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1、光检测器及光接收光检测器及光接收机机光纤通信技术第五章光纤通信技术第五章王建萍王建萍 信息光电子研究所信息光电子研究所信息光电子研究所信息光电子研究所清华大学电子工程系清华大学电子工程系第一页，编辑于星期六：十六点 二十六分。光源光源调制器调制器调制器调制器驱动电路驱动电路驱动电路驱动电路放大器放大器光电二极光电二极管管判决器判决器光纤光纤光纤光纤光纤光纤光纤光纤中继器中继器中继器中继器光接收机是光纤通信系统的重要组成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。号，恢复光载波所携带的原信号。光接收机光接收机第二页
2、，编辑于星期六：十六点 二十六分。光信号光信号光信号光信号光电光电光电光电变换变换变换变换前置前置前置前置放大放大放大放大主放主放主放主放大器大器大器大器均衡均衡均衡均衡滤波滤波滤波滤波判判判判决决决决器器器器时钟恢复时钟恢复时钟恢复时钟恢复输出输出输出输出AGCAGC电路电路电路电路性能指标性能指标性能指标性能指标:接收灵敏度、接收灵敏度、接收灵敏度、接收灵敏度、误码率或信噪比误码率或信噪比误码率或信噪比误码率或信噪比前端前端前端前端时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生（CDRCDR）线性通道线性通道线性通道线性通道对信号进行高增益放大与整形，对信号进行高
3、增益放大与整形，对信号进行高增益放大与整形，对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。提高信噪比，减少误码率。提高信噪比，减少误码率。提高信噪比，减少误码率。第三页，编辑于星期六：十六点 二十六分。5.1 光检测器光检测器5.2 光接收机光接收机5.3 光接收机的噪声特性光接收机的噪声特性5.4 光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度5.5 光接收机的性能评估光接收机的性能评估第五章第五章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机第四页，编辑于星期六：十六点 二十六分。n n光电转换器件光电转换器件光电转换器件光电转换器件n n要求要求:高效率、低噪声、宽带高效率、低噪声、宽带n n原理：光吸
4、收原理：光吸收n n在半导体材料上，当入射光子能量在半导体材料上，当入射光子能量在半导体材料上，当入射光子能量在半导体材料上，当入射光子能量h h 超过带隙能量时，每当一超过带隙能量时，每当一超过带隙能量时，每当一超过带隙能量时，每当一个光子被半导体吸收就产生一个电子个光子被半导体吸收就产生一个电子个光子被半导体吸收就产生一个电子个光子被半导体吸收就产生一个电子空穴对。在外加电压空穴对。在外加电压空穴对。在外加电压空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电子和空穴就在半导体中渡越并形成电建立的电场作用下，电子和空穴就在半导体中渡越并形成电建立的电场作用下，电子和空穴就在半导体中渡越并形成电建立的电
5、场作用下，电子和空穴就在半导体中渡越并形成电流流动，称为流流动，称为流流动，称为流流动，称为光电流光电流光电流光电流，其电流大小，其电流大小，其电流大小，其电流大小I Ip p与入射光功率与入射光功率与入射光功率与入射光功率P Pinin成比例：成比例：成比例：成比例：RR光电检测器的光电检测器的光电检测器的光电检测器的响应度响应度响应度响应度（A/WA/W）入射光入射光入射光入射光半导体半导体半导体半导体5.1 光检测器光检测器第五页，编辑于星期六：十六点 二十六分。5.1.1 PN光电二极管光电二极管(1)工作原理：工作原理：入射光从入射光从入射光从入射光从P P侧侧侧侧进入，在耗尽区光吸
6、收产生进入，在耗尽区光吸收产生进入，在耗尽区光吸收产生进入，在耗尽区光吸收产生的电子空穴对在内建电场的电子空穴对在内建电场的电子空穴对在内建电场的电子空穴对在内建电场作用下分别向左右两侧运动，作用下分别向左右两侧运动，作用下分别向左右两侧运动，作用下分别向左右两侧运动，产生光电流。产生光电流。产生光电流。产生光电流。响应时间响应时间响应时间响应时间：由光功率输入转化为由光功率输入转化为由光功率输入转化为由光功率输入转化为光电流输出，有一定时间迟后，其光电流输出，有一定时间迟后，其光电流输出，有一定时间迟后，其光电流输出，有一定时间迟后，其值主要决定于载流子通过耗尽区的值主要决定于载流子通过耗尽
7、区的值主要决定于载流子通过耗尽区的值主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间渡越时间渡越时间渡越时间。第六页，编辑于星期六：十六点 二十六分。5.1.1 PN光电二极管光电二极管(2)带宽受限的主要因素带宽受限的主要因素带宽受限的主要因素带宽受限的主要因素:产产产产生的光电流中存在扩散分生的光电流中存在扩散分生的光电流中存在扩散分生的光电流中存在扩散分量，它与耗尽区外的光吸量，它与耗尽区外的光吸量，它与耗尽区外的光吸量，它与耗尽区外的光吸收有关。载流子作扩散运收有关。载流子作扩散运收有关。载流子作扩散运收有关。载流子作扩散运动的时延将使检测器输出动的时延将使检测器输出动的时延将使检测器输出动的时延
8、将使检测器输出电流脉冲后沿的托尾加长，电流脉冲后沿的托尾加长，电流脉冲后沿的托尾加长，电流脉冲后沿的托尾加长，影响光电二极管的响应速影响光电二极管的响应速影响光电二极管的响应速影响光电二极管的响应速度。度。度。度。解决方法：减小解决方法：减小解决方法：减小解决方法：减小P,NP,N区厚度，增加耗尽区的宽度，区厚度，增加耗尽区的宽度，区厚度，增加耗尽区的宽度，区厚度，增加耗尽区的宽度，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少P,NP,N区吸区吸区吸区吸收的光能收的光能收的光能收的光能-PIN-
