光探测及光接收机

光探测及光接收机第1页，共36页，2023年，2月20日，星期日光发射机发射的光信号经光纤传输损耗：信号幅度衰减色散：信号波形展宽光接收机作用检测微弱光信号、放大、整形、还原成为输入信号器件光电检测器：利用光电效应把光信号转变为电信号光电二极管：PIN管，雪崩二极管APD基本要求灵敏度高、响应快、成本低、可靠性高、耦合性能好第2页，共36页，2023年，2月20日，星期日5.1数字光接收机

强度调制的数字光信号，接收端采用直接检测（DD）。

IM-DD数字光纤接收机(IM-DD:IntensityModulation-DirectDetection)光信号光电检测器前置放大主放大均衡滤波判决器译码器时钟恢复偏置控制输出电信号码型变换器解复用器告警电路AGC电路告警信号第3页，共36页，2023年，2月20日，星期日光电检测器：光信号转换成电信号

PIN－－半导体光电二极管

APD－－雪崩光电二极管2.前置放大器：低噪声放大器减弱或防止电磁干扰抑制噪声（热噪声和散粒噪声）放大信号（1）带宽和灵敏度：接收机中心问题（降低输入噪声，提高灵敏度）高输入阻抗前置放大器：高输入阻抗可减小热噪声，提高接收机灵敏度，但降低带宽。第4页，共36页，2023年，2月20日，星期日

（2）带宽与均衡滤波：均衡滤波技术消除码间干扰，扩大带宽。主放大器：（1）提供足够大的增益，达到判决电路所需的信号电平；（2)增益受AGC电路控制。4.均衡滤波:虑除波形展宽，消除码间干扰。5.判决器/时钟恢复：对信号进行再生，包括调谐放大、限幅、整形、移相。6.解复用器:若发射端复用,则接收端需解复用。译码/码型变换器：（1）若发射端进行了扰码，需要译码；（2）HDB3、CMI码等解码。第5页，共36页，2023年，2月20日，星期日5.2光电检测过程的基本原理(1)入射光子的能量hf超过禁带能量Eg，进入耗尽层，在耗尽区吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。

(2)在PN结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子－空穴对在电场作用下，分别离开耗尽区，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N区进入正电极，从而形成在外电路中的光生电流Ip。（图示）第6页，共36页，2023年，2月20日，星期日

光电效应必须满足条件：hf>Eg入射光耗尽层IpRLwU电极P＋N－第7页，共36页，2023年，2月20日，星期日光电二极管：PINPIN二极管：在P+和N-之间加入一个Si中掺杂较少的I层，作为耗尽层，I层较宽，约有5um～50um，可吸收绝大部分光子。响应时间由光生载流子穿越耗尽层的宽度W所决定。增加W会使更多的光子被吸收，从而增加量子效率，但是载流子穿越W的时间增加，响应速变慢。第8页，共36页，2023年，2月20日，星期日响应波长——（截止波长）任何一种材料制作的光电二极管，都有第9页，共36页，2023年，2月20日，星期日

性能参数量子效率η

η=(hf/q)Rq:电荷响应度R

光电检测器的响应度。暗电流Id，表示无光照时出现的反向电流，影响接收机的信噪比。响应速度：对光信号的反应速度。结电容Cd（pF）：影响响应速度。第10页，共36页，2023年，2月20日，星期日雪崩光电二极管

