第5章光探测及光接收机

一、选择题3.LD和LED的主要区别是： (a)LD本质上是非相干光源，谱线较宽；而LED却相反 (b)LD是相干光源，它的谱线很窄；而LED却相反4.直接调制是信息信号直接调制光源的

(a)输出光强 (b)输出光的相位5.光隔离器是一种只允许单方向传输光的器件，通常用于消除: (a)反射光的影响 (b)色散的影响6.在由四分之一波长厚的多层介质膜组成的电介质镜中，所有从前后相挨的两个界面上反射的波都具有 (a)相长干涉的特性(相位差为180度) (b)相消干涉的特性 经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数将达到1。目前一页\总数六十页\编于五点二、填空题1.

是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接。2.DFB激光器腔体损耗与

有关3.激光器的阈值电流和输出功率 对

很敏感。目前二页\总数六十页\编于五点三、名词解释 1.DFB 2.光环行器 3.连接器 4.耦合器 5.光开关 6波分复用器目前三页\总数六十页\编于五点第五章光探测及光接收机光电检测器原理、性能和分类直接检测接收机的构成、信噪比、灵敏度和比特误码率目前四页\总数六十页\编于五点光探测器目前五页\总数六十页\编于五点前言发射机发射的光信号经光纤传输后，由第二章我们知道，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了。光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电检测器。对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些要求。目前六页\总数六十页\编于五点5.1光探测原理发生受激吸收产生一个电子空穴对;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，在电场的作用下，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。目前七页\总数六十页\编于五点假如入射光子的能量超过禁带能量Eg，耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。光探测原理----受激吸收目前八页\总数六十页\编于五点在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，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。W为禁带宽度，又称为耗尽区宽度。图5.1.1PN结光电检测原理说明目前九页\总数六十页\编于五点光电检测器响应度目前十页\总数六十页\编于五点5.2光电探测器

光纤通信中最常用的光电检测器是:

PIN光电二极管雪崩光电二极管(APD) 现分别介绍如下目前十一页\总数六十页\编于五点5.2.1PIN光电二极管

----工作原理 简单的PN结光电二极管具有两个主要的缺点。首先，它的结电容或耗尽区电容较大，RC时间常数较大，不利于高频调制。其次，它的耗尽层宽度最大也只有几微米，此时长波长的穿透深度比耗尽层宽度W还大，所以大多数光子没有被耗尽层吸收，因此长波长的量子效率很低。目前十二页\总数六十页\编于五点 为了克服PN管存在的问题，人们采用PIN光电二极管PIN二极管与PN二极管的主要区别是，在P和N层之间加入了一个I层，作为耗尽层。I层的宽度较宽，约有（5~50）m，可吸收绝大多数光子，使光生电流增加。图5.2.1PIN光电二极管目前十三页\总数六十页\编于五点1.PIN光电二极管的响应时间目前十四页\总数六十页\编于五点2.光电二极管的响应波长目前十五页\总数六十页\编于五点光电二极管的响应波长目前十六页\总数六十页\编于五点图5.2.2PIN光电二极管的波长响应曲线目前十七页\总数六十页\编于五点3.PIN光电二极管的性能参数量子效率

响应度R暗电流，表示无光照时出现的反向电流，它影响接收机的信噪比;响应速度,它表示对光信号的反应能力，常用对光脉冲响应的上升或下降沿表示;结电容(pF),它影响响应速度。目前十八页\总数六十页\编于五点例题PIN光电二极管的灵敏度目前十九页\总数六十页\编于五点5.2.2雪崩光电二极管雪崩光电二极管（APD）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。APD的光敏面是

区，紧接着是三个掺杂浓度逐渐加大的P区，分别标记为P,π,和。APD的这种结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区。APD能提供内部增益,且工作速度高， 已广泛应用于光通信系统中。目前二十页\总数六十页\编于五点光生的电子空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量，它们在高速运动中与P区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子空穴对，称为二次电子空穴对。新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。1.APD工作原理

目前二十一页\总数六十页\编于五点2.平均雪崩增益目前二十二页\总数六十页\编于五点5.2.3响应带宽目前二十三页\总数六十页\编于五点光电二极管响应带宽定义目前二十四页\总数六十页\编于五点上升时间定义为输入阶跃光功率时，探测器输出光电流最大值的10%到90%所需的时间。上升时间定义目前二十五页\总数六十页\编于五点受RC时间常数限制的带宽目前二十六页\总数六十页\编于五点目前二十七页\总数六十页\编于五点图5.2.2APD波长响应曲线目前二十八页\总数六十页\编于五点例题带宽目前二十九页\总数六十页\编于五点例题InGaAsAPD响应度目前三十页\总数六十页\编于五点例题SiAPD目前三十一页\总数六十页\编于五点

MSM光电探测器金属-半导体-金属（MSM,Metal-Semiconductor-Metal）光电探测器与PN结二极管结构不同。它是另一种类型的光电探测器。然而，它的光/电转换的基本原理却仍然相同，即入射光子产生电子-空穴对，电子-空穴对的流动就产生了光生电流。目前三十二页\总数六十页\编于五点图5.2.5MSM光电探测器结构目前三十三页\总数六十页\编于五点MSM光电