9、PIN考虑漂移和扩散运动时考虑漂移和扩散运动时考虑漂移和扩散运动时考虑漂移和扩散运动时PNPN光电二极管对矩形脉冲的响应光电二极管对矩形脉冲的响应光电二极管对矩形脉冲的响应光电二极管对矩形脉冲的响应扩散分量的存在扩散分量的存在扩散分量的存在扩散分量的存在导致光电二极管导致光电二极管导致光电二极管导致光电二极管瞬态响应失真瞬态响应失真瞬态响应失真瞬态响应失真第七页，编辑于星期六：十六点 二十六分。5.1.2 PIN光电二极管光电二极管(1)n n在在在在PNPN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，以增大耗尽区宽结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体
10、材料，以增大耗尽区宽结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大耗尽区宽度度度度ww，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的要求。由于，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的要求。由于，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的要求。由于，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的要求。由于PNPN结结结结中间插入的半导体材料近似为本征半导体中间插入的半导体材料近似为本征半导体中间插入的半导体材料近似为本征半导体中间插入的半导体材料近似为本征半导体(Intrinsic)(Intrinsic)，因此这种，因此这种，因此这种，因此这种结构称为结构称为结构称为结构称为PINPIN光电二极管。光电二极管。光电二极管。
11、光电二极管。I I区高阻抗区高阻抗区高阻抗区高阻抗,电压电压电压电压基本都落在基本都落在基本都落在基本都落在I I区区区区PINPIN光电二极管及反偏时各层的场分布光电二极管及反偏时各层的场分布光电二极管及反偏时各层的场分布光电二极管及反偏时各层的场分布第八页，编辑于星期六：十六点 二十六分。5.1.2 PIN光电二极管光电二极管(2)InGaAs PIN InGaAs PIN 光电二极管的结构光电二极管的结构光电二极管的结构光电二极管的结构双异质结结构：双异质结结构：双异质结结构：双异质结结构：NN区和区和区和区和P P区：区：区：区：InPInP，对，对，对，对 920nm920nm的光透
12、明；的光透明；的光透明；的光透明；I I区区区区:InGaAs:InGaAs；=13001600nm =13001600nm 强烈吸收强烈吸收强烈吸收强烈吸收第九页，编辑于星期六：十六点 二十六分。量子效率量子效率n n入射光功率入射光功率Pinin中含有大量光子，能转换为光电流的中含有大量光子，能转换为光电流的中含有大量光子，能转换为光电流的中含有大量光子，能转换为光电流的光子数和入射总光子数之比称为光子数和入射总光子数之比称为光子数和入射总光子数之比称为光子数和入射总光子数之比称为量子效率量子效率.产生的电子空穴对的个数产生的电子空穴对的个数产生的电子空穴对的个数产生的电子空穴对的个数入射
13、的光子数入射的光子数入射的光子数入射的光子数在光电二极管的应用中，在光电二极管的应用中，在光电二极管的应用中，在光电二极管的应用中，100100个光子会产生个光子会产生个光子会产生个光子会产生3030到到到到9595个电个电个电个电子空穴对，因此检测器的量子效率范围为子空穴对，因此检测器的量子效率范围为子空穴对，因此检测器的量子效率范围为子空穴对，因此检测器的量子效率范围为30%95%30%95%。为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使使使使得可以
14、吸收大部分的光子。但是，得可以吸收大部分的光子。但是，得可以吸收大部分的光子。但是，得可以吸收大部分的光子。但是，耗尽区越厚，光生载流子耗尽区越厚，光生载流子耗尽区越厚，光生载流子耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越漂移渡越漂移渡越漂移渡越(across)(across)反向偏置结的时间就越长。反向偏置结的时间就越长。反向偏置结的时间就越长。反向偏置结的时间就越长。由于载流由于载流由于载流由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须
15、在响响响响应速度和量子效率之间采取折衷。应速度和量子效率之间采取折衷。应速度和量子效率之间采取折衷。应速度和量子效率之间采取折衷。第十页，编辑于星期六：十六点 二十六分。光谱响应光谱响应n n对一给定的探测区材料就有一个能够探测的最低频率或对一给定的探测区材料就有一个能够探测的最低频率或对一给定的探测区材料就有一个能够探测的最低频率或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最大波长，而对波长大于这个极限波长的光波就不能被最大波长，而对波长大于这个极限波长的光波就不能被最大波长，而对波长大于这个极限波长的光波就不能被探测到。探测到。探测到。
