光纖通信5第五章光檢測器與光接收機(jī)

1、1光光 纖纖 通通 信信 簡簡 明明 教教 程程光纖通信原理)( m85. 03 . 155. 1197519761980損耗kmdB /2 . 020全面表達(dá)光纖損耗特性 1970 20 dB/km 現(xiàn) 0.2 dB/km袁國良袁國良 李元元李元元 編著編著主要參考書主要參考書 方強(qiáng)方強(qiáng)光纖通信光纖通信 西安電子科技大學(xué)出版社西安電子科技大學(xué)出版社 孫學(xué)康孫學(xué)康光纖通信技術(shù)光纖通信技術(shù) 北京郵電大學(xué)出版社北京郵電大學(xué)出版社2目目 錄錄第第1 1章章 光纖通信概述光纖通信概述第第2 2章章 光纖的物理學(xué)基礎(chǔ)光纖的物理學(xué)基礎(chǔ)第第3 3章章 光纖光纖第第4 4章章 光源和光發(fā)射機(jī)光源和光發(fā)射機(jī)第第

2、5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)第第6 6章章 光纖通信系統(tǒng)與工程光纖通信系統(tǒng)與工程第第7 7章章 SDHSDH技術(shù)技術(shù)第第8 8章章 光放大和色散補(bǔ)償技術(shù)光放大和色散補(bǔ)償技術(shù)第第9 9章章 波分復(fù)用技術(shù)波分復(fù)用技術(shù)第第1010章章 光纖通信的高新技術(shù)光纖通信的高新技術(shù)3第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)本章內(nèi)容本章內(nèi)容5.1 5.1 光檢測器光檢測器 5.2 5.2 光電檢測器的工作特性光電檢測器的工作特性5.3 5.3 光接收機(jī)光接收機(jī)5.4 5.4 光接收機(jī)的噪聲光接收機(jī)的噪聲5.5 5.5 光接收機(jī)的誤碼率和接收靈敏度光接收機(jī)的誤碼率和接收靈敏度4第第

3、5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)5.1 光檢測器光檢測器1.1.光纖通信對光電檢測器的主要要求光纖通信對光電檢測器的主要要求(1) (1) 在工作波長上光電轉(zhuǎn)換效率要高，即對一定的入射光信號功率，在工作波長上光電轉(zhuǎn)換效率要高，即對一定的入射光信號功率，光檢測器能輸出盡可能大的光電流；光檢測器能輸出盡可能大的光電流；(2) (2) 檢測過程中帶來的附加噪聲盡可能??；檢測過程中帶來的附加噪聲盡可能??；(3) (3) 響應(yīng)速度快、線性好及頻帶寬，使信號失真盡量??；響應(yīng)速度快、線性好及頻帶寬，使信號失真盡量小；(4) (4) 高可靠長壽命，尺寸可與光纖直徑相配，工作電壓低等。高可靠長壽

4、命，尺寸可與光纖直徑相配，工作電壓低等。將收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號將收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號 用于光纖通信的光檢測器是利用光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)用于光纖通信的光檢測器是利用光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)化為電流信號的光子器件?；癁殡娏餍盘柕墓庾悠骷?第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)2 2半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng) 當(dāng)光子照射到物體上時(shí)，它的能量可以被物體中的某當(dāng)光子照射到物體上時(shí)，它的能量可以被物體中的某個(gè)電子全部吸收，如果電子吸收的能量足夠大，超過了克個(gè)電子全部吸收，如果電子吸收的能量足夠大，超過了克服脫離原子所需要的電離能和脫離物體表面時(shí)所需的溢出服脫離原子所需要的電離能和脫離

