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1、第五章第五章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机5 51 1光检测器光检测器5 51 11 1光检测的原理光检测的原理5 51 12 PIN2 PIN光电二极管光电二极管5 51 13 3 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APDAPD）5 52 2光接收机光接收机 5 52 21 1数字光接收机的基本组成数字光接收机的基本组成 5 52 22 2数字光接收机的噪声数字光接收机的噪声 5 52 23 3误码率误码率 5 52 24 4灵敏度灵敏度 5 52 25 5 动态范围动态范围光检测器是光接收机的关键器件。光检测器是光接收机的关键器件。功能功能:将接受到的将接受到的光信号转化成电信号光信
2、号转化成电信号，在电，在电路中形成随着入射光强弱变化而变化的电流。路中形成随着入射光强弱变化而变化的电流。PINPIN光电二极管光电二极管 常用的光检测器：常用的光检测器：雪崩二极管雪崩二极管5 51 1光检测器光检测器当当PN结结上上加加有有反反向向偏偏压压时时，外外加加电电场场的的方方向向和和空空间间电电荷荷区区里里电电场场的的方方向向相相同同，因因此此在在空空间间电电荷荷区区里里载载流流子子基基本本耗耗尽尽了了，这个区域称为这个区域称为耗尽区耗尽区。一一.PN结的光电效应结的光电效应 光光电电二二极极管管（PD）是是一一个个工工作作在在反反向向偏偏压压下下的的PN结二极管，它的工作原理可
3、用结二极管，它的工作原理可用光电效应光电效应来解释。来解释。5 51 11 1光检测的原理光检测的原理 当光束入射到当光束入射到PN结上，且结上，且光子能量大于半导体材料的光子能量大于半导体材料的禁带宽度时，禁带宽度时，价带上的电子价带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，可以吸收光子而跃迁到导带，结果产生一个电子结果产生一个电子-空穴对。空穴对。当连接的电路闭合时当连接的电路闭合时,N区过剩的电子通过外部电路流向区过剩的电子通过外部电路流向P区，区，P区的空穴流向区的空穴流向N区，便形成了区，便形成了光生电流。光生电流。当入射光当入射光功率变化时，光生电流也随之线形变化，从而把光信号转功率变化时
4、，光生电流也随之线形变化，从而把光信号转化成电流信号。化成电流信号。如果光生的电子如果光生的电子-空穴对在空穴对在耗尽区耗尽区产生，那么在电场的产生，那么在电场的作用下，电子将向作用下，电子将向N区漂移，而空穴将向区漂移，而空穴将向P区漂移。当与区漂移。当与P层和层和N层连接的电路开路时，便在两端产生产生电动势，这层连接的电路开路时，便在两端产生产生电动势，这种效应称为种效应称为光电效应。光电效应。注注意意：如如果果入入射射光光子子的的能能量量小小于于时时，不不论论入入射射光光有有多多么么强强，光光电电效效应应也也不不会会发发生生。即光电效应必须满足条件即光电效应必须满足条件或式式中中：是是真
5、真空空中中的的光光速速；是是入入射射光光的的波波长长；h是普朗克常量；是普朗克常量；是材料的禁带宽度。是材料的禁带宽度。二光电二极管的波长响应二光电二极管的波长响应 由由光光电电效效应应的的条条件件可可知知，对对任任何何一一种种材材料料制作的光电二极管，都有制作的光电二极管，都有上截止波长，上截止波长，定义为定义为Si材料制作的材料制作的PIN光电二极管，光电二极管，1.06umGe材料制作的材料制作的PIN光电二极管，光电二极管，1.6um 原原因因:当当入入射射光光波波长长很很短短时时，材材料料的的吸吸收收系系数数变变得得很很大大，结果使大量的入射光子在光电二极管的表面层(如P区)就被吸收
6、。入射光波长太短时入射光波长太短时,光变电的转化效率也会大光变电的转化效率也会大大下降。大下降。光光电电二二极极管管的的表表面面层层往往往往存存在在一一个个零零电电场场的的区区域域,当当电电子子-空空穴穴对对在在表表面面层层（如如P区区）里里产产生生时时，少少数数载载流子首先要扩散到耗尽层，然后才能被外电路收集。流子首先要扩散到耗尽层，然后才能被外电路收集。但但在在表表面面层层区区域域，少少数数载载流流子子的的寿寿命命时时间间很很短短，扩扩散散速速度度又又慢慢，电电子子-空空穴穴对对往往往往在在被被检检测测器器电电路路收收集集以以前就已被复合掉，从而使检测器的光电转换效率降低。前就已被复合掉，