16、探测到。n n光子能量光子能量光子能量光子能量h h 大于半导体材料的禁带宽度大于半导体材料的禁带宽度大于半导体材料的禁带宽度大于半导体材料的禁带宽度Eg g时，价带上时，价带上时，价带上时，价带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，否则不论入射光的电子可以吸收光子而跃迁到导带，否则不论入射光的电子可以吸收光子而跃迁到导带，否则不论入射光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，任何一种材料制多强，光电效应都不会发生。所以，任何一种材料制多强，光电效应都不会发生。所以，任何一种材料制多强，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作的光电二极管
17、都有上作的光电二极管都有上作的光电二极管都有上截止波长截止波长截止波长截止波长 CC：第十一页，编辑于星期六：十六点 二十六分。在短波长段，材料的吸收在短波长段，材料的吸收在短波长段，材料的吸收在短波长段，材料的吸收吸收系数变得很大，因此吸收系数变得很大，因此吸收系数变得很大，因此吸收系数变得很大，因此光子在接近光检测器的表光子在接近光检测器的表光子在接近光检测器的表光子在接近光检测器的表面就被吸收了，电子空面就被吸收了，电子空面就被吸收了，电子空面就被吸收了，电子空穴对的寿命极短，结果载穴对的寿命极短，结果载穴对的寿命极短，结果载穴对的寿命极短，结果载流子在由光检测器电路收流子在由光检测器电
18、路收流子在由光检测器电路收流子在由光检测器电路收集以前就已经复合了。集以前就已经复合了。集以前就已经复合了。集以前就已经复合了。SiSi：C C=1.06=1.06 mm，使用范围：，使用范围：，使用范围：，使用范围：0.51.0 0.51.0 mmGeGe：C C=1.6=1.6 mm，使用范围：，使用范围：，使用范围：，使用范围：1.11.6 1.11.6 mmInGaAsInGaAs：C C=1.6=1.6 mm，使用范围：，使用范围：，使用范围：，使用范围：1.11.6 1.11.6 mm第十二页，编辑于星期六：十六点 二十六分。5.1.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管APD PIN:
19、PIN:1 1个光子最多产生一对电子个光子最多产生一对电子个光子最多产生一对电子个光子最多产生一对电子-空穴对空穴对空穴对空穴对,无增益无增益无增益无增益 APD:APD:利用电离碰撞利用电离碰撞利用电离碰撞利用电离碰撞,1 1个光子产生多对电子个光子产生多对电子个光子产生多对电子个光子产生多对电子-空穴对空穴对空穴对空穴对,有增益有增益有增益有增益 工作过程：工作过程：工作过程：工作过程：入射光入射光入射光入射光-一对一对一对一对电子电子电子电子-空穴对空穴对空穴对空穴对(一次光生电流一次光生电流一次光生电流一次光生电流)-)-与晶格碰撞电离与晶格碰撞电离与晶格碰撞电离与晶格碰撞电离-多多多
20、多对对对对电子电子电子电子-空穴对空穴对空穴对空穴对(二次光生电流）二次光生电流）二次光生电流）二次光生电流）吸收吸收吸收吸收外电场加速外电场加速外电场加速外电场加速增加了一个附加增加了一个附加增加了一个附加增加了一个附加层，倍增区或增层，倍增区或增层，倍增区或增层，倍增区或增益区，以实现碰益区，以实现碰益区，以实现碰益区，以实现碰撞电离产生二次撞电离产生二次撞电离产生二次撞电离产生二次电子空穴对。电子空穴对。电子空穴对。电子空穴对。耗尽层仍为耗尽层仍为耗尽层仍为耗尽层仍为I I层，起产生一层，起产生一层，起产生一层，起产生一次电子空穴次电子空穴次电子空穴次电子空穴对的作用。对的作用。对的作用
21、。对的作用。第十三页，编辑于星期六：十六点 二十六分。1 1、倍增系数、倍增系数、倍增系数、倍增系数 M M=I Ip p/I/I0 0 I IP P-平均输出电流，平均输出电流，平均输出电流，平均输出电流，I I0 0-一次光生电流一次光生电流一次光生电流一次光生电流 I IP P MM I I0 0 MRPMRPinin 倍增系数倍增系数倍增系数倍增系数MM与电离系数及增益区厚度有关。与电离系数及增益区厚度有关。与电离系数及增益区厚度有关。与电离系数及增益区厚度有关。2 2、过剩噪声因子、过剩噪声因子、过剩噪声因子、过剩噪声因子F F 在在在在APDAPD中，每个光生载流子不会经历相同的倍
22、增过程，具中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，具中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，具中，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有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外的倍有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外的倍有随机性，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增噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子增噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子增噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子F F来表征这种倍增来表征这种倍增来表征这种倍增来表征这种倍增噪声。噪声。噪声。噪声。F F又可近似表为：
