情境光检测器与接收机

情境光检测器与接收机第1页，共52页，2023年，2月20日，星期四情境4-2

光检测器与光接收机第2页，共52页，2023年，2月20日，星期四4.2.1光检测器4.2.2光电二极管4.2.3光接收机4.2.4光中继器第3页，共52页，2023年，2月20日，星期四光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号数字光接收机前端线性通道时钟提取数据再生第4页，共52页，2023年，2月20日，星期四光接收机是光纤通信系统的基本组成部分之一，主要完成光电检测及信号处理，即实现光／电（O/E）转换光接收机的首要任务是将微弱的光信号转换为电信号，再对电信号进行整形、放大以及再生光接收机的首要部件是光检测器，它是影响着光接收机性能的重要器件第5页，共52页，2023年，2月20日，星期四光电检测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换。对光检测器的基本要求是：①在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；②具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；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。目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。4.2光电检测器第6页，共52页，2023年，2月20日，星期四

光检测器1.光检测器作用利用半导体的光电效应将光信号转换成电信号。光检测器件质量的优劣在很大程度上决定了光接收机灵敏度的高低。

从损耗的角度出发，光接收机灵敏度和光源器件的发光功率、光纤的损耗三者一起便决定了光纤通信的传输距离。第7页，共52页，2023年，2月20日，星期四

PN结耗尽层内建电场VCC当PN结两端加上反向偏置电压时，耗尽区加宽，势垒加强。第8页，共52页，2023年，2月20日，星期四光电二极管的工作原理当光照射到光电二极管的光敏面上时，能量大于或等于带隙能量Eg的光子将激励价带上的电子吸收光子的能量而跃迁到导带上，可以产生自由电子-空穴对（称为光生载流子）。电子-空穴对在反向偏置的外电场作用下立即分开并在结区中向两端流动，从而在外电路中形成电流（光电流）。第9页，共52页，2023年，2月20日，星期四2.光纤通信对光检测器的要求响应度(量子效率)高响应度是指输入单位光功率信号时光检测器所产生的电流值。因为从光纤传输来的光信号十分微弱，仅有毫微瓦（nw）数量级，要想从中检测出通信信息，光检测器必须具有很高的响应度，即必须具有很高的光/电转换效率η。

噪声低光检测器在工作时会产生一些附加噪声如暗电流噪声、雪崩噪声等。这些噪声如果很大，就会附加在只有毫微瓦数量级的微弱光信号上，降低了光接收机的灵敏度。

工作电压低与光源器件不同，光检测器是工作在反向偏置状态。有一类光检测器件APD，必须处在接近反向击穿状态才能很好的工作，因此需要较高的工作电压（100伏以上）。工作电压过高,会给使用带来不便。

体积小、重量轻、寿命长由于光检测器的光敏面（接收光的面积）一般都可以做到大于光纤的纤芯，所以从光纤传输来的光信号基本上可以全部被光检测器件接收，故不存在与光纤的耦合效率问题。

第10页，共52页，2023年，2月20日，星期四3.光检测器的类型光电倍增管热电检测器光电二极管PIN光电二极管雪崩光电二极管APD为了提高接收机的灵敏度，又常将PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD与场效应管（FET）组合成为PIN-FET和APD-FET接收机组件，这样它们兼有光电转换和放大作用第11页，共52页，2023年，2月20日，星期四结构普通光电二极管的工作原理

在耗尽区形成漂移电流。内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动电子和空穴的扩散运动PN结合区自建电场称耗尽区

（1）PIN光电二极管第12页，共52页，2023年，2月20日，星期四如果光子的能量大于或等于带隙(hf≥Eg)当入射光作用在PN结时发生受激吸收在PN结施加反向电压（N接正、P接负）的情况下，受激吸收过程产生的电子空穴对在电场的作用下,分别离开耗尽区，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，从而在外电路形成光生电流。当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。第13页，共52页，2023年，2月20日，星期四PIN光电二极管的工作原理要得到高的量子效率，必须采取如下措施：(1)减小入射表面的反射率；(2)尽量减小光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽层的宽度。因此，为了得到高的量子效率，常采用PIN结构，如图5.2所示。

图5.2PIN光电二极管第14页，共52页，2023年，2月20日，星期四PIN光电二极管的工作原理I区是一层接近本征的掺杂很低的N区，在这种结构中，零电场区（区和区）非常薄，而低掺杂的I区很厚，耗尽层几乎占据了整个PN

