信号作为参考信号A3带电容的积分电路4自动功率控制（APC）电路驱动和APC电路本讲主要内容1光源的选择2光源与光纤的耦合3驱动电路4自动功率控制（APC）电路5自动温度控制（ATC）电路6其他一些电路5自动温度控制（ATC）电路温度对激光器的影响P-I特性的影响：结论1：随着温度的升高，阈值电流呈指数增长 输出功率明显下降；当温度升高到一定程度时，LD有可能不 受激辐射LD5自动温度控制（ATC）电路光谱特性的影响：波长（nm）结论2：随着温度的升高，输出光谱要发生移动。5自动温度控制（ATC）电路激光器致冷器热沉热敏电阻控制电路冷面热面自动温度控制系统结构致冷器说明：半导体致冷器（热电致冷器，thermalelectricalrefrigerator）， 原理：帕尔帖效应（热电效应）5自动温度控制（ATC）电路T升高，RT减小；RT：负温度系数热敏电阻UoUo>0，增大电流正向流动，制冷Uo<0三极管截止，无制冷电流，不制冷T降低，RT增大；本讲主要内容1光源的选择2光源与光纤的耦合3驱动电路4自动功率控制（APC）电路5自动温度控制（ATC）电路6其他一些电路6其他一些电路其他辅助电路：告警电路和保护电路告警电路：（1）无光告警：光信号中断，无光告警指示灯亮。（2）寿命告警：APC中偏置电流Ib增大到1.5Ith时，发出寿命告警，需要更换激光器。（3）温差告警：温度超过工作温度±5oC，关掉偏置和调制电流，发出温差告警。6其他一些电路保护电路：慢启动和限流保护慢启动：（1）R1和C1组成一个低通滤波器；（2）在接通电源后，偏流缓慢启动，经过一定时间延迟（由R1、C1的大小决定）后，电路才达到稳定状态。限流保护：（1）Ib增大，R2压降增大，导致BG2导通；（2）BG2导通减小BG1中Vbe电压，减小Ib。小结激光器

光纤驱动电路自动功率控制电路自动温度控制电路耦合装置电信号光信号光线路码光线路码定义：光纤线路中传输的码型。光线路码的基本要求：（1）能进行业务误码检测；（2）避免码流中长连“0”和长连“1”，利于时钟提取；（3）减少功率谱密度中的高、低频分量，降低系统带宽的要求和减小信号的基线漂移；（4）码率的提高要小。光线路码分为三类：伪双极性码、mBnB码、插入比特码。（1）伪双极性码AMI码：传号交替反转，是一种三电平码。问题：光通信中强度调制无负脉冲。解决办法：2bit信号光信号表示1bitAMI码信号——伪双极性码。伪双极性码：CMI码和DMI码AMICMIDMI+0－11010011“+”之后为01，“－”之后为1000AMI码与CMI和DMI码的变换规则（1）伪双极性码二值码CMIDMI模式1模式2模式1模式20101000111010010（连“0”模式不变）11二值码与CMI和DMI码的变换规则CMI：DMI：（2）mBnB码伪双极性码的缺点：码率提高过高；mBnB码（组码）：m比特变换为n（n>m）比特。常用mBnB码：1B2B码，2B3B码，3B4B码，5B6B码，5B7B码，6B8B码和7B8B码。CMI和DMI：是一种1B2B码；常用的8B10B码是由3B4B和5B6B码变换而成。数3B4B模式1模式2012345670000010100111001011101110100001101010110100110101100001010110011010101101001101011001101（2）mBnB码特点：当选用的码“0”和“1”不均等时，采用两种模式转换。3B4B码变换规则（3）插入比特码插入比特码：

m比特分成一组，在每一组码的末尾加入一个比特码构成线路码。用途分类：mB1P码和mB1C码。mB1P码：附加奇偶校验；mB1C码：避免长连“0”或“1”；“1”偶校验M位反码2.3.2光接收机1、光接收机的组成；2、前端；3、线性通道；4、数据恢复；5、集成光接收机。1、光接收机的组成；2.3.2光接收机1、光接收机的组成；2、前端；3、线性通道；4、数据恢复；5、集成光接收机。2、前端前端作用：将光电二极管输出的信号放大到合适的程度，以便送入主放大器和后续处理电路。前端组成：光电二极管和前置放大器。光电二极管：一般采用PIN光电二极管或APD雪崩光电二极，它们性能的优劣直接影响整个光接收机的性能

。前置放大器：光电检测器输出的光电流是十分微弱的，需要多级放大器进行放大，多级放大器的前级为前置放大器。二极管等效电路模型：电路带宽：前端分类：（1）高阻抗前端；（2）跨阻抗前端。2、前端；分析：（1）RL增大，提高接收灵敏度，但减小带宽Δf； （2）RL减小，提高带宽Δf，降低接收灵敏度。2、前端；高阻抗前端模型：特点：（1）RL大增大了前置放大器的输入电压；（2）降低热噪声和增加接收灵敏度；（热噪声）（3）带宽较窄。注：CT包含了光电二极管的结电容和前置放大器的晶体管引入的电容。2、前端；跨阻抗前端模型：特点：（1）负反馈使得等效输入阻抗为RL/G，带宽提高了G倍；（2）同时具有高接收灵敏度和高带宽的特点。（3）在多数光接收机中采用。2.3.2光接收机1、光接