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1、袁国良编著袁国良编著第第2 2章章 光电检测器和光接收机光电检测器和光接收机本章内容本章内容5.1 光检测器光检测器 5.2 光电检测器的工作特性光电检测器的工作特性5.3 光接收机光接收机5.4 光接收机的噪声光接收机的噪声5.5 光接收机的误码率和接收灵敏度光接收机的误码率和接收灵敏度小结、习题小结、习题2.1 光检测器光检测器 1.光纤通信对光电检测器的主要要求光纤通信对光电检测器的主要要求(1)在工作波长上光电转换效率要高，即对一定的入在工作波长上光电转换效率要高，即对一定的入射光信号功率，光检测器能输出尽可能大的光电流；射光信号功率，光检测器能输出尽可能大的光电流；(2)检测过程中带
2、来的附加噪声尽可能小；检测过程中带来的附加噪声尽可能小；(3)响应速度快、线性好及频带宽，使信号失真尽量响应速度快、线性好及频带宽，使信号失真尽量小；小；(4)高可靠长寿命，尺寸可与光纤直径相配，工作电高可靠长寿命，尺寸可与光纤直径相配，工作电压低等。压低等。2半导体的光电效应半导体的光电效应半导体光检测器是利用半导体的光电效半导体光检测器是利用半导体的光电效应制成。应制成。3PIN光电二极管光电二极管为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，在为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，在P型型材料和材料和N型材料之间加一个型材料之间加一个I层（本征耗尽层），它层（本征耗尽层），它是轻掺杂的是轻掺
3、杂的N型材料，由于掺杂浓度较轻，电子浓型材料，由于掺杂浓度较轻，电子浓度很低，经扩散可以形成一个很宽的耗尽层。这就度很低，经扩散可以形成一个很宽的耗尽层。这就是是PIN光电二极管（光电二极管（PIN-PD），），如图如图5-1-2所示所示。APD的工作原理是利用半导体材料的雪崩倍增效应制成的。图5-1-4为拉通型雪崩光电二极管(RAPD)的结构示意图和电场分布图。4雪崩光电二极管雪崩光电二极管 雪崩光电二极管随使用的材料不同有：Si-APD(工作在短波长区)；Ge-APD，InGaAs-APD等(工作在长波长区)。Si-APD性能较好，它工作在0.85m附近，倍增增益高达1001000，暗电流
4、很小；Ge-APD工作在长波长区，它的倍增增益一般不超过15，过剩噪声大，暗电流也很大，限制了倍增增益及检测灵敏度。InGa/InP或InGaAsP/InP-APD工作在长波长区有较好的性能，从结构上，类似于Si-RAPD如图5-1-5所示，吸收区和倍增区分开，因此又称为SAM-APD。5.2 光电检测器的工作特性光电检测器的工作特性光光电电检检测测器器的的工工作作特特性性参参数数很很多多，PIN-PIN-PDPD的的主主要要工工作作特特性性有有的的响响应应度度和和量量子子效效率率、响响应应时时间间、暗暗电电流流等等，由由于于APDAPD有有雪雪崩崩倍倍增增效效应应，所所以以APDAPD除除了
5、了上上述述参参数数外外还还包括倍增因子、过剩噪声指数等。包括倍增因子、过剩噪声指数等。1响应度和量子效率响应度和量子效率响应度是描述这种器件光电转换能力的物理量。描述这种器件光电转换能力也可以从另一个角度描述，这就是量子效率，定义为产生的光生电子-空穴对数占入射光子数的百分比。PIN和APD的响应度与入射光的波长有关，Si-PIN和Si-APD的波长响应范围为6001000nm，对检测0.85m的光非常有效。Ge-PIN和Ge-APD或InGaAs-PIN、InGaAsP-PIN和InGaAs-APD范围为1 0001 650nm，可以接收1 310nm和1 550nm的光信号。2响应时间响应
6、时间响应时间是描述光电检测器对光信号变化响应速度快慢程度的物理量，一般用上升时间和下降时间来表示。所谓上升时间是PD受阶跃光脉冲照射时，输出脉冲前沿的10%点到90%点之间的时间间隔来衡量，如图5-2-1所示。光电检测器的响应时间受三个因素影响：光电检测器的响应时间受三个因素影响：1)渡越时间渡越时间 2)扩散时间扩散时间 3)电路的影响电路的影响暗暗电电流流Id是是指指在在PIN规规定定的的反反向向电电压压或或者者APD的的90%击击穿穿电电压压时时，在在无无入入射射光光情情况况下下器器件件内内部部的的反反向向电电流流。暗暗电电流流将将引引起起光光接接收收机机噪噪声声增增大大。因因此此，人们
