第九章 光纖通信技術(shù)—4

1、第第9 9章章 光纖通信技術(shù)光纖通信技術(shù) 光纖通信技術(shù)是光纖應(yīng)用技術(shù)的一個重要應(yīng)用方向 ，它是以光纖技術(shù)、激光技術(shù)和光電集成技術(shù)為基礎(chǔ)而 發(fā)展起來的。光纖通信是以光纖作為傳輸媒介、光波為 載頻的一種先進(jìn)的通信手段。即利用近紅外區(qū)域波長 1000nm左右的光波作為信息的載波信號，把電話、電視 、數(shù)據(jù)等電信號調(diào)制到光載波上，再通過光纖傳輸信息 的一種通信方式。光纖通信具有許多獨特的優(yōu)點，所以 光纖一經(jīng)問世，就以科技史上罕見的速度迅速發(fā)展而成 為有效的通信手段。本章主要介紹了光纖通信的特點、 分類和光纖通信系統(tǒng)的基本組成，以及光纖通信網(wǎng)絡(luò)和 光通信的新技術(shù)。 9 .39 .3光電檢測器與光接收機(jī)光電

2、檢測器與光接收機(jī) 光纖通信系統(tǒng)中，光發(fā)送機(jī)輸出的光信號在光纖中傳輸時， 不僅幅度會受到衰減，而且脈沖的波形也會被展寬。光接收 機(jī)的任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真恢復(fù)出由光纖傳輸、光 載波所攜帶的信息，因此光接收機(jī)的輸出特性綜合反映了整 個光纖通信系統(tǒng)的性能。本節(jié)首先介紹光電檢測器的原理與 特性，然后重點討論接收機(jī)前端的噪聲特性、模擬及數(shù)字接 收機(jī)的性能，如信噪比或誤碼率、接收機(jī)靈敏度等。 9.3.19.3.1光接收機(jī)組成概述光接收機(jī)組成概述 光纖通信系統(tǒng)有模擬和數(shù)字兩大類，和光發(fā)射機(jī)一樣， 光接收機(jī)也有模擬接收機(jī)和數(shù)字接收機(jī)兩種形式，如圖9. 33所示。它們均由反向偏壓下的光電檢測器、低噪聲前置

3、放 大器及其他信號處理電路組成，是一種直接檢測(DD)方式。 與模擬接收機(jī)相比，數(shù)字接收機(jī)比較復(fù)雜，在主放大器后還 有均衡濾波、定時提取與判決再生、峰值檢波與自動增益控 制(AGC)放大電路。但因它們在高電平下工作，并不影響對 光接收機(jī)基本性能的分析。 (a) (a)模擬接收機(jī)模擬接收機(jī) (b) (b)數(shù)字接收器數(shù)字接收器 圖圖9.33 9.33 光纖通信接收機(jī)框圖光纖通信接收機(jī)框圖 光電檢測器是光接收機(jī)的第一個關(guān)鍵部件，其作用是把 接收到的光信號轉(zhuǎn)化成電信號。目前在光纖通信系統(tǒng)中廣泛 使用的光電檢測器是PIN光電二極管(PIN-PD)和雪崩光電二 極管(APD)。PIN-PD比較簡單，只需1

4、020 V的偏壓即可工 作，且不需偏壓控制，但它沒有增益。因此使用PIN_PD的接 收機(jī)的靈敏度不如APD接收機(jī);APD具有10 200倍的內(nèi)部電 流增益，可提高光接收機(jī)的靈敏度。但使用APD比較復(fù)雜， 需要幾十到200 V的偏壓，并且溫度變化較嚴(yán)重地影響APD的 增益特性，所以通常需對APD的偏壓進(jìn)行控制以保持其增益 不變，或采用溫度補(bǔ)償措施以保持其增益不變。對光電檢 測器的基本要求是高的轉(zhuǎn)換效率、低的附加噪聲和快速的 響應(yīng)。由于光檢測器產(chǎn)生的光電流非常微弱(nAA )， 必須先經(jīng)前置放大器進(jìn)行低噪聲放大，光電檢測器和前置 放大器合起來叫做接收機(jī)前端，其性能的優(yōu)劣決定接收靈 敏度的主要因素。