结，从而使光子在耗尽区被充分吸收。对于InGaAs材料的光电二极管，往往还采用异质结结构，耗尽区(InGaAs)夹在宽带隙的InP材料之间，而InP对于入射光几乎是透明的。第15页，共52页，2023年，2月20日，星期四PIN光电二极管

光检测器中最普通且实用是PIN光电二极管优点：附加噪声小、工作电压低、工作寿命长、使用方便和价格便宜。缺点：没有倍增效应，因而用它作的接收机灵敏度不高。应用：较短距离的光纤通信。（小容量与大容量皆可）第16页，共52页，2023年，2月20日，星期四（2）APD雪崩光电二极管

1.结构

APD是一个光电二极管和一个电信号放大器的集成器件。在PIN增加了一个π层（i区），组成了n+pπp+多层结构。其中，n+表示重掺杂的N型；p+表示外延的重掺杂的P型。

π区是i本征材料（耗尽区），吸收光子产生一次电子－空穴对；p层位于n+和π之间，称倍增层，通过碰撞电离在倍增层产生二次电子－空穴对。 第17页，共52页，2023年，2月20日，星期四设计动机：在光生电流尚未遇到后续电路的热噪声时已经在高电场的雪崩区中得到放大，因此有助于提高接收机灵敏度。（2）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,有增益第18页，共52页，2023年，2月20日，星期四优点：具有放大效应，由它制成的光接收机具有很高灵敏度，可大大增加系统的传输距离。缺点：产生了雪崩噪声。应用：大容量、长距离的光纤通信。第19页，共52页，2023年，2月20日，星期四4.2.2光电二极管特性1.主要特性参数量子效率响应速度检测器噪声第20页，共52页，2023年，2月20日，星期四光电检测器的特性指标1.响应度在一定波长的光照射下，光电检测器的平均输出电流与入射的平均光功率之比称为响应度(或响应率)。响应度可以表示如下：式中：Ip为光生电流的平均值(单位：A)；P为平均入射光功率值(单位：W)。第21页，共52页，2023年，2月20日，星期四2.量子效率 响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性。量子效率定义为通过结区的载流子数与入射的光子数之比，常用符号η表示：第22页，共52页，2023年，2月20日，星期四

光检测器常用另一个参数——响应度R来衡量，其定义为光生电流Ip(A)与输入光功率Pin（W）之比，即

因为入射光功率Pin对应于单位时间（秒）内平均入射的光子数Pin/(hfc)，而入射光子的量子效率η部分被吸收，并在外电路中产生光电流，则有式中：e是电子电荷，其值约为1.6×10-19G；ν为光频。第23页，共52页，2023年，2月20日，星期四响应度用波长表示为第24页，共52页，2023年，2月20日，星期四输入输出特性：输入光功率P，输出光电流I，射入光电二极管激活区的光子越多，产生的载流子越多，光电流越大。I=RP（3.3-1）R是常量（响应度）。其关系如下图所示：图3.3-2光电二极管的响应度a)输入输出特性b)响应度和波长的关系c)暗电流第25页，共52页，2023年，2月20日，星期四例题：光电二极管的响应度是0.85A/W，饱和输入光功率是1.5mW，当入射光功率是1mW和2mW时，光电流分别是多少？I=RP=[0.85A/W]×[1.5mW]=0.85mA当输入光功率是2mW时，公式I=RP不适用，因此我们无法得到光电流的值。解：当输入光功率是1mW时，由I=RP，可得，第26页，共52页，2023年，2月20日，星期四3.响应速度光电二极管的响应速度是指它的光电转换速度。它取决于以下三个因素：1、耗尽区的光载流子的渡越时间；2、耗尽区外产生的光载流子的扩散时间；3、光电二极管以及与其相关的电路的RC时间常数。