23、又可近似表为：又可近似表为：又可近似表为：F FMMx x x x被称为被称为被称为被称为过剩噪声指数。过剩噪声指数。过剩噪声指数。过剩噪声指数。APD倍增系数与过剩噪声因子倍增系数与过剩噪声因子第十四页，编辑于星期六：十六点 二十六分。光检测器的比较（光检测器的比较（1）参数参数符号符号单位单位SiSiGeGeInGaAsInGaAs波长范围波长范围 nmnm40011004001100800165080016501100170011001700响应度响应度R RA/WA/W0.40.60.40.60.40.50.40.50.750.950.750.95暗电流暗电流I ID DnAnA110
24、11050500505000.52.00.52.0上升时间上升时间 r rnsns0.51.00.51.00.10.50.10.50.050.50.050.5带宽带宽B BGHzGHz0.30.70.30.70.53.00.53.01.02.01.02.0偏置电压偏置电压V VB BV V5 55105105 5SiSi、GeGe、InGaAs InGaAs pinpin光电二极管的通用工作特性参数光电二极管的通用工作特性参数光电二极管的通用工作特性参数光电二极管的通用工作特性参数第十五页，编辑于星期六：十六点 二十六分。光检测器的比较（光检测器的比较（2）参数参数符号符号单位单位SiSiGe
25、GeInGaAsInGaAs波长范围波长范围 nmnm40011004001100800165080016501100170011001700雪崩增益雪崩增益MM2040020400502005020010401040暗电流暗电流I ID DnAnA0.110.11505005050010501050M=10M=10上升时间上升时间 r rnsns0.120.120.50.80.50.80.10.50.10.5增益带宽积增益带宽积MM B BGHzGHz1004001004002102102025020250偏置电压偏置电压V VB BV V15040015040020402040203020
26、30SiSi、GeGe、InGaAs InGaAs 雪崩光电二极管的通用工作特性参数雪崩光电二极管的通用工作特性参数雪崩光电二极管的通用工作特性参数雪崩光电二极管的通用工作特性参数第十六页，编辑于星期六：十六点 二十六分。光检测器的比较（光检测器的比较（3）n n在短距离的应用中，工作在在短距离的应用中，工作在850nm的的Si器件对器件对于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。n n在长距离的链路常常需要工作在在长距离的链路常常需要工作在1330nm和和1550nm窗口，所以常用基于窗口，所以常用基于InGaAs的器件。的器件。n nAPDAPD检测器
27、与检测器与检测器与检测器与PINPIN检测器相比，具有载流子倍增效检测器相比，具有载流子倍增效检测器相比，具有载流子倍增效检测器相比，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应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压应，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。和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。第十七页，编辑于星期六：十六点 二十六分。5.1 光检测器光检测器5.2 光接收机光接收机5.3 光接收机的噪声特
28、性光接收机的噪声特性5.4 光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度5.5 光接收机的性能评估光接收机的性能评估第五章第五章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机第十八页，编辑于星期六：十六点 二十六分。5.2 光接收机光接收机光信号光信号光信号光信号光电光电光电光电变换变换变换变换前置前置前置前置放大放大放大放大主放主放主放主放大器大器大器大器均衡均衡均衡均衡滤波滤波滤波滤波判判判判决决决决器器器器时钟恢复时钟恢复时钟恢复时钟恢复输出输出输出输出AGCAGC电路电路电路电路性能指标性能指标性能指标性能指标:接收灵敏度、接收灵敏度、接收灵敏度、接收灵敏度、误码率或信噪比误码率或信噪比误码率或信噪比误码
29、率或信噪比前端前端前端前端线性通道线性通道线性通道线性通道时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生（CDRCDR）对信号进行高增益放大与整形，对信号进行高增益放大与整形，对信号进行高增益放大与整形，对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。提高信噪比，减少误码率。提高信噪比，减少误码率。提高信噪比，减少误码率。第十九页，编辑于星期六：十六点 二十六分。5.2.1 光接收机的前端光接收机的前端(1)n n前端：前端：由光电二极管和前置放大器组成。由光电二极管和前置放大器组成。n n作用：作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变将耦合入光电检测器的光信号
30、转换为时变电流，然后进行预放大（电流电压转换），以便电流，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。后级作进一步处理。是光接收机的核心。n n要求：要求：要求：要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽低噪声、高灵敏度、足够的带宽电信号电信号电信号电信号光信号光信号光信号光信号光电光电光电光电变换变换变换变换前置前置前置前置放大放大放大放大第二十页，编辑于星期六：十六点 二十六分。5.2.1 光接收机的前端光接收机的前端(2)n n光检测器的选择：光检测器的选择：光检测器的选择：光检测器的选择：要视具体应用场合而定。要视具体应用场合而定。n nPINPIN光电二极管具有良