5、經(jīng)光電檢測器檢測而得的微弱信號電流， 流經(jīng)負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號后，由前置放大器加以放大。 但前置放大器在將信號進(jìn)行放大的同時，也會引人放大器 本身電阻的熱噪聲和晶體管的散彈噪聲。另外，后面的主 放大器在放大前置放大器的輸出信號時，也會將前 主放大器主要用來提供高的增益，將前置放大器的輸出 信號放大到適合于判決電路所需的電平。前置放大器的輸出 信號電平一般為mV量級，而主放大器的輸出信號一般為1 3V(峰-峰值)。 均衡器的作用是對主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號 進(jìn)行整形，使之成為最有利于判決碼間干擾最小的升余弦波 形。均衡器的輸出信號通常分為兩路，一路經(jīng)峰值檢波電路 變換成與輸人信號的峰值

6、成比例的直流信號，送人自動增益 控制電路，用以控制主放大器的增益;另一路送入判決再生 電路，將均衡器輸出的升余弦信號恢復(fù)為“0”或“1”的數(shù) 字信號。 定時提取電路用來恢復(fù)采樣所需的時鐘。衡量接收機(jī)性能 的主要指標(biāo)是接收靈敏度。在接收機(jī)的理論中，中心的問題 是如何降低輸人端的噪聲，提高接收靈敏度。光接收機(jī)靈敏 度主要取決于光電檢測器的響應(yīng)度以及檢測器和放大器的噪 聲。 9.3.29.3.2光電檢測器光電檢測器 作為光纖通信系統(tǒng)的光電檢測器，需要具備一定條件和 要求才能完成光電轉(zhuǎn)換: 在工作波長上光電轉(zhuǎn)換效率高，即對一定的入射光 功率，光電檢測器能輸出盡可能大的光電流，這表明光 電檢測器具有高的

7、光電轉(zhuǎn)換效率，或高的增益因子; 足夠高的響應(yīng)速度，或有大的頻帶寬及線性度好， 即光電檢測器輸出的電信號能不失真地反映出接收的光 信號強(qiáng)度隨時間的真實變化規(guī)律，使信號失真盡量小; 高的接收靈敏度，即能探測極微弱的光信號。對 此，光電檢測器應(yīng)有很低的噪聲(與光電轉(zhuǎn)換效率區(qū)別); 體積小、功耗低、壽命長、高可靠、工作電壓低等。 目前的光接收機(jī)絕大多數(shù)都是用光電二極管(PD)直接進(jìn)行 光電轉(zhuǎn)換，其性能的好壞直接影響著接收機(jī)的性能指標(biāo)。光電 二極管的種類很多，在光纖通信中，滿足上述要求的光電檢測 器主要有兩種:PIN光電二極管(PIN-PD)和雪崩二極管(APD)。 1.1.光電檢測器的工作原理光電檢測

8、器的工作原理 PD是一個工作在反向偏壓下的PN結(jié)二極管，如圖9.34所示。 由二極管做成的光電檢測器的核心是PN結(jié)的光電效應(yīng)。 當(dāng)半導(dǎo)體受到光的照射,且光子能量 、大于半導(dǎo)體材 料的帶隙Eg 時，位于價帶的電子將吸收光能向?qū)кS遷， 這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。保持運動狀態(tài)的電子，不久又和 價帶的空穴相遇而復(fù)合，這時光電效應(yīng)消失。所以為了把 光信號變換成電信號，必須充分利用電子和空穴復(fù)合以前 的狀態(tài)。 在半導(dǎo)體光電檢測器件中，為了使電子和空穴分離，通 常采用PN結(jié)面附近區(qū)域產(chǎn)生空間電荷區(qū)，形成自建電場， 如圖9.34所示。當(dāng)P型半導(dǎo)體緊密接觸后，P型區(qū)的空穴和 N型區(qū)的電子分別向N型區(qū)和P型區(qū)擴(kuò)散，

9、因而在兩個區(qū)的 h 接觸面兩側(cè)形成了不存在載流子電子和空穴的區(qū)域，這個區(qū) 域就叫耗盡層。在這樣的狀態(tài)下，如果光從P區(qū)一側(cè)人射， 則光能量在被吸收的同時仍繼續(xù)向N區(qū)一側(cè)延伸吸收，在經(jīng) 過耗盡層時，由于吸收光子能量，電子從價帶被激勵到導(dǎo)帶 而產(chǎn)生光生電子空穴對，并且在耗盡層空間電場作用下，分 別向N型區(qū)和P型區(qū)相互逆方向作漂移運動，并形成漂移電流。 在耗盡層兩側(cè)是沒有電場的中性區(qū)，由于熱運動，部分光生 電子和空穴通過擴(kuò)散運動可能進(jìn)人耗盡層，然后在電場作用 下，形成和漂移電流相同方向的擴(kuò)散電流。漂移電流分量 和擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電流。于是，當(dāng)與P層和N 層連接的電路開路時，便在P區(qū)和N區(qū)兩端

