第四章光检测与光接收机

光检测器及光接收机光纤通信第四章王立湖南文理学院电信学院通信工程教研室光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号。光接收机本章重点两种常用光检测器的工作原理及工作特性光接收机的组成及各部分的功能光接收机的性能指标光接收机的噪声分析4.1光检测器4.2光接收机4.3光接收机的噪声分析4.4光接收机的灵敏度4.5光接收机的性能评估第四章光检测器及光接收机光接收机的首要部件是光检测器光检测器的作用是：检测出入射在其上面的光功率，且将光功率转化相应的电流适合通信用的光检测器：光电二极管(主要有Pin光电二极管和雪崩光电二极管)4.1光检测器4.1.1光电二极管的作用光纤通信中对光检测器的最重要的几点要求：对所用光源的波长范围内有较高的响应度或灵敏度较小的噪声响应速度快对温度变化不敏感与光纤尺寸匹配工作寿命长光电二极管：尺寸小、灵敏度高、响应速度快、材料合适4.1.2PN光电二极管工作原理：入射光从P侧进入，在耗尽区光吸收产生的电子－空穴对在内建电场作用下分别向左右两侧运动，产生光电流。响应时间：由于光生电流包含了漂移分量和扩散分量，扩散的速度比漂移的速度慢很多，使检测器输出的电流脉冲的拖尾延长，限制了光电转换速度。设法加宽耗尽层，使得照射光子尽可能被吸收，负偏压有助于加宽耗尽层。由于负偏压产生的电场与内建电场方向一致，使得耗尽层电场增强，加强了漂移运动，N区电子向正极运动并被中和，P区的空穴向负电极运动并被中和，这样耗尽层被加宽。减少P区和N区的厚度来减少载流子的扩散时间，减少P区和N区被收的光能降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层。这种结构就是常用的PIN光电二极管提高响应速度采用的办法4.1.3PIN光电二极管

一结构及工作原理在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大耗尽区宽度w，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的要求。由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导体(Intrinsic)，因此这种结构称为PIN光电二极管。I区高阻抗,电压基本都落在I区PIN光电二极管及反偏时各层的场分布二主要工作特性（1）

1截止波长吸收系数对一给定的探测区材料就有一个能够探测的最低频率或最大波长，而对波长大于这个极限波长的光波就不能被探测到。光子能量h大于半导体材料的禁带宽度Eg时，价带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，否则不论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任何一种材料制作的光电二极管都有上截止波长C：在短波长段，材料的吸收吸收系数变得很大，因此光子在接近光检测器的表面就被吸收了，电子－空穴对的寿命极短，结果载流子在由光检测器电路收集以前就已经复合了。Si：C=1.06m，使用范围：0.5~1.0mGe：C=1.6m，使用范围：1.1~1.6mInGaAs：C=1.6m，使用范围：1.1~1.6m二主要工作特性（2）

2量子效率和响应度入射光功率Pin中含有大量光子，能转换为光电流的光子数和入射总光子数之比称为量子效率.光生电流I0与入射光功率Pin之比称为响应度

R0=I0/Pin响应度与量子效率的关系产生的电子－空穴对的个数入射的光子数二主要工作特性3）为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得可以吸收大部分的光子。3响应时间响应时间：由光功率输入转化为光电流输出，有一定时间迟后，其值取决与光检器电路的上升时间、载流子通过耗尽区的渡越时间、载流子扩散时间。主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间。

由渡越时间限制的上截止频率二主要工作特性（4）

二主要工作特性（5）

4线性饱和当入射光功率太大时，光生电流与光功率不成正比，产生非线性失真。5暗电流在无光照射时仍有电流流过，这部分电流称为暗电流.反向电压越大，暗电流越大。4.1.4雪崩光电二极管APDPIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益APD:利用电离碰撞,1个光子产生多对电子-空穴对,有增益工作过程：入射光-------一对电子-空穴对(一次光生电流)--------------与晶格碰撞电离---------多对电子-空穴对(二次光生电流）吸收外电场加速增加了一个附加层，倍增区或增益区，以实现碰撞电离产生二次电子－空穴对。耗尽层仍为I层，起产生一次电子－空穴对的作用。1、倍增系数