31、好的光电转换线性度，不需要高的光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的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。工作电压，响应速度快。工作电压，响应速度快。工作电压，响应速度快。n nAPDAPD最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵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。敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。敏度特别高，但
32、需要较高的偏置电压和温度补偿电路。n n从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用PINPIN光光光光电二极管作光探测器。电二极管作光探测器。电二极管作光探测器。电二极管作光探测器。n n前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真地的主要作用是保持探测的电信号不失真地的主要作用是保持探测的电信号不失真地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放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管放大和保证噪声最小，一
33、般采用场效应晶体管放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管(FET)(FET)。PIN/FETPIN/FET和和和和APD/FETAPD/FET。第二十一页，编辑于星期六：十六点 二十六分。5.2.1 光接收机的前端光接收机的前端(3)n n根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：n n低阻抗前端低阻抗前端低阻抗前端低阻抗前端n n高阻抗前端高阻抗前端高阻抗前端高阻抗前端n n跨（互）阻抗前端跨（互）阻抗前端跨（互）阻抗前端跨（互）阻抗前端光接
34、收机前端的等效电路光接收机前端的等效电路光接收机前端的等效电路光接收机前端的等效电路低阻抗前端低阻抗前端低阻抗前端低阻抗前端从频带要求出发选择从频带要求出发选择从频带要求出发选择从频带要求出发选择偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻RRL L优点：优点：优点：优点：电路简单，不电路简单，不电路简单，不电路简单，不需要或只需要很少的需要或只需要很少的需要或只需要很少的需要或只需要很少的均衡，动态范围较大均衡，动态范围较大均衡，动态范围较大均衡，动态范围较大缺点：缺点：缺点：缺点：灵敏度低，噪灵敏度低，噪灵敏度低，噪灵敏度低，噪声较高声较高声较高声较高第二十二页，编辑于星期六：十六点 二十六分。5.2
35、.1 光接收机的前端光接收机的前端(4)高阻抗前端高阻抗前端高阻抗前端高阻抗前端尽量加大偏置电阻，把噪声减尽量加大偏置电阻，把噪声减尽量加大偏置电阻，把噪声减尽量加大偏置电阻，把噪声减至尽可能小的值至尽可能小的值至尽可能小的值至尽可能小的值优点优点优点优点：噪声较低：噪声较低：噪声较低：噪声较低缺点缺点缺点缺点：动态范围小、高频分：动态范围小、高频分：动态范围小、高频分：动态范围小、高频分量损失太大量损失太大量损失太大量损失太大,对均衡电路提出对均衡电路提出对均衡电路提出对均衡电路提出很高要求很高要求很高要求很高要求.多用于低速系统多用于低速系统多用于低速系统多用于低速系统.跨阻抗前端跨阻抗前
36、端跨阻抗前端跨阻抗前端电压并联负反馈放大器（电电压并联负反馈放大器（电电压并联负反馈放大器（电电压并联负反馈放大器（电流流流流-电压转换器）电压转换器）电压转换器）电压转换器）优点：优点：优点：优点：宽频带（等效输入电宽频带（等效输入电宽频带（等效输入电宽频带（等效输入电阻很小）、低噪声（反馈电阻很小）、低噪声（反馈电阻很小）、低噪声（反馈电阻很小）、低噪声（反馈电阻可以取得很大）、灵敏度阻可以取得很大）、灵敏度阻可以取得很大）、灵敏度阻可以取得很大）、灵敏度高、动态范围大等综合优点，高、动态范围大等综合优点，高、动态范围大等综合优点，高、动态范围大等综合优点，被广泛采用。被广泛采用。被广泛采
37、用。被广泛采用。第二十三页，编辑于星期六：十六点 二十六分。5.2.2 光接收机的线性通道光接收机的线性通道对主放输出的失对主放输出的失对主放输出的失对主放输出的失真数字脉冲进行真数字脉冲进行真数字脉冲进行真数字脉冲进行整形，使之成为整形，使之成为整形，使之成为整形，使之成为有利于判决码间有利于判决码间有利于判决码间有利于判决码间干扰最小的升余干扰最小的升余干扰最小的升余干扰最小的升余弦波形。弦波形。弦波形。弦波形。可根据输入信号（平均值）大小自动调整放可根据输入信号（平均值）大小自动调整放可根据输入信号（平均值）大小自动调整放可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定