7、从而使检测器的光电转换效率降低。Si材料材料PIN光电二极管，波长响应范围：光电二极管，波长响应范围：0.51.0umGe和和InGaAs材材料料PIN光光电电二二极极管管,波波长长响响应应范范围围：1.11.6um光电二极管的波长响应范围光电二极管的波长响应范围:5 51 12 PIN2 PIN光电二极管光电二极管 为为了了提提高高光光电电转转换换效效率率，最最好好使使所所有有的的入入射射光落在作用区（耗尽区内），必须采取如下措施：光落在作用区（耗尽区内），必须采取如下措施：减小入射表面的反射率；减小入射表面的反射率；尽尽量量减减小小光光子子在在表表面面层层被被吸吸收收的的可可能能性性，增增
8、加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区被充分吸收加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区被充分吸收。PIN光光电电二二极极管管就就是是基基于于此此种种设设计计思思想想的的一一种器件。种器件。一一.PIN光电二极管的结构光电二极管的结构 PN结结的的中中间间是是一一个个接接近近本本征征，掺掺杂杂很很低低的的N区区，称称为为I层层，I层层很很厚厚。两两侧侧是是掺掺杂杂浓浓度度很很高高的的P型型和和N型型半半导导体体，用用P+和和N+表示，表示，P+层和层和N+层很薄。层很薄。则则在在P+层层和和I层层之之间间形形成成了了一一个个耗耗尽尽层层，通通过过调调整整材材料料的的掺掺杂杂浓浓度度和和加加上上适适当当的的反反向
9、向偏偏压压，就就可可以以将将耗耗尽尽层层拓拓宽宽到整个到整个I层。层。由由于于P+层层和和N+层层都都很很薄薄，这这样样耗耗尽尽区区几几乎乎占占据据了了整整个个PN结结，光光在在零零电电场场区区被被吸吸收收的的可可能能性性很很小小，从从而而提提高高光光电电转转换效率。换效率。二二PIN光电二极管的基本特性光电二极管的基本特性1.1.光电转换效率光电转换效率 响应度响应度 ：定义为输出光生电流：定义为输出光生电流 和入射光功和入射光功率率 的比值。的比值。量子效率量子效率 ：定义为一次光生电子：定义为一次光生电子-空穴对和入空穴对和入射光子数的比值射光子数的比值式中式中 为入射光功率，为入射光功
10、率，为光生电流，为光生电流，为光子能量，为光子能量，为电子电荷。为电子电荷。量量子子效效率率 和和响响应应度度 取取决决于于材材料料的的特特性性和和器器件的结构。件的结构。假假设设:器器件件表表面面反反射射率率为为零零；P层层和和N层层对对量量子子效效率率的的贡贡献献为为零零；仅仅仅仅耗耗尽尽区区（I区区）里里吸吸收收的的光光子子才才能能有有效效的的转转化成光电流。化成光电流。则则PIN光电二极管的量子效率可近似表示为：光电二极管的量子效率可近似表示为：式中式中 和和 分别为耗尽区（分别为耗尽区（I区）的吸收系数和厚度。区）的吸收系数和厚度。可见，当可见，当 1时，时，所以为提高量子效率所以为
11、提高量子效率 ，I层的厚度层的厚度 要足够大。要足够大。2.2.暗电流暗电流 暗暗电电流流Id：是是在在反反向向偏偏压压条条件件下下，没没有有入入射射光时，光电二极管产生的反向电流。光时，光电二极管产生的反向电流。包包括括：晶晶体体材材料料表表面面缺缺陷陷形形成成的的泄泄漏漏电电流流和和载流子热扩散形成的本征暗电流。载流子热扩散形成的本征暗电流。暗电流与光电二极管的材料和结构有关暗电流与光电二极管的材料和结构有关例例如如：Si材材料料的的PIN，Id100nA。3.3.噪声噪声n噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数，噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数，它直接影响光接收机的灵敏度它直接影响
12、光接收机的灵敏度n光电二极管的噪声光电二极管的噪声:包括包括散粒噪声散粒噪声和和热噪声。热噪声。n噪声通常用噪声通常用均方噪声电流均方噪声电流(在在1负载上消耗负载上消耗的噪声功率的噪声功率)来描述。来描述。n(1)散散粒粒噪噪声声：是是由由于于带带电电粒粒子子产产生生和和运运动动的的随随机性而引起的一种具有均匀频谱的白噪声。机性而引起的一种具有均匀频谱的白噪声。包括包括:量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声n量量子子噪噪声声：是是由由于于光光电电子子产产生生和和收收集集的的统统计计特特性造成的。性造成的。n量子噪声电流的均方值量子噪声电流的均方值:其其中中：IP为