影响这三个因素的参数有：耗尽区宽度w、吸收系数as、等效电容、等效电阻等。第27页，共52页，2023年，2月20日，星期四4.光电检测器的噪声输出端光信噪比：S/N=光电流信号/(光检测器噪声功率+放大器噪声功率)为了得到较高的信噪比：1.光检测器具有较高的量子效率，以产生较大的信号功率2.使光检测器和放大器噪声尽可能的低第28页，共52页，2023年，2月20日，星期四二.光检测器的比较PIN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APD二极管特点：灵敏度高高增益高电压，结构复杂噪声大使用场合：PIN：广泛应用于光纤通信系统。在灵敏度要求不高的场合，一般都采用PINAPD：在光接收机灵敏度要求高的场合，采用APD。如小信号测量。第29页，共52页，2023年，2月20日，星期四3.光检测器的注意事项光电检测器是反向加压的，与光源的使用正好相反工作电压应选择最佳偏压，以便得到最大的信噪比更换检测器时，应选择性能参数一致或接近的器件，以减少调试的工作量，应调整活动连接器使之处于最佳位置，以保证接收机输出的眼图最清晰使用过程中应防止高温偏置、热循环以及管子漏气受湿度的影响防止静电击穿第30页，共52页，2023年，2月20日，星期四复习题1、光电二极管的主要功能是什么？2、InGaAs光电二极管的量子效率是70%，它的响应度是多少？3、响应度是如何依赖光信号的波长的？4、P-I-N代表什么意思？5、与P-N光电二极管相比P-I-N的优点是什么？6、与P-I-N光电二极管相比APD的优点是什么？7、APD的缺点是什么？第31页，共52页，2023年，2月20日，星期四4.2.3光接收机功能：把经光纤远距离传输后的微弱信号检测出来，放大再生成原来的电信号。第32页，共52页，2023年，2月20日，星期四光接收机概述光纤通信系统分为模拟和数字两种传输系统。在这两种不同系统中采用的光接收机分别称为模拟光接收机和数字光接收机。相比于数字光接收机，模拟光接收机比较简单，其原理框图如图5.8(a)所示。数字光接收机原理框图如图5.8(b)所示，可以看出，数字接收机更为复杂一些，在主放大器后还有均衡滤波器、自动增益控制电路、时钟恢复与判决电路。第33页，共52页，2023年，2月20日，星期四光接收机概述图5.8光纤通信接收机原理框图

第34页，共52页，2023年，2月20日，星期四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输出AGC电路性能指标:接收灵敏度、误码率或信噪比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1.数字光接收机组成第35页，共52页，2023年，2月20日，星期四（1）光接收机的前端前端：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第36页，共52页，2023年，2月20日，星期四光检测器的选择：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。第37页，共52页，2023年，2月20日，星期四（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电路第38页，共52页，2023年，2月20日，星期四（3）判决再生与时钟提取功能：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第39页，共52页，2023年，2月20日，星期四2.光接收机的主要性能指标接收灵敏度，反映了接收机检测微弱信号的能力误码率或信噪比动态范围，反映了接收机适应输入信号变化的能力第40页，共52页，2023年，2月20日，星期四4.2.4光中继器随着传输线路的延长，会由于传输损耗而使脉冲衰减，同时加上传输线路的失真特性（光纤中的各种色散）产生脉冲波型的失真。因此，需要中继器来进行修复。光中继器主要是放大和处理经衰减和变形了的光脉冲。目前的光中继器常采用光电再生中继器，即光一电－光中继器，这相当于光纤传输的接力站。如此，就可以把传输距离大大延长。中继距离受光纤线路损耗和色散(带宽)的限制，明显随传输速率的增加而减小。第41页，共52页，2023年，2月20日，星期四1.光中继器的功能补偿光能量损耗，对畸变失真的信号波形进行整形2.光中继器分类传统的光中继器（即光电中继器）全光中继器第42页，共52页，2023年，2月20日，星期四（1）光电中继器在光放大器研制成功之前，主要采用光电混合中继器放大光信号首先将光纤中送来的光信号转换为电信号，然后对电信号进行放大，最后再将放大了的电信号转换为光信号送到光纤中去，即光－电－光方式第43页，共52页，2023年，2月20日，星期四3R：re-amplifying

再放大（光放大器的功能）

re-timing

再定时（消除时间抖动）

re-shaping

再整形（消除波形畸变）通过这3个R，得到接近于发射端的光信号的copy，从而延长传输距离，提高信号质量。第44页，共52页，2023年，2月20日，星期四3R再生功能放大消除波形畸变消除时间抖动第45页，共52页，2023年，2月20日，星期四优点：光－电－光中继方式对于单个波长且数据速率不太高的通信很适用缺点：对于高速率的多个波长系统相当复杂，尤其在波分复用系统中问题更为显著；另一方面，对于很高的数据速率，电放大器的实现难度很大第46页，共52页，2023年，2月20日，星期四（2）全光中继器全光中继方式是直接在光路上放大光信号，即克服光纤衰减的最有效的措施