38、。用以扩大大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收机的动态范围。接收机的动态范围。接收机的动态范围。接收机的动态范围。提供高的增提供高的增提供高的增提供高的增益，放大到益，放大到益，放大到益，放大到适合于判决适合于判决适合于判决适合于判决电路的电平。电路的电平。电路的电平。电路的电平。主放主放主放主放大器大器大器大器均衡均衡均衡均衡滤波滤波滤波滤波AGCAGC电路电路电路电路第二十四页，编辑于星期六：十六点 二十六分。5.2.3 判决再生与时钟提取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任务：
39、把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号为确定是为确定是为确定是为确定是“1”“1”“1”“1”或是或是或是或是“0”“0”“0”“0”，需要对某时隙，需要对某时隙，需要对某时隙，需要对某时隙的码元作出判决。若的码元作出判决。若的码元作出判决。若的码元作出判决。若判决结果为判决结果为判决结果为判决结果为“1”“1”“1”“1”，则，则，则，则由再生电路产生一个由再生电路产生一个由再生电路产生一个由再生电路产生一个矩形矩形矩形矩形“1”“1”“1”“1”脉冲；若判脉冲；若判脉冲；若判脉冲；若判决结果为决结
40、果为决结果为决结果为“0”“0”“0”“0”，则由，则由，则由，则由再生电路重新输入一再生电路重新输入一再生电路重新输入一再生电路重新输入一个个个个“0”“0”“0”“0”。为了精确地确定为了精确地确定为了精确地确定为了精确地确定“判决时刻判决时刻判决时刻判决时刻”，需要从信号码流中提取，需要从信号码流中提取，需要从信号码流中提取，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，准确的时钟信息作为标定，准确的时钟信息作为标定，准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致。以保证与发送端一致。以保证与发送端一致。以保证与发送端一致。判判判判决决决决器器器器时钟恢复时钟恢复时钟恢复时钟恢复输出输出输出输
41、出第二十五页，编辑于星期六：十六点 二十六分。判决、再生过程判决、再生过程均衡器输均衡器输均衡器输均衡器输出波形出波形出波形出波形时钟时钟时钟时钟再生后的再生后的再生后的再生后的信号信号信号信号判决电压判决电压判决电压判决电压最佳取样时间相应于最佳取样时间相应于最佳取样时间相应于最佳取样时间相应于“1”“1”和和和和“0”“0”信号电平相信号电平相信号电平相信号电平相差最大的位置，可有眼图决定。差最大的位置，可有眼图决定。差最大的位置，可有眼图决定。差最大的位置，可有眼图决定。第二十六页，编辑于星期六：十六点 二十六分。5.1 光检测器光检测器5.2 光接收机光接收机5.3 光接收机的噪声特性
42、光接收机的噪声特性5.4 光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度5.5 光接收机的性能评估光接收机的性能评估第五章第五章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机第二十七页，编辑于星期六：十六点 二十六分。5.3 光接收机的噪声特性光接收机的噪声特性n n光接收机的噪声将影响信噪比光接收机的噪声将影响信噪比SNR和通信质量。和通信质量。主要来自光电探测器和前置放大器的噪声。分为主要来自光电探测器和前置放大器的噪声。分为两类：两类：散粒噪声和热噪声。散粒噪声和热噪声。光检测器光检测器光检测器光检测器放大器放大器放大器放大器偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻光子流光子流光子流光子流h h R RL L 量子噪
43、声量子噪声量子噪声量子噪声 暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声 漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声 APDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声 热噪热噪热噪热噪声声声声 放大器噪声放大器噪声放大器噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：散粒噪声散粒噪声散粒噪声散粒噪声第二十八页，编辑于星期六：十六点 二十六分。光检测器光检测器光检测器光检测器放大器放大器放大器放大器偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻光子流光子流光子流光子流h h R RL L 量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声 暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声 漏
44、电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声 APDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声 热噪热噪热噪热噪声声声声 放大器噪声放大器噪声放大器噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时，的产生是由于光信号入射到光检测器上时，的产生是由于光信号入射到光检测器上时，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光电子的产生和收集过程具有统计特性光电子的产生和收集过程具有统计特性光电子的产生和收集过程具有统计特性(泊松分布泊松分布泊松分布泊松分布)。光