13、为平平均均光光电电流流；e为为电电子子电电荷荷；f为噪声带宽。为噪声带宽。说明：说明：n1）量量子子噪噪声声伴伴随随着着入入射射光光信信号号的的产产生生而而产产生生，随随着着信信号号的的增增大大而而增增大大；当当入入射射光光信信号号消消失失，量子噪声也消失。量子噪声也消失。n2）量子噪声是一种不可克服的本征噪声，它量子噪声是一种不可克服的本征噪声，它决定光接收机灵敏度的极限。决定光接收机灵敏度的极限。n暗电流噪声暗电流噪声:暗电流是器件在反偏压条件下，暗电流是器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流。它是由于没有入射光时产生的反向直流电流。它是由于PN结内电子的热扩散形成的。结内电子
14、的热扩散形成的。n暗电流的均方值：暗电流的均方值：其中：其中：Id为暗电流平均值；为暗电流平均值；说明：说明：n1.偏偏置置电电流流增增大大，暗暗电电流增大；流增大；n2.器器件件温温度度升升高高，暗暗电电流增大；流增大；n3.暗暗电电流流与与光光电电二二极极管管材料和结构有关。材料和结构有关。n例例:si-PIN，Id100nA。n漏电流噪声漏电流噪声:是由于器件表面物理缺陷引起的。是由于器件表面物理缺陷引起的。n漏漏电流的均方值：电流的均方值：其中：其中：IL为漏电流平均值；为漏电流平均值；说说明明：漏漏电电流流和和暗暗电电流流只只能能通通过过合合理理设设计计、良良好好的结构和严格的工艺来
15、降低。的结构和严格的工艺来降低。n(2)热热噪噪声声：任任何何电电阻阻都都具具有有热热噪噪声声。只只要要温温度度高高于于绝绝对对零零度度，电电阻阻中中大大量量的的电电子子就就会会在在热热激激励励下下作作无无规规则则运运动动，由由此此在在电电阻阻上上形形成成无无规规则则弱弱电电流，形成电阻的热噪声。流，形成电阻的热噪声。n包括：包括：负载电阻和后继放大器输入电阻负载电阻和后继放大器输入电阻产生的热产生的热噪声。噪声。n均方热噪声电流：均方热噪声电流：式式中中：k=1.3810-23J/K为为波波尔尔兹兹曼曼常常数数；T为为绝绝对对温温度度；R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻的并联为等效电阻
16、，是负载电阻和放大器输入电阻的并联.nPIN光电二极管的总均方噪声电流为：光电二极管的总均方噪声电流为：5 51 13 3 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APDAPD）一一APD的工作原理的工作原理 随着反向偏压的增加，随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。开始光电流基本保持不变。当反向偏压增加到一定数值当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为器件被击穿，这个电压称为击穿电压击穿电压UB。APD就是根据这种特性就是根据这种特性设计的器件。设计的器件。根根据据光光电电效效应应，当当光光入入射射到到PN结结时时，光光子子被被吸吸收收而
17、而产产生生电子电子-空穴对。空穴对。如如果果反反向向电电压压增增加加到到是是电电场场达达到到200kV/cm以以上上，初初始始电电子子（一一次次电电子子）在在高高电电场场区区获获得得足足够够的的能能量量而而加加速速运运动动。高高速速运运动动的的电电子子和和晶晶格格原原子子相相碰碰撞撞，使使晶晶格格原原子子电电离离，产产生生新新的的电电子子-空空穴穴对对，这这个个过过程程称称为为碰撞电离碰撞电离。新新产产生生的的二二次次电电子子再再次次和和原原子子碰碰撞撞。如如此此多多次次碰碰撞撞，产产生生连连锁锁反反应应，致致使使载载流流子子雪雪崩崩式式倍倍增增，见见图图。所所以以这这种种器件就被称为器件就被
18、称为雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）。）。二二APD的倍增因子的倍增因子 由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这种效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述它的种效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述它的放大作用，即用放大作用，即用倍增因子倍增因子 来定义。来定义。根据经验，并考虑到器件体电阻的影响，可以表示为根据经验，并考虑到器件体电阻的影响，可以表示为式中式中 为为APD击穿电压，为与材料特性和入射光波长有击穿电压，为与材料特性和入射光波长有关的常数，关的常数，R为为APD体电阻。现有的体电阻。现有的APD的的 值已达几