APD:Avalanchephotodiode(1)速度高，增益大，广泛应用于光通信系统中。

(2)能承受高的反向偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区，电子－空穴对经过电场区时被加速，又可能碰到其他原子，多次碰撞电离的结构，使载流子迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪崩倍增效应。第11页，共36页，2023年，2月20日，星期日APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器平均雪崩效应，经验公式第12页，共36页，2023年，2月20日，星期日新型APD(1)采用InP材料作增益区的异质结——分别吸收和倍增APD:SAMAPD(SeparateAbsorptionandMultiplicationAPD),目的是使工作波长在1.3um～1.6um波长波段上。(2)分别吸收、渐变、倍增APD：SAGMAPD(SeparateAbsorptionGradingandMultiplicationAPD),在InCaAs、InP之间增加一层带隙介于两者之间的半导体材料，克服SAMAPD响应时间长的缺点。(3)多量子阱MQWAPD：MultipleQuantumWell,利用InCaAs、InP交替变化的结构，从而形成高低带隙交替变化的半导体层.第13页，共36页，2023年，2月20日，星期日MSM光探测器：金属－半导体－金属光探测器（Metal－Semiconductor－Metal），基本原理一样，入射光子产生电子－空穴对，电子－空穴对的波动产生光电流集成光学光电探测器为适应光电子集成电路（OEIC）的要求，研究适用于单片集成的各种光波探测器，光波导探测器，不采用光压电方式，采用光电导和雪崩方式第14页，共36页，2023年，2月20日，星期日(1)外延生长InGaAs探测器采用外延生长的方式制作，通过控制材料中In的含量，可使器件在0.85～5.3um光波长范围内工作;通过适当选择InGaAs中的掺杂浓度，使耗尽层厚度正好等于波导厚度，并使InCaAs的横截面大于波导的横截面，有可能达到100%的量子效率。(2)电吸收光波导探测器入射光频姐姐禁带宽度时，光吸收的大小主要取决于外加电场的大小，电吸收效应

(3)离子注入探测器在CaAs衬底中注入高能离子，形成光波导。第15页，共36页，2023年，2月20日，星期日5.3光接收机的性能5.3.1信噪比产生噪声原因（1）散粒噪声：由检测器本身引起入射光功率产生的光电流：第16页，共36页，2023年，2月20日，星期日热噪声：电子在光电二极管负载电阻上的随机热运动，即使外加电压为零，也产生电流的随机起伏。第17页，共36页，2023年，2月20日，星期日PIN光接收机：只对信号进行光电转换，而无放大功能。第18页，共36页，2023年，2月20日，星期日APD光接收机

APD的内部增益使产生的电流扩大了M倍，即：

第19页，共36页，2023年，2月20日，星期日散粒噪声第20页，共36页，2023年，2月20日，星期日第21页，共36页，2023年，2月20日，星期日5.3.2光接收机的灵敏度灵敏度是光接收机最重要的指标之一，指保证完成一定通信质量条件下所需要接收的最小信号功率Ps。Ps越小越好，受噪声限制。

通过误码率判断第22页，共36页，2023年，2月20日，星期日影响光接收机灵敏度的因素：暗电流。倍增失调使灵敏度下降:(自动增益控制)。放大器的噪声使灵敏度下降。接收机总电容C〔包括探测器电容、前置放大器输入电容〕，C增大一倍，灵敏度下降一倍。第23页，共36页，2023年，2月20日，星期日比特率对灵敏度影响：比特率越大，灵敏度下降越多。输入波形脉冲对灵敏度影响：波形越宽，灵敏度下降越大。第24页，共36页，2023年，2月20日，星期日5.3.3光接收机误码率比特误码率（BER）：最重要指标之一。定义为码元在传输过程中出现差错的概率，出错码元数、传输总码元数。数字光接收机的要求：采用非归零码时：BER=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)第25页，共36页，2023年，2月20日，星期日0、1的出现是等概率时，P(0)=P(1)=0.5，得BER＝0.5〔P(0/1)+P(1/0)]判决门限阴影区表示<或>概率概率分布第26页，共36页，2023年，2月20日，星期日高斯随机过程：第27页，共36页，2023年，2月20日，星期日最佳判决电流第28页，共36页，2023年，2月20日，星期日在实际系统中

I0=0I1=MPinR

第29页，共36页，2023年，2月20日，星期日实际上，热噪声与信号电流无关，仅有热噪声或散粒噪声很小时，散粒噪声与信号电流有关时，最佳判决情况下：

第30页，共36页，2023年，2月20日，星期日5.3.4最小平均接收光功率用来计算最小接收光功率：设定“0”码时不发射光功率Io＝0Po＝0“1”码功率为P1

第31页，共36页，2023年，2月20日，星期日第32页，共36页，2023年，2月20日，星期日第33页，共36页，2023年，2月20日，星期日5.3.5光接收机的性能指标性能监测：光谱仪，观察接收信号的眼图绝对最大额定值：正向电流反向电流反向电压第34页，共36页，2023年，2月20日，星期日光学和电学特性参数正向压降量子效率