7、总是希望器件的暗电流越小越好。人们总是希望器件的暗电流越小越好。3暗电流暗电流对于APD，由于发生雪崩倍增效应，所以APD还需要用倍增特性来描述。APD的倍增特性有倍增因子G、过剩噪声指数x等。4 4倍增特性倍增特性5.3 5.3 光接收机光接收机1光接收机的组成光接收机的组成直直接接检检测测数数字字光光纤纤通通信信接接收收机机一一般般由由三三个个部部分分组组成成，即即光光接接收收机机的的前前端端、线线性性通通道道和和数数据据恢恢复复三个部分，如图三个部分，如图5-3-1所示。所示。1)1)光接收机前端光接收机前端光接收机前端的作用是将光纤线路末端光接收机前端的作用是将光纤线路末端耦合到光电检
8、测器的光比特流转变为时耦合到光电检测器的光比特流转变为时变电流，然后进行预放大，以便后一级变电流，然后进行预放大，以便后一级进一步处理。进一步处理。光接收机前端的一般由光电检测器和前光接收机前端的一般由光电检测器和前置放大器组成。置放大器组成。根据不同的应用要求，前端的设计有三根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案。种不同的方案。(1)(1)低阻抗前端。低阻抗前端。(2)(2)高阻抗前端高阻抗前端 (3)(3)跨跨(互互)阻抗前端阻抗前端 2)2)线性通道线性通道线性通道线性通道光光接接收收机机的的线线性性通通道道由由一一个个高高增增益益的的主主放放大大器器和和一一个个均均衡衡滤滤波波
9、器器组组成成，还还应应包包括括峰峰值值检检测测和和自自动动增增益益控控制制(AGC)AGC)电电路路，用用来来控控制制放放大大器器增增益益。因因为为主主放放大大器器和和一一个个均均衡衡滤滤波波器器起起一一个个线线性性系系统统的的作作用用，故故可可称称为为线线性性通通道道，如如图图5-3-45-3-4所所示。示。主放大器的作用有两个方面：主放大器的作用有两个方面：（1 1）将前置放大器输出的信号放大）将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。到判决电路所需要的信号电平。（2 2）它还是一个增益可调节的放大）它还是一个增益可调节的放大器。器。4数据恢复数据恢复数据恢复电路由判决电路和时
10、钟恢复电路组成，如果需要与电端机接口，还需要解码、解扰和编码电路，如图5-3-6所示。(1)钳位电路(2)温度补偿电路(3)告警电路。2.辅助电路辅助电路3.光接收模块和集成光接收机光接收模块和集成光接收机 光接收模块是指将包括PD管芯和前置放大器以及阻抗匹配电路和电路状态监视/警示电路，再加上若干光学元件集成在一个管壳内并形成光接收功能的器件。集成光接收机与光接收模块不同，它是采用集成电路工艺技术把所有的元件集成在一个芯片上。集成光接收机设计制造有两种方案，一种称为混合集成光接收机，它将电子器件集成在GaAs芯片上，而将光电二极管制造在InP芯片上，然后将InP芯片按图5-3-11所示倒装式
11、接合法，堆叠在GaAs芯片上，使这两个芯片连接起来。4.光收发一体模块光收发一体模块光光收收发发一一体体模模块块是是将将传传统统的的分分离离发发射射、接接收收组组件件合合二二为为一一密密封封在在同同一一管管壳壳内内的的新新型型光光电电器器件件。它它具具有有如如下下优优点点：小小型型化化、低低成成本本、高高可可靠靠性性和和高高性性能能，在在数数据据通通信和电信传输中均有广阔的应用前景。信和电信传输中均有广阔的应用前景。5.4 5.4 光接收机的噪声光接收机的噪声1 1数字光纤通信系统的信号变换特点数字光纤通信系统的信号变换特点在在数数字字光光纤纤通通信信系系统统中中，传传输输的的是是由由“0”“