45、电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光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检测过程的基本特性，从而使当其他条件都达到最佳检测过程的基本特性，从而使当其他条件都达到最佳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。化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。第二十九页，编辑于星期六：十六点 二十六分。光检测器光检测器光检测器光检测器放大器放大器放
46、大器放大器偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻光子流光子流光子流光子流h h R RL L 量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声 暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声 漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声 APDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声 热噪热噪热噪热噪声声声声 放大器噪声放大器噪声放大器噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声：当没有光信号照射光检测器时，外界的一些：当没有光信号照射光检测器时，外界的一些：当没有光信号照射光检测器时，外界的一些：当没有光信号照射光检测器时，外界
47、的一些杂散光或热运动也会产生一些电子杂散光或热运动也会产生一些电子杂散光或热运动也会产生一些电子杂散光或热运动也会产生一些电子空穴对，光检测器空穴对，光检测器空穴对，光检测器空穴对，光检测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。第三十页，编辑于星期六：十六点 二十六分。光检测器光检测器光检测器光检测器放大器放大器放大器放大器偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻光子流光子流光子流光子流h h R RL L 量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声 暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗
48、电流噪声 漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声 APDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声 热噪热噪热噪热噪声声声声 放大器噪声放大器噪声放大器噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电：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压时，会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非本征性噪压时，会引起很小的漏电流噪声，但这种
49、噪声并非本征性噪压时，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声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构和严格的工艺声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构和严格的工艺声，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。降低。降低。降低。第三十一页，编辑于星期六：十六点 二十六分。光检测器光检测器光检测器光检测器放大器放大器放大器放大器偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻光子流光子流光子流光子流h h R RL L 量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声 暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声 漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声 AP
50、DAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声 热噪热噪热噪热噪声声声声 放大器噪声放大器噪声放大器噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：APDAPDAPDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的随机特性：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的随机特性：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的随机特性：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。产生附加的噪声。产生附加的噪声。产生附加的噪声。第三十二页，编辑于星期六：十六点 二十六分。光检测器光检测器光检测器光检测器放大器放大器放大器放大器偏置电阻