19、值已达几十到上百，随反向偏压，波长和温度而变化。十到上百，随反向偏压，波长和温度而变化。三三.APD的结构类型的结构类型 在光通信中常用的在光通信中常用的APD有如下几中结构类型。有如下几中结构类型。保护环型（保护环型（GAPD）短波段短波段 （0.85um）拉通型（拉通型（RAPD）SAM（Separated Absorption 长波段长波段 and multiplexing）（1.3 um1.55 um）SAGM （带隙渐变型（带隙渐变型SAM）1.1.拉通型（拉通型（RAPDRAPD）当偏置电压逐渐升高时，峰值电场超过雪崩效应所需最低电压，就会发生雪崩效应。同时，耗尽区已经“拉通”到了
20、整个 区。虽然 区的电场比高场区低，但也足以保证载流子有较高的漂移速度。入射光子在 区被吸收后，产生一次电子-空穴对，其中的一次电子在电场的作用下向PN结漂移，并在那里产生雪崩效应，而一次空穴在电场的作用下移向P+区，被外电路收集。P+和N+为高掺杂低阻区，压降很小，偏置电压基本上都落在高阻的PN结上。低掺杂的本征区很宽，电场较低，大部分入射光子在此区被吸收并建立最初的电子空穴对。当偏置电压较低时，电场分布如图中虚线所示，这时本征区也未耗尽，而且峰值电场较低，不会发生碰撞电离。5 52 2光接收机光接收机5 52 21 1数字光接收机的基本组成数字光接收机的基本组成5 52 22 2数字光接收
21、机的噪声数字光接收机的噪声5 52 23 3误码率误码率5 52 24 4灵敏度灵敏度5 52 25 5 动态范围动态范围n光接收机功能光接收机功能:把从光纤线路输出，产生畸变和衰减的把从光纤线路输出，产生畸变和衰减的微弱微弱光信号转为电信号光信号转为电信号，并经放大和处理，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号后恢复成发射前的电信号n主要组成部分：光检测器（核心）主要组成部分：光检测器（核心）5 52 21 1数字光接收机的基本组成数字光接收机的基本组成 1 1光光检检测测器器：实实现现电电/光光转转换换的的关关键键器器件件。即即对光进行解调。对光进行解调。2放大器放大器：包括：包括前置放大器
22、前置放大器和和主放大器主放大器：n前置放大器前置放大器：n低低噪噪声声、高高增增益益和和足足够够的的带带宽宽特特性性，以以获获得得较较大的信噪比。大的信噪比。n它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大n 输出一般为毫伏数量级。输出一般为毫伏数量级。n主放大器主放大器：n作作用用：是是提提供供足足够够的的增增益益，将将前前置置放放大大器器输输出出的信号电平放大到判决电路所需要的信号电平。的信号电平放大到判决电路所需要的信号电平。n一般是多级放大器一般是多级放大器;n是一个增益可调节的放大器。是一个增益可调节的放大器。它它的的增增益益受受AGC电电路路（自自动动增增益益
23、控控制制电电路路）的的控控制制，以以使使输输出出的的电电信信号号的的幅幅度度在在一一定定范范围围内内不不受受输输入光信号幅度的影响入光信号幅度的影响。3、均衡器：、均衡器：n（1）没没有有均均衡衡器器出出现现的的问问题题：从从接接收收机机主主放放大大器器输输出出的的脉脉冲冲形形状状将将不不会会再再是是矩矩形形了了，将将可可能能出出现现很很长长的的拖拖尾尾。这这种种拖拖尾尾现现象象将将会会使使前前、后码元的波形重叠产生码间干扰后码元的波形重叠产生码间干扰n对于一个实际的传输系统（包括信道，放大器，滤对于一个实际的传输系统（包括信道，放大器，滤波器等），其频带总是受限的，结果使输出波形有波器等），
24、其频带总是受限的，结果使输出波形有很大的拖尾，使前后码元在波形上相互重叠，而产很大的拖尾，使前后码元在波形上相互重叠，而产生码间干扰。生码间干扰。n（2）均均衡衡器器作作用用：使使经经过过均均衡衡器器以以后后的的波波形形成为有利于判决的波形。成为有利于判决的波形。n在本码判决时刻波形的瞬时值应为最大值；在本码判决时刻波形的瞬时值应为最大值；n这这个个本本码码波波形形的的拖拖尾尾在在邻邻码码判判决决时时刻刻的的瞬瞬时时值值应为应为0。n一般用具有升余弦频谱的码元脉冲波形一般用具有升余弦频谱的码元脉冲波形 4、再生电路：、再生电路：包括包括判决器判决器和和时钟提取电路时钟提取电路n-作作用用：将将