G=Ip/I0

IP--平均输出电流，I0--一次光生电流IP＝G

I0＝GRPin

倍增系数G与外加偏压、波长、温度有关。2、过剩噪声因子F在APD中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外的倍增噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子F来表征这种倍增噪声。F又可近似表为：F＝Gxx被称为过剩噪声指数。二APD的工作特性（1）二APD的工作特性（2）3、响应度和量子效率响应度提高G倍，量子效率与倍增无关4、暗电流随倍增因子G的增大而增大5、线性饱和主要是由于反向偏压不能保持恒定三光检测器的比较（1）参数符号单位SiGeInGaAs波长范围nm400~1100800~16501100~1700响应度RA/W0.4~0.60.4~0.50.75~0.95暗电流IDnA1~1050~5000.5~2.0上升时间rns0.5~1.00.1~0.50.05~0.5带宽BGHz0.3~0.70.5~3.01.0~2.0偏置电压VBV55~105Si、Ge、InGaAspin光电二极管的通用工作特性参数光检测器的比较（2）参数符号单位SiGeInGaAs波长范围nm400~1100800~16501100~1700雪崩增益M——20~40050~20010~40暗电流IDnA0.1~150~50010~50@M=10上升时间rns0.1~20.5~0.80.1~0.5增益带宽积M•BGHz100~4002~1020~250偏置电压VBV150~40020~4020~30Si、Ge、InGaAs雪崩光电二极管的通用工作特性参数光检测器的比较（3）在短距离的应用中，工作在850nm的Si器件对于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。在长距离的链路常常需要工作在1330nm和1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。APD检测器与PIN检测器相比，具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。4.1光检测器4.2光接收机4.3光接收机的噪声特性4.4光接收机的灵敏度4.5光接收机的性能评估第四章光检测器及光接收机4.2数字光接收机光信号光电变换前置放大主放大器均衡滤波判决器时钟恢复电信号输出AGC电路性能指标:接收灵敏度、误码率和动态范围前端线性通道时钟提取与数据再生（CDR）对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。4.2.1光接收机的前端(1)前端：由光电二极管和前置放大器组成。作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然后进行预放大（电流－电压转换），以便后级作进一步处理。是光接收机的核心。要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽电信号光信号光电变换前置放大4.2.1光接收机的前端(2)光检测器的选择：要视具体应用场合而定。PIN光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工作电压，响应速度快。APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用PIN光电二极管作光探测器。前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管(FET)。PIN/FET和APD/FET。4.2.1光接收机的前端(3)根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：低阻抗前端高阻抗前端跨（互）阻抗前端光接收机前端的等效电路低阻抗前端从频带要求出发选择偏置电阻RL优点：电路简单，不需要或只需要很少的均衡，动态范围较大缺点：灵敏度低，噪声较高4.2.1光接收机的前端(4)高阻抗前端尽量加大偏置电阻，把噪声减至尽可能小的值优点：噪声较低缺点：动态范围小、高频分量损失太大,对均衡电路提出很高要求.多用于低速系统.跨阻抗前端电压并联负反馈放大器（电流-电压转换器）优点：宽频带（等效输入电阻很小）、低噪声（反馈电阻可以取得很大）、灵敏度高、动态范围大等综合优点，被广泛采用。4.2.2光接收机的线性通道对主放输出的失真数字脉冲进行整形，使之成为有利于判决码间干扰最小的升余弦波形。可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收机的动态范围。提供高的增益，放大到适合于判决电路的电平。主放大器均衡滤波AGC电路