10、之間產(chǎn)生與被分 隔開的電子和空穴數(shù)量成正比的電動勢。若與外電路連通， N區(qū)過剩的電子經(jīng)外部電路與P區(qū)空穴復(fù)合形成光生電流。 當(dāng)入射光功率變化時，光電流也隨之線性變化，從而把光 信號轉(zhuǎn)換成電信號。這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下， 由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子空穴對的運動，在閉合電路 中形成光生電流的器件，就是簡單的PN結(jié)光電二極管。 圖圖9. 34 9. 34 反向偏置的反向偏置的PNPN結(jié)結(jié) 產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足 （9.19） 即存在 （9.20） 式中， 為產(chǎn)生光電效應(yīng)的人射光的最大波長，稱為截止波長。 以Si為材料的PD, =1.06m；以Ge為材料的PD， =1.60m。 如圖9. 34

11、所示，PD通常要施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘?，目的是增?耗盡層的寬度，縮小耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度，從而減小光生 g Eh g E hc c c c c 電流中的擴(kuò)散分量。由于載流子擴(kuò)散運動比漂移運動慢得 多，所以減小擴(kuò)散分量的比例便可顯著提高響應(yīng)速度。但 是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會增加載流子漂移的渡 越時間，使響應(yīng)速度減慢。這種結(jié)構(gòu)的PD無法降低暗電 流和提高響應(yīng)度，器件的穩(wěn)定度也比較差，實際上不適合 做光纖通信的檢測器。為了解決這一矛盾，就需要改進(jìn)PN 結(jié)PD的結(jié)構(gòu)。 2. PIN-PD2. PIN-PD (1) PIN-PD(1) PIN-PD的工作原理與結(jié)構(gòu)的工作原理與結(jié)構(gòu) 由于PN結(jié)耗盡

12、層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸 收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性， 在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體I (Intrinsic)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN-PD。 PIN-PD的工作 原理和結(jié)構(gòu)見圖9.35。 圖圖9. 35 PIN9. 35 PIN一一PDPD工作原理與結(jié)構(gòu)工作原理與結(jié)構(gòu) PIN-PD中，中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體;兩側(cè) 是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，用P+和N+表示。I層很厚， 吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)人材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生 大量電子空穴對，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩側(cè)P+層 和N+層很薄，吸收人射光的比例

13、很小，I層幾乎占據(jù)整個耗盡層， 因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速 度。 另外，可通過控制耗盡層的寬度 ，來改變器件的響應(yīng)速 度。 (2) PIN-PD(2) PIN-PD的主要特性的主要特性 PIN-PD的主要特性包括波長響應(yīng)范圍、響應(yīng)度、量子 效率、響應(yīng)速度及噪聲特性等。 波長響應(yīng)范圍。不同半導(dǎo)體材料存在著上限波長， 即截止波長。當(dāng)入射波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于截止波長時，光電轉(zhuǎn)換 效率會大大降低。因此，半導(dǎo)體光電檢測器只可以對一定 波長范圍的光信號進(jìn)行有效的光電轉(zhuǎn)換，這一波長范圍就 是波長響應(yīng)范圍。 圖圖9. 369. 36材料吸收系數(shù)隨波長的變材料吸收系數(shù)隨波長的變 化情況化情況

14、 由于半導(dǎo)體材料對光的吸收， 光在材料中按指數(shù)率衰減，因 此在厚度 的材料內(nèi)被吸收的 光功率為 （9.21） 式中，P0為入射光功率; 為 材料吸收系數(shù)，其大小與材料 性質(zhì)有關(guān)，且是波長的函數(shù)。 半導(dǎo)體材料的吸收作用隨波長 減小而迅速增強(qiáng)，即 隨波長 1 )( )( 0 ePP )( 減小而變大。圖9.36為光纖通信中用做光檢測器的幾種 材料的吸收系數(shù)隨波長的變化情況。 響應(yīng)度與量子效率。響應(yīng)度是描述光檢測器能量轉(zhuǎn) 換效率的一個參量。它定義為一次光生電流Ip和人射光 功率P0的比值，即 (9.22) 式中，P0為人射到光電二極管上的光功率;Ip為所產(chǎn)生的 光電流，R的單位為A/W。 0 P I