25、均均衡衡器器输输出出的的升升余余弦弦波波形形信信号号，恢恢复复为原发送为原发送“0”或或“1”的数字信号。的数字信号。n再生过程：再生过程：n为了能从均衡器的输出信号判决出是为了能从均衡器的输出信号判决出是“0”还是还是“1”码，首先要确定判决的时刻，这就要从升余弦码，首先要确定判决的时刻，这就要从升余弦波形中提取准确的时钟信号。波形中提取准确的时钟信号。n时钟信号经过适当的移相后，在最佳的取样时刻对时钟信号经过适当的移相后，在最佳的取样时刻对升余弦波形进行取样，然后将取样幅度与判决阈值升余弦波形进行取样，然后将取样幅度与判决阈值进行比较，确定码元是进行比较，确定码元是“0”还是还是“1”，从
26、而把升，从而把升余弦波形恢复再生成原传输的数字信号。余弦波形恢复再生成原传输的数字信号。5 52 22 2数字光接收机的噪声数字光接收机的噪声一光接收机噪声的分类一光接收机噪声的分类二噪声分析的一般方法二噪声分析的一般方法三光接收机的噪声等效模型三光接收机的噪声等效模型四放大器噪声的计算四放大器噪声的计算五前置放大器的类型五前置放大器的类型一光接收机噪声的分类一光接收机噪声的分类光光接接收收机机的的噪噪声声有有两两部部分分：外外部部噪噪声声和和内部噪声内部噪声。n外部噪声外部噪声：由外部电磁干扰产生的。可以通：由外部电磁干扰产生的。可以通过屏蔽或滤波来消除。过屏蔽或滤波来消除。n内部噪声内部噪
27、声：是在信号检测和放大过程中引入：是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声。的随机噪声。n主要包括：主要包括：光检测器的噪声光检测器的噪声、前置放大器前置放大器的噪声的噪声和和热噪声。热噪声。光光检检测测器器的的噪噪声声：如如量量子子噪噪声声，暗暗电电流流噪噪声声，漏电流噪声，漏电流噪声，APD的倍增噪声的倍增噪声前前置置放放大大器器的的噪噪声声：放放大大器器的的噪噪声声主主要要由由前前置置放放大大器器噪噪声声决决定定。因因为为前前置置级级输输入入的的是是微微弱弱信信号，其噪声对输出信噪比影响很大。号，其噪声对输出信噪比影响很大。热热噪噪声声：负负载载电电阻阻上上的的热热噪噪声声和和放放大大电电
28、路路中中产产生的热噪声。生的热噪声。二噪声分析的一般方法二噪声分析的一般方法n噪声是一种随机过程，它的值并不能预噪声是一种随机过程，它的值并不能预先确定，在不同的时刻测量噪声时所得先确定，在不同的时刻测量噪声时所得的结果也常常是不一样的，因此，对噪的结果也常常是不一样的，因此，对噪声的分析应采用随机过程的分析方法。声的分析应采用随机过程的分析方法。3平稳随机过程的功率谱密度平稳随机过程的功率谱密度 n设设有有时时间间函函数数x（t），-t+，假假设设x（t）满满足足荻荻氏氏条条件件，且且绝绝对对可可积积，那那么么x（t）的的傅傅立立叶叶变变换换为为nx（t）和和 FX（w）之之 间间 有有 以
29、以 下下 的的 巴巴 塞塞 伐伐（parseval）等式成立）等式成立n等等式式左左边边的的积积分分表表示示x（t）在在（-，+）上上的总能量。的总能量。n把函数把函数x（t）限制在（）限制在（-T，T）时间间隔内的可）时间间隔内的可得到：得到：n上式的左边表示平均功率：上式的左边表示平均功率：n函数函数x（t）的双边平均功率谱密度（简称功率）的双边平均功率谱密度（简称功率谱密度）为：谱密度）为：4.4.线形系统对随机输入的响应线形系统对随机输入的响应 n线形系统在这里指时不变线形系统。线形系统在这里指时不变线形系统。n系系统统的的脉脉冲冲响响应应函函数数：当当系系统统的的输输入入是是单单位位
30、脉脉冲冲时时（t）时时，相相应应的的系系统统的的输输出出称称为为系系统统的的脉脉冲冲响响应应函函数，记作数，记作HT（t）。）。n频频率率响响应应函函数数（或或传传递递函函数数）：HT（t）的的傅傅氏氏变变换换HT（w）称为系统的频率响应函数（或传递函数）。）称为系统的频率响应函数（或传递函数）。n 若若对对此此线线形形系系统统输输入入信信号号x(t)，则则输输出出信信号号的的波波形形和频谱为：和频谱为：n线线形形系系统统在在平平稳稳输输入入的的条条件件下下，其其输输出出也也是是平平稳稳的的。系系统统的的输输出出谱谱密密度度等等于于输输入入谱谱密密度度乘乘以以系系统统的的功率增益因子功率增益因
31、子|HT(w)|2,即即三光接收机的噪声等效模型三光接收机的噪声等效模型 n把所有的噪声源都等效到光接收机的输入端，把所有的噪声源都等效到光接收机的输入端，光接收机的输入端的噪声等效模型如图。光接收机的输入端的噪声等效模型如图。说明：说明：n光检测器等效为电流源，光检测器等效为电流源，n：光光检检测测器器的的量量子子噪噪声声的的均均方方噪噪声声电电流流，功功率率谱谱密密度分别为度分别为Sqn：光光检检测测器器的的暗暗电电流流噪噪声声的的均均方方噪噪声声电电流流（等等效效噪噪声功率），功率谱密度为声功率），功率谱密度为Sd。nR为为偏偏置置电电阻阻，C为为电电容容（结结电电容容和和其其他他电电容