5、物體表面時(shí)所需的溢出功，電子就可以離開物體表面脫逸出來，成為光電子，這功，電子就可以離開物體表面脫逸出來，成為光電子，這就是光電效應(yīng)。就是光電效應(yīng)。6第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)2 2半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng) 圖圖b是是PN結(jié)及其附近的能帶分布圖，能帶的高低是以結(jié)及其附近的能帶分布圖，能帶的高低是以電子（負(fù)電荷）的電位能為根據(jù)的，電位越負(fù)，能帶越高。電子（負(fù)電荷）的電位能為根據(jù)的，電位越負(fù)，能帶越高。 由于光子的能量為由于光子的能量為h f，半導(dǎo)體光電材料的禁帶寬度為，半導(dǎo)體光電材料的禁帶寬度為Eg，則當(dāng)光照射光電二極管上時(shí)，若，則當(dāng)光照射光電二極管上時(shí)，若h

6、f Eg時(shí)就會產(chǎn)生光時(shí)就會產(chǎn)生光生生“電子空穴電子空穴”對（光生載流子）。對（光生載流子）。7第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)2 2半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng) 設(shè)設(shè)fc為截止頻率，為截止頻率，c為截止波長，則為截止波長，則Egh fc， 所以所以 chC / Eg 當(dāng)入射光波長當(dāng)入射光波長 c時(shí)，入射光才能被半導(dǎo)體材料吸收產(chǎn)時(shí)，入射光才能被半導(dǎo)體材料吸收產(chǎn)生光生載流子。生光生載流子。 當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之做線性變化，從而把光信當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之做線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)化成電信號，這種由受激吸收產(chǎn)生的號轉(zhuǎn)化成電信號，這種由受激吸收產(chǎn)生的“電子空穴電子

7、空穴”對的對的運(yùn)動，在閉合電路中產(chǎn)生光生電流的器件就是簡單的光電二極運(yùn)動，在閉合電路中產(chǎn)生光生電流的器件就是簡單的光電二極管管8第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)3 3PINPIN光電二極管光電二極管 為了改善光電檢測器的響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率，在為了改善光電檢測器的響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率，在P P型材料型材料和和N N型材料之間加一個(gè)型材料之間加一個(gè)I I層（本征耗盡層），它是輕摻雜的層（本征耗盡層），它是輕摻雜的N N型型材料，由于摻雜濃度較輕，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散可以形成材料，由于摻雜濃度較輕，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散可以形成一個(gè)很寬的耗盡層。這就是一個(gè)很寬的耗盡層。這就是PINP

8、IN光電二極管（光電二極管（PIN-PDPIN-PD），如圖），如圖5-1-25-1-2所示。所示。 9第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī) APD APD的工作原理是利用半導(dǎo)體材料的雪崩倍增效應(yīng)制成的。的工作原理是利用半導(dǎo)體材料的雪崩倍增效應(yīng)制成的。 圖為拉通型雪崩光電二極管圖為拉通型雪崩光電二極管(RAPD)(RAPD)的結(jié)構(gòu)示意圖和電場分布圖。的結(jié)構(gòu)示意圖和電場分布圖。 4 4雪崩光電二極管雪崩光電二極管10第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)4 4雪崩光電二極管雪崩光電二極管（1）工作原理）工作原理 雪崩光電二極管在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上已考慮到能承受高反向偏壓，在

9、PN結(jié)內(nèi)部形成一個(gè)高電場區(qū)。 光生載流子經(jīng)過高場區(qū)時(shí)被加速，獲得足夠能量，它們在高速運(yùn)動中與晶格碰撞，使晶體中的原子電離，激發(fā)出新的電子空穴對（碰撞電離），這個(gè)電子空穴對稱為二次電子空穴對。多次碰撞電離的結(jié)果，使載流子迅速增加，反向電流迅速加大，形成雪崩倍增效應(yīng)。 （2）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu) 常用的APD有兩種類型 保護(hù)環(huán)型（GAPD） 拉通型（RAPD） I0NPP(N)光11第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)4 4雪崩光電二極管雪崩光電二極管保護(hù)環(huán)型（保護(hù)環(huán)型（GAPDGAPD） 為防止擴(kuò)散區(qū)邊緣的雪崩擊穿，在制作時(shí)先沉積一層環(huán)行為防止擴(kuò)散區(qū)邊緣的