15、p R 式中，P0為人射到光電二極管上的光功率;Ip為所產(chǎn)生的光電流， R的單位為A/W。 量子效率 表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為 單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即 （9.23） 將上式代人(9. 22)式可得光電檢測器的響應(yīng)度: （9.24） e h hP e R / /I - 0 p 入射光字?jǐn)?shù) 空穴對數(shù)子數(shù)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電 ）（A/W 24. 1 h e R )( 1 e 式中，波長、的單位取m?？梢?，光電檢測器的響應(yīng)度隨 波長的增大而增大，這是因為較低能量的光子（ 較大)， 也能產(chǎn)生相同的光生電流，但這種關(guān)系只有在光子能量大 于半導(dǎo)體的帶隙能量前提下成立，一

16、旦光子能量小于帶隙 能量，則 。 量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。假 設(shè)器件表面反射率為零,P層和N層對量子效率的貢獻(xiàn)可以忽 略，在工作電壓下，I層全部耗盡，那么PIN-PD的量子效率 可以近似表示為 （9.25） 0 )( 式中， 和 分別為I層的吸收系數(shù)和厚度。由(9. 25)式可以 看到，當(dāng) 時， 1所以為提高量子效率，必須減少入 射表面的反射率，使人射光子盡可能多地進(jìn)入PN結(jié);同時減少 光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在 耗盡區(qū)內(nèi)被充分吸收。 1)( 圖9. 37為PIN-PD的響應(yīng)度、量子效率與波長的關(guān)系?？梢?看出，響應(yīng)度、量子效率隨著波長的變化而

17、變化。由圖可見， Si適用于0.80.9m波段，Ge和InGaAs適用于1.31.6m波 段。響應(yīng)度一般為0.50.6(A/W)。如果R=0.55 A/W，則表明1 mW的光功率入射到該光電二極管上，可以產(chǎn)生0.55mA的光電流。 圖圖9. 37 PIN9. 37 PIN一一PDPD響應(yīng)度、量子效率與波長的關(guān)系響應(yīng)度、量子效率與波長的關(guān)系 響應(yīng)時間和頻率特性。PD對高速調(diào)制光信號的響應(yīng)能力用 脈沖響應(yīng)時間或截止頻率 fc(帶寬B)表示。對于數(shù)字脈沖 調(diào)制信號，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%， 或后沿由90%下降到10%的時間，分別定義為脈沖上升時間r 和脈沖下降時間f，如圖9

18、. 38所示。當(dāng)PD具有單一時間常 數(shù)0時，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數(shù)函數(shù) exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脈沖響應(yīng)時間: =r=f=2.20 (9.26) 對于幅度一定，頻率為=2f的正弦調(diào)制信號，用光生 電流I()下降3dB的頻率定義為截止頻率fc。當(dāng)光電二 極管具有單一時間常數(shù)時0時， (9.27) PIN-PD響應(yīng)時間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡 層的渡越時間d和包括PIN-PD在內(nèi)的檢測電路RC常數(shù)所 確定。 r c f 35. 0 2 1 0 PIN-PD響應(yīng)時間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越 時間d和包括PIN-PD在內(nèi)的檢測電路RC常數(shù)所確

19、定。 當(dāng)調(diào)制頻率 、與渡越時間的d倒數(shù)可以相比時，I層對 量子效率（ ）的貢獻(xiàn)可以表示為 （9.28） 由 得到由渡越時間d限制的截止頻率 （9.29） 式中，渡越時間d= /vs， 為耗盡層寬度，vs為載流子渡 越速度，正比于電場強(qiáng)度。 2/ )2/sin( )0()( d d s d v c f42. 0 42. 0 2/1)0(/ )( 由(9. 28)式和(9. 29)式可以看出，減小耗盡層寬度 ， 可以減小渡越時間d，從而提高截止頻率c，但是同時要降 低量子效率 。圖9. 39為內(nèi)量子效率和帶寬的關(guān)系。 由電路RC時間常數(shù)限制的截止頻率: （9.30） dtC Rc f 2 1 式中

20、，Rt為PD的串聯(lián)電阻和負(fù)載電阻的總和，Cd為結(jié)電容 Cj和管殼分布電容的總和。 圖圖9. 39 9. 39 內(nèi)量子效率和帶寬的關(guān)系內(nèi)量子效率和帶寬的關(guān)系 噪聲特性。PD的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電 流噪聲以及負(fù)載電阻的熱噪聲。噪聲影響光接收機(jī)的靈敏 度。量子噪聲是由于入射光子和所形成的電子一空穴對都 具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生，與平均光電流Ip成正比。暗 電流Id噪聲是當(dāng)沒有入射光時流過器件偏置電路的電流， 它是由于PN結(jié)內(nèi)熱效應(yīng)產(chǎn)生的電子一空穴對形成的，是 PIN-PD的主要噪聲源。除此之外，PD中還有表面漏電流IL。 表面漏電流是由于器件表面物理特性的不完善，如表面缺 陷、不清潔和