32、容），ib为偏置电阻的热噪声电流。为偏置电阻的热噪声电流。n放放大大器器:分分解解为为理理想想放放大大器器和和等等效效电电流流源源和和电电压压源源，其其功功率率谱谱密密度度分分别别为为SI和和SE。Rin是是放放大器的输入电阻。大器的输入电阻。n光光检检测测器器的的噪噪声声特特性性参见512 节PIN光电二极管的基本特性。n偏偏置置电电阻阻的的热热噪噪声声：偏偏置置电电阻阻具具有有热热噪噪声声，只只要要温温度度大大于于绝绝对对温温度度，电电阻阻中中大大量量的的电电子子就就会会在在热热激激励励下下作作不不规规则则的的运运动动，结结果果在在电电阻阻上上形形成成不不规规则变化的微弱电流，形成电阻的热
33、噪声。则变化的微弱电流，形成电阻的热噪声。1.带有热噪声的电阻等效方式带有热噪声的电阻等效方式可以有两种等效方式：可以有两种等效方式：n一一种种是是等等效效为为一一个个无无噪噪声声的的电电阻阻和和一一个个噪噪声声电电流源并联。流源并联。（上图中就是这样等效的。（上图中就是这样等效的。n并联电流噪声源的功率谱密度为：并联电流噪声源的功率谱密度为：式式中中：k k为为玻玻耳耳兹兹曼曼常常数数，k k=1.3810=1.3810-23-23J/KJ/K；K K为为绝对温度。绝对温度。上式表明，电阻的热噪声随温度的升高而加大。上式表明，电阻的热噪声随温度的升高而加大。n另另一一种种是是等等效效为为一一
34、个个无无噪噪声声的的电电阻阻和和一一个个噪噪声电压源的串联。声电压源的串联。n串联噪声电压源的功率谱密度为：串联噪声电压源的功率谱密度为：四放大器噪声的计算四放大器噪声的计算1放大器输入端的噪声源放大器输入端的噪声源（1）放放大大器器的的噪噪声声包包括括电电阻阻的的热热噪噪声声及及有有源源器器件件（双双极极型型晶晶体体管管或或场场效效应应管管）的的散散粒粒噪噪声声。将将所所有噪声源都等效到输入端。有噪声源都等效到输入端。（2）放放大大器器中中各各个个噪噪声声源源都都可可以以认认为为是是高高斯斯分分布布的平稳随机过程。的平稳随机过程。n放放大大器器噪噪声声的的概概率率密密度度函函数数可可以以表表
35、示示为为高高斯斯函函数：数：n（3）均均值值为为0的的高高斯斯噪噪声声的的方方差差2实实际际就就代代表表噪噪声声电电压压或或（电电流流）的的平平方方的的平平均均值值，即即为为噪噪声平均功率。声平均功率。n（4）概概率率密密度度为为高高斯斯函函数数的的各各个个随随机机噪噪声声，它它们们之之和和的的概概率率密密度度仍仍是是高高斯斯函函数数，而而且且总总噪噪声声的方差等于各个噪声源的方差之和。的方差等于各个噪声源的方差之和。n（5）计计算算放放大大器器的的输输出出噪噪声声应应求求得得各各个个噪噪声声源源的的方方差差，然然后后求求和和得得到到输输出出端端总总噪噪声声电电压压的的方方差。差。2放大器输出
36、噪声电压的计算方法放大器输出噪声电压的计算方法(1)用用输输入入端端各各噪噪声声源源的的功功率率谱谱密密度度乘乘以以放放大大器器的的功功率率功功率率增增益益因因子子，可可得得到到输输出出端端的的功功率率谱谱密度。密度。其中：其中：n|ZT(w)|2是放大器的功率增益因子是放大器的功率增益因子nZT(w)是放大器的传递函数，它表示输入电流和输出电是放大器的传递函数，它表示输入电流和输出电压之间的传递关系，实为转移阻抗。压之间的传递关系，实为转移阻抗。（2）输出端功率谱密度）输出端功率谱密度SY（w）对）对w积分，得到积分，得到输出端的各噪声电压的方差（或称为噪声功率）输出端的各噪声电压的方差（或
37、称为噪声功率）（3）由于放大器的各噪声源的概率分布函数均为）由于放大器的各噪声源的概率分布函数均为高斯函数，所以输出端总噪声电压的方差等于各高斯函数，所以输出端总噪声电压的方差等于各噪声源方差之和。噪声源方差之和。说明：说明：计计算算时时，输输入入端端的的串串联联电电压压噪噪声声源源首首先先要要乘乘以以输输入入导导纳纳（1/Rt+iwC）的的绝绝对对值值的的平平方方，转转换换成成电电流流源源，然然后后再再乘乘以以功功率率增增益益因因子子|ZT(w)|2。式式中中Rt=RRin。n根根据据根根据据上上述述的的步步骤骤，可可以以算算出出放放大大器器的的总总噪噪声声电压的方差为：电压的方差为：五前置