12、0”和和“1”“1”组组成成的的二二进进制制光光脉脉冲冲信信号号，这这是是一一种种单单极极性性码码，即即光光功功率率在在“接接通通”(“1”(“1”码码)和和“断断开开”(“0”(“0”码码)两两个个电电平平上上变变动动。按按照照“1”“1”码码时时码码元元周周期期T T的的大大小小，分分为为归归零零码码(RZRZ码码)与与非非归归零零码码(NRZNRZ码码)两两种种，见见图图5-4-15-4-1。显显然然，RZRZ码的占空比为码的占空比为0.50.5，而，而NRZNRZ码的占空比为码的占空比为1 1。图5-4-2为数字光纤通信系统中数字脉冲传输过程的变换特点。2光接收机的噪声源光接收机的噪声
13、源3噪声的评价方法噪声的评价方法1）噪声的大小可以用均方值来表示）噪声的大小可以用均方值来表示2）信噪比）信噪比(SNR)信噪比(SNR)是评价光接收机性能的重要指标，其定义为平均信号功率和噪声功率的比值 5.5 5.5 光接收机的光接收机的误码误码率和接收灵敏度率和接收灵敏度 1 1光接收机的误码率分析光接收机的误码率分析对对于于数数字字光光接接收收机机，数数字字信信号号的的恢恢复复是是由由判判决决电电路路判判定定，判判决决电电路路接接收收到到的的波波动动信信号号如如图图5-5-5-15-1所示。所示。阴影部分表示出现错误的情况。阴影部分表示出现错误的情况。对对Q3，近近似似表表达达式式有有
14、合合理理的的精精度度，BER随随Q参参数数的的变变化化趋趋势势如如图图5-5-2所所示示，当当Q增增大大时时，BER降降低低了了，接接收收机机性性能能提高了。提高了。灵敏度是数字光接收机最重要的指标，它直灵敏度是数字光接收机最重要的指标，它直接决定光纤通信系统的中继距离和通信质量。接决定光纤通信系统的中继距离和通信质量。数字光接收机的灵敏度定义为：在保证一定数字光接收机的灵敏度定义为：在保证一定误码率的条件下，光接收机所需接收的最小误码率的条件下，光接收机所需接收的最小光功率。光功率。灵敏度越高，意味着数字光接收机接收微弱灵敏度越高，意味着数字光接收机接收微弱光信号的能力就越强，当光发送机输出
15、功率光信号的能力就越强，当光发送机输出功率一定时，则保证通信质量一定时，则保证通信质量(误码率低于某一数误码率低于某一数值值)的中继距离就越长。因此，提高数字光接的中继距离就越长。因此，提高数字光接收机的灵敏度，可以延长光纤通信的中继距收机的灵敏度，可以延长光纤通信的中继距离和增加通信容量。离和增加通信容量。2光接收机的灵敏度和动态范围光接收机的灵敏度和动态范围最小平均光功率最小平均光功率PminPmin，在国际单位制在国际单位制中，它的单位是瓦中，它的单位是瓦(W)W)；而在工程上，而在工程上，光接收机的灵敏率常用光功率相对值光接收机的灵敏率常用光功率相对值来表示，单位是分贝毫瓦来表示，单位
16、是分贝毫瓦(dBmdBm)。二二者的换算关系为者的换算关系为 上式中：上式中：PminPmin单位为单位为W W；S rS r的单位即的单位即为为dBmdBm。光接收机的动态范围是在保证系统的误光接收机的动态范围是在保证系统的误码率指标要求下，光接收机最低输入光码率指标要求下，光接收机最低输入光功率功率PminPmin和最大允许光功率和最大允许光功率PmaxPmax的变化的变化范围。这个范围用范围。这个范围用D D来表示，一般在工程来表示，一般在工程上用二者上用二者(用用dBmdBm为单位描述为单位描述)之差来表示。之差来表示。一台质量好的光接收机应有较宽的动态一台质量好的光接收机应有较宽的动
17、态范围。范围。光接收机的极限灵敏度光接收机的极限灵敏度 式中：B为比特率；hf为光子的能量；为每比特的平均光子数，假设当比特“0”不携带能量，。考虑非理想条件下考虑非理想条件下,接收机要求的最小平均光接收机要求的最小平均光功率增大了，这个增量称为功率代价，也称灵功率增大了，这个增量称为功率代价，也称灵敏度恶化。敏度恶化。造成功率代价的因素有多种，大致可分为两类造成功率代价的因素有多种，大致可分为两类:第一类是即使没有光纤，不传输也存在，包括：第一类是即使没有光纤，不传输也存在，包括：消光比引起的灵敏度恶化，强度噪声引起的灵消光比引起的灵敏度恶化，强度噪声引起的灵敏度恶化，取样时间抖动引起的灵敏度恶化等。敏度恶化，取样时间抖动引起的灵敏度恶化等。第二类是光信号在光纤中传输时而产生的灵敏第二类是光信号在光纤中传输时而产生的灵敏度恶化。灵敏度恶化的结果是实际的光接收机度恶化。灵敏度恶化的结果是实际的光接收机的灵敏度要降低许多。的灵敏度要降低许多。