探测器原理象手指状的平面金属电极沉淀在半导体的表面，这些电极交替地施加电压，所以这些电极间存在着相当高的电场。光子撞击电极间的半导体材料，产生电子-空穴对，然后电子被正极吸引过去，而空穴被负极吸引过去，于是就产生了光生电流。与PIN和APD探测器相比，这种结构的结电容小，所以它的带宽大，这种器件很有可能工作在300GHz。另外它的制造也容易。但缺点是灵敏度低（0.4~0.7A/W），因为半导体材料的一部分面积被金属电极占据了，所以有源区的面积减小了。目前三十四页\总数六十页\编于五点5.3数字光接收机接收机的设计很大程度上取决于发射机使用的调制方式，特别是与传输信号的种类，即模拟或数字信号有关。因为大多数光波系统使用数字调制方式，所以在本章中，我们集中讨论数字光接收机。关于模拟接收机的设计，我们将在第六章和第八章中讨论。数字光接收机最主要的性能指标是接收光的灵敏度和光的动态范围。目前三十五页\总数六十页\编于五点图5.3.1数字光接收机原理组成图目前三十六页\总数六十页\编于五点接收机前端的光电二极管通常采用PIN或APD,它是实现光电转换的关键器件，直接影响光接收机的灵敏度。低噪声前置放大器的作用是放大光电二极管产生的微弱电信号，以供主放大器进一步放大和处理。由于干扰和噪声的影响，接收机不是对任何微弱信号都能正确接收的。虽然放大器的增益可以做得很大，但在弱信号被放大的同时，噪声也被放大了，当接收信号太弱时，必定会被噪声淹没。目前三十七页\总数六十页\编于五点5.3.1前置

放大器前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用，所以精心设计前置放大器就显得特别重要。光电二极管把光比特流转变成随时间变化的电信号。前置放大器的作用是放大该电信号，以供主放大器进一步放大和处理。前置放大器的设计,要求在带宽和灵敏度之间进行折衷。目前三十八页\总数六十页\编于五点图5.3.2光接收机

前置放大器等效电路目前三十九页\总数六十页\编于五点负载电阻跨接到反向放大器的输入和输出端，尽管RL仍然很大，但负反馈使输入阻抗减小了G倍，因此带宽也比高阻抗放大器的扩大了G倍。它的灵敏度高、频带宽。动态范围也比高阻抗前置放大器的大。因此光接收机常使用这种结构的前放。转移阻抗前置放大器目前四十页\总数六十页\编于五点5.3.2线性放大由主放大器、低通滤波器和自动增益控制电路组成。有时候，为了校正和补偿前端对带宽的限制，在主放大器之前还要插入一个均衡器。低通滤波器的作用是整形电压脉冲，减小噪声，同时避免引入更多的码间干扰。采用自动增益控制电路，在接收机平均入射光功率一定的变化范围内，可以把放大器的增益自动控制在固定的输出电平上。目前四十一页\总数六十页\编于五点5.3.3

数据恢复数据恢复电路包括判决电路和时钟恢复电路。它的任务是把均衡器输出的升余弦信号恢复成数字信号。首先要提取时钟信号，在最佳的取样时间对升余弦信号进行取样，然后将取样幅度与判决阈值进行比较，确定码元是“0”还是“1”，从而把升余弦波形恢复再生成原传输的数字信号。最佳的判决时间应是升余弦波形的正负峰值点，这时取样幅度最大，抵抗噪声的能力最强。目前四十二页\总数六十页\编于五点选取最佳的判决时间目前四十三页\总数六十页\编于五点5.3.4眼图分析法在实验室里观察码间干扰是否存在的最直观、最简单的方法是眼图分析法。通常误码率的典型值为10–9。将均衡滤波器输出的随机脉冲序列输入到示波器的Y轴，用时钟信号作为外触发信号，就可观察到眼图。眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响，当输出端信噪比很大时，张开度主要受码间干扰的影响。因此，观察眼图的张开度就可以估计出码间干扰的大小，这给均衡电路的调整提供了简单而适用的观测手段。目前四十四页\总数六十页\编于五点NRZ码数字光接收机眼图

目前四十五页\总数六十页\编于五点5.4接收机信噪比(SNR)定义SNR为平均信号功率和噪声功率之比光接收机使用光电二极管，将入射光功率转换为电流当入射光功率不变时，两种基本的噪声，散粒噪声和热噪声也会引起光生电流的起伏电流起伏引入的电噪声影响接收机性能本节回顾噪声机理，并讨论光接收机的信噪比(SNR)目前四十六页\总数六十页\编于五点5.4.1PIN光接收机SNR目前四十七页\总数六十页\编于五点热噪声受限SNR当均方根热噪声（散粒噪声），即很小时，接收机性能受限于热噪声，在上式中，忽略散粒噪声后，SNR变为

该式表明在热噪声占支配地位时，SNR随变化，且增加负载电阻也可以提高SNR。这就是为什么大多数接收机使用高阻或转移阻抗前置放大器的道理。目前四十八页\总数六十页\编于五点散粒噪声受限SNR目前四十九页\总数六十页\编于五点5.4.2APD接收机目前五十页\总数六十页\编于五点目前五十一页\总数六十页\编于五点目前五十二页\总数六十页\编于五点目前五十三页\总数六十页\编于五点5.5接收机误码率和灵敏度目前五十四页\总数六十页\编于五点图5.5.1比特误码率