38、放大器的类型五前置放大器的类型 放大器的噪声特性取决于所采用的前置放大器的噪声特性取决于所采用的前置放大器的类型放大器的类型。n1.1.前置放大器的分类：前置放大器的分类：n双极型晶体管前置放大器双极型晶体管前置放大器n场效应管前置放大器场效应管前置放大器n跨阻型前置放大器跨阻型前置放大器2 2三种类型前置放大器的比较：三种类型前置放大器的比较：n双双极极型型晶晶体体管管前前置置放放大大器器：输输入入阻阻抗抗低低，线线路路简简单单；接接收收机机不不需需要要或或只只需需要要很很少少的的均均衡衡，码码间间干干扰小；适用于高速率传输系统。扰小；适用于高速率传输系统。n场场效效应应管管前前置置放放大大
39、器器：输输入入阻阻抗抗高高，噪噪声声小小；高高频特性差，适用于低速率传输系统。频特性差，适用于低速率传输系统。n跨跨阻阻型型前前置置放放大大器器：是是一一个个性性能能优优良良的的电电流流-电电压压转换器；具有宽频率低噪声的优点；转换器；具有宽频率低噪声的优点；n根根据据目目前前已已报报导导的的Gbit/s速速率率的的光光接接收收机机的的情情况况看看，前前置放大器有采用跨阻型也有采用低阻型的。置放大器有采用跨阻型也有采用低阻型的。5 52 23 3误码率误码率一一.误码的产生误码的产生:n在在数数字字光光纤纤通通信信系系统统中中，接接收收端端的的光光信信号号经经检测，放大，均衡后，进行判决，再生
40、。检测，放大，均衡后，进行判决，再生。n判决判决,再生的过程再生的过程:见下图见下图n判决是通过时钟信号的上升沿在最佳的时刻对接收的数字判决是通过时钟信号的上升沿在最佳的时刻对接收的数字信号进行取样。信号进行取样。n然后将取样值与判决阈值进行比较，若取样幅度大于判决然后将取样值与判决阈值进行比较，若取样幅度大于判决阈值，则判为阈值，则判为“1”，若取样幅度小于判决阈值，则判为，若取样幅度小于判决阈值，则判为“0”，从而使信号得到再生。，从而使信号得到再生。n由于噪声的存在，接收信号就有被误判的可能性。由于噪声的存在，接收信号就有被误判的可能性。n误码率误码率：接收码元被错误判决的概率，接收码元
41、被错误判决的概率，称为误码率。（在二元制的情况下，等称为误码率。（在二元制的情况下，等于误比特率，于误比特率，BER）BER错误码元数错误码元数/传输总的码元数传输总的码元数n光接收机输出的噪声的特性：光接收机输出的噪声的特性：n光接收机输出的噪声的特性概率分布十分复光接收机输出的噪声的特性概率分布十分复杂，包括放大器引入的噪声和光检测器的噪杂，包括放大器引入的噪声和光检测器的噪声。声。n前面分析过放大起引入的噪声，是高斯分布前面分析过放大起引入的噪声，是高斯分布的平稳随机过程，其概率密度函数为高斯函的平稳随机过程，其概率密度函数为高斯函数。数。n光电检测过程，尤其是雪崩光电检测过程是光电检测
42、过程，尤其是雪崩光电检测过程是一个非常复杂的随机过程，它的概率密度函一个非常复杂的随机过程，它的概率密度函数是非高斯型的。数是非高斯型的。n假设：一般假设噪声电流（或电压）的瞬时值服假设：一般假设噪声电流（或电压）的瞬时值服从从高斯分布，高斯分布，其概率密度函数为其概率密度函数为式式中中：x是是代代表表噪噪声声这这一一高高斯斯随随机机变变量量的的取取值值，均均值值E（x）=0，方差，方差D（x）=2nNA为前置放大器的平均噪声功率；为前置放大器的平均噪声功率；nND为光检测器的平均噪声功率；为光检测器的平均噪声功率；nN0为总的平均噪声功率。为总的平均噪声功率。（1）发）发“0”码时码时平均噪
43、声功率平均噪声功率N0=NA，NA为前置发达器的平均噪声为前置发达器的平均噪声功率；这时没有光信号输入，光检测器的平均噪声功率功率；这时没有光信号输入，光检测器的平均噪声功率ND=0（略去暗电流）。（略去暗电流）。n发发“0”码条件下噪声的概率密度函数：码条件下噪声的概率密度函数：注：均值为注：均值为0的高斯噪声的方差的高斯噪声的方差2就是平均噪声功率就是平均噪声功率N0n把把“0”码误判为码误判为“1”码的概率码的概率：等于：等于I0D的的概率概率（2）发）发“1”码时：码时：平平均均噪噪声声功功率率：N1=NA+ND；ND为为光光检检测测器器的的平平均均噪噪声声功率；功率；噪声电流幅度：噪
44、声电流幅度：I1-Im；判决条件：判决条件：I1-ImIm-D(即即I1D)n把把“1”码码 误误 判判 为为“0”码码 的的 概概 率率：等等 于于 I1-ImIm-D(即即I1D)的概率。的概率。（3）总误码率）总误码率n“0”码和码和“1”码的误码率一般是不相同的，码的误码率一般是不相同的，但对于但对于“0”码和码和“1”码等概率而言，一般认码等概率而言，一般认为为Pe，01=Pe，10时可使误码率达到最小。时可使误码率达到最小。n超扰比超扰比Q：说明：只要知道说明：只要知道Q值，就可以根据总误码率的计算公式值，就可以根据总误码率的计算公式求出误码率，结果如图。求出误码率，结果如图。例：