21、加有偏置電壓而引起的。電阻的熱噪聲指， 溫度高于絕對零度時，電阻中大量的電子就會在熱激 勵下做無規(guī)則運動，而在電阻上形成的無規(guī)則弱電流。 除負(fù)載電阻的熱噪聲以外，其他都為散彈噪聲。散彈 噪聲是由于帶電粒子產(chǎn)生和運動的隨機(jī)性而引起的一 種具有均勻頻譜的白噪聲。 （9.31） 式中，Ip為光電流，暗電流Id均為暗電流，IL為面漏 電流， f為噪聲帶寬。量子噪聲不同于熱噪聲，它 伴隨著信號的產(chǎn)生而產(chǎn)生，隨著信號的增大而增大。 當(dāng)沒有光入射時，信號消失，量子噪聲也同時消失。 R fkT Ldp fIIIei 42 )(2 3.3.雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)(APD) (1) APD的結(jié)構(gòu)與

22、工作原理 APD是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩倍增效應(yīng)來使 光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。工作電壓很高，為 100 200 V，接近于反向擊穿電壓。當(dāng)耗盡層中的場強(qiáng)達(dá) 到足夠高時，人射光產(chǎn)生的電子或空穴在強(qiáng)電場中可得到極 大的加速，而獲得很高的能量，高能量的電子和空穴在運動 過程中與晶格碰撞，使晶體中的原子電離，激發(fā)出新的電子- 空穴對。碰撞電離產(chǎn)生的電子和空穴在電場中又被加速，電 離其他的原子，經(jīng)過多次電離后，載流子迅速增加，形成雪 崩倍增效應(yīng)。因此，ADP具有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。 ADP響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度 最快的一種PD。 圖9. 40為一

23、種被稱為拉通型APD(RAPD)的結(jié)構(gòu)，大致 和PI N-PD相同。這是一種全耗盡型結(jié)構(gòu)，具有光電轉(zhuǎn)換 效率高、響應(yīng)速度快和附加噪聲低等優(yōu)點。這里的P層是 稍微填加了受主元索的P型半導(dǎo)體，意味著P層是高阻層。 層為低摻雜區(qū)(接近本征態(tài))，而且很寬。當(dāng)偏壓加達(dá) 到一定程度后，耗盡區(qū)將被拉通到層，一直抵達(dá)P+層。 倍增的高電場區(qū)集中在PN+結(jié)附近窄的區(qū)域內(nèi)。隨著偏置 電壓的增加，結(jié)區(qū)的耗盡層逐漸加寬，直到P區(qū)的載流子 全部耗盡，使P區(qū)成為耗盡區(qū)。進(jìn)一步加大偏置電壓，耗 盡區(qū)逐漸擴(kuò)大，直至“拉通”到整個區(qū)。區(qū)較寬以提 高量子效率，區(qū)電場比PN+結(jié)區(qū)電場低。入射光子在 區(qū)吸收后建立一次電子一空穴對，其

24、中電子在電場作用下 向PN+結(jié)漂移，并在PN+結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生雪崩倍增;一次空穴則 直接被P+吸收。 (2) APD的特性 與PIN-PD相比，APD的主要特性也包括波長響應(yīng)范圍、 量子效率、響應(yīng)度、響應(yīng)速度等，APD響應(yīng)度、量子效率 與波長的關(guān)系如圖9. 41所示。 圖圖9. 41 ADP9. 41 ADP光電二極管響應(yīng)度、量子效率與波長的關(guān)系光電二極管響應(yīng)度、量子效率與波長的關(guān)系 除此之外，由于APD中雪崩倍增效應(yīng)的存在，APD的特性 還包括雪崩倍增特性、倍增噪聲、溫度特性等。 倍增因子g倍增因子g指一次光生電流產(chǎn)生的平均 增益的倍數(shù)，定義為APD輸出光電流I0和一次光生電流Ip 的比值: (9.32) p I I g 0 g值隨反向偏壓、波長和溫度而變化。顯然，APD的響 應(yīng)度比PIN-PD增加了g倍?，F(xiàn)在APD的g值已達(dá)到幾十 甚至上百。 噪聲特性。APD中的噪聲除了量子噪聲、暗電流噪 聲、漏電流噪聲之外，還有附加的倍增噪聲。 雪崩倍增效應(yīng)不僅對信號電流有放大作用，而且對噪聲 電流也有放大作用。同時雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的載流子也是隨機(jī)的， 所以會引人新的噪