均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形4.2.3判决再生与时钟提取任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号为确定是“1”或是“0”，需要对某时隙的码元作出判决。若判决结果为“1”，则由再生电路产生一个矩形“1”脉冲；若判决结果为“0”，则由再生电路重新输入一个“0”。为了精确地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致。判决器时钟恢复输出判决、再生过程均衡器输出波形时钟再生后的信号判决电压最佳取样时间相应于“1”和“0”信号电平相差最大的位置，可有眼图决定。4.1光检测器4.2光接收机4.3光接收机的噪声分析4.4光接收机的灵敏度4.5光接收机的性能评估第四章光检测器及光接收机4.3光接收机的噪声分析光接收机的噪声将影响信噪比SNR和通信质量。主要来自光电探测器和前置放大器的噪声。分为两类：散粒噪声和热噪声。光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：散粒噪声光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时，光电子的产生和收集过程具有统计特性(泊松分布)。光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光检测过程的基本特性，从而使当其他条件都达到最佳化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：暗电流噪声：当没有光信号照射光检测器时，外界的一些杂散光或热运动也会产生一些电子——空穴对，光检测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：漏电流噪声：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电压时，会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构和严格的工艺降低。光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：APD倍增噪声：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的随机特性产生附加的噪声。光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：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。光接收机的噪声源光检测器引入的噪声1量子噪声:〈i2q〉=2eIPB(PIN)〈i2q〉=2eIPBg2+x(APD)2暗电流噪声:〈i2d〉=2eIdB(PIN)〈i2d〉=2eIdBg2+x(APD)3负载电阻产生的热噪声:〈i2T〉=光接收机的噪声源光接收机电路噪声1放大器输入电阻产生的热噪声:〈i2T〉=2放大器中晶体管引入噪声4.1光检测器4.2光接收机4.3光接收机的噪声特性4.4光接收机的误码率4.5光接收机的灵敏度第四章光检测器及光接收机4.4光接收机的误码率BER=错误的码元数/总码元数二进制信号的误码概率I1I0二进制信号的误码概率I1I0在发“0”时，平均噪声功率N0=NA,NA为前置放大器的平均噪声功率。发“0”码时噪声的概率密度函数为把0误判为1的概率为二进制信号的误码概率I1I0发1码时，平均噪声功率N1=NA+ND.这时噪声电流的幅度为I1-Im,若I1-Im<ID-Im,就会把1判成0二进制信号的误码概率I1I0“0”和“1”码一般误码率不相等，但对于“0”和“1”等概率出现时，一般认为它们的误码率相等。因此总的总误码率(BER)可以表示为式中Q=

Q称为超扰比，含有信噪比的概念。它还表示在对“0”码进行取样判决时，判决门限值D超过放大器平均噪声电流的倍数。

Q=

Q被广泛用来说明接收机的特性。Q=6，BER=10E-9Q>7，BER<10E-12通常:2.5Gb/s系统的接收灵敏度对应于BER=10E-9；10Gb/s系统的接收灵敏度对应于BER=10E-10；4.1光检测器4.2光接收机4.3光接收机的噪声特性4.4光接收机的误码率4.5光接收机的灵敏度4.6光中继器第四章光检测器及光接收机4.5光接收机灵敏度灵敏度:是在保证通信质量(限定误码率或信噪比)的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm为单位。由定义得到Pr=10lg

灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号4.5光接收机灵敏度理想光接收机的灵敏度

光检测器的暗电流为零，放大器完全没有噪声，系统可以检测出单个光子形成的电子-空穴对所产生的光电流，这种接收机称为理想光接收机。它的灵敏度只受到光检测器的量子噪声的限制，只要有光信号输入，就有量子噪声存在。因此“0”码误判为“１”码的概率为0，即Pe,01=0。误码率为4.5光接收机灵敏度Pe=Pe,01+Pe,10=exp(-n)设传输的是非归零码(NRZ)，每个光脉冲最小平均光能量为Ed，码元宽度为Tb，一个码元平均光子数为n，那么光接收机所需最小平均接收功率为〈P〉min=Pr=10lg4.5光接收机灵敏度实际光接收机的灵敏度在发“0”码的情况下，入射信号的光功率P0=0，输出光电流I0=0。在发“1”码的情况下，入射信号的光功率P1和光电流I1的关系为I1=gρP1=2gρ〈P〉式中，g为APD倍增因子(对于PINPD，g=1)，ρ为光检测器的响应度，〈P〉=(P1+P0)/2为“0”码和“１”码的平均光功率。4.5光接收机灵敏度在放大器输出端“１”码的平均电流Im=I1A，A为放大器增益，因此有Q=给定Q值，便得到限定误