45、例：Q=6，BER10-9；Q=7，BER10-12。n数字通信要求，如果误比特率小于数字通信要求，如果误比特率小于10-6，则基本上可以恢复原来的数字信号。如则基本上可以恢复原来的数字信号。如果误比特率大于果误比特率大于10-3，则基本上不能进行，则基本上不能进行正常的电话通信。正常的电话通信。n一般要求系统的误比特率小于一般要求系统的误比特率小于10-9，即，即10亿个脉冲中只容许发生一个误亿个脉冲中只容许发生一个误码。码。524灵敏度灵敏度n一一.灵敏度的一般计算方法灵敏度的一般计算方法n二理想光接收机的灵敏度二理想光接收机的灵敏度灵敏度是光接收机的最重要的性能指标。灵敏度是光接收机的最
46、重要的性能指标。n灵敏度：灵敏度：是指保证达到给定的误码率是指保证达到给定的误码率(或信噪比）的条或信噪比）的条件下，光接收机需要输入的最小平均接收光功率件下，光接收机需要输入的最小平均接收光功率min。或者说在一定误码率条件下光接收机所能接收。或者说在一定误码率条件下光接收机所能接收到的最小光功率。到的最小光功率。n可用三种物理量表示：可用三种物理量表示：n最小平均光功率最小平均光功率Pminn每个光脉冲的最低平均能量每个光脉冲的最低平均能量Edn每个光脉冲的最低平均光子数每个光脉冲的最低平均光子数n0接收灵敏度一般用接收灵敏度一般用dBm（毫瓦分贝）来表示，它是（毫瓦分贝）来表示，它是以以
47、lmW光功率为基础的绝对功率。光功率为基础的绝对功率。说明：说明：n灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光信号的能力，提高灵敏度意味着可以接收更微弱的光光信号的能力，提高灵敏度意味着可以接收更微弱的光信号。信号。n影响灵敏度的主要因素是光检测器和放大器引入的噪声。影响灵敏度的主要因素是光检测器和放大器引入的噪声。一一.灵敏度的一般计算方法灵敏度的一般计算方法(1)计算灵敏度，必须先求出光接收机输出端总噪计算灵敏度，必须先求出光接收机输出端总噪声的概率密度函数声的概率密度函数(2)再根据噪声的概率密度函数计算出总误码率。再根据噪声的概率
48、密度函数计算出总误码率。(3)根据所要达到的误码率求灵敏度。根据所要达到的误码率求灵敏度。n灵敏度计算的近似方法：灵敏度计算的近似方法：n光接收机输出的噪声的特性概率分布十分复杂光接收机输出的噪声的特性概率分布十分复杂,它的概率密度函数是非高斯型的。它的概率密度函数是非高斯型的。n所以精确计算光接收机的总噪声的概率分布密所以精确计算光接收机的总噪声的概率分布密度是十分困难的，常用一些近似方法计算。度是十分困难的，常用一些近似方法计算。n一些常用的近似方法：一些常用的近似方法：1）重要性取样法重要性取样法2）切若夫界限法切若夫界限法3）高斯近似法：高斯近似法：CCITT推荐使用的方法。推荐使用的
49、方法。n参见：参见：光纤通信系统光纤通信系统顾畹仪，李国瑞，北京邮电大学顾畹仪，李国瑞，北京邮电大学出版社出版社二理想光接收机的灵敏度二理想光接收机的灵敏度n理想光接收机的定义：理想光接收机的定义：n假设光检测器的暗电流为假设光检测器的暗电流为0；n放大器无噪声；放大器无噪声；n只要光电二极管输出一个电子只要光电二极管输出一个电子-空穴对所产生空穴对所产生的光电流，判决器就能判决出来。的光电流，判决器就能判决出来。n结论：结论：理想光接收机的灵敏度只受光检测器的量理想光接收机的灵敏度只受光检测器的量子噪声的限制子噪声的限制，因为量子噪声是伴随光信号的随，因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要
50、有光信号的输入，就有量子噪声。机噪声，只要有光信号的输入，就有量子噪声。1误码率的计算误码率的计算（1）发）发“0”码时的误码率码时的误码率：n光检测器没有光输入，由于光电二极管暗电光检测器没有光输入，由于光电二极管暗电流为流为0，放大器无噪声，所以光电二极管不输，放大器无噪声，所以光电二极管不输出电子出电子-空穴对，放大器也无信号输出；空穴对，放大器也无信号输出；n因此因此“0”码误码为码误码为“1”码的概率为码的概率为0，即即（2）发）发“1”码时的误码率：码时的误码率：n产生误码的唯一可能就是当一个光脉冲输入时，产生误码的唯一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有产生光电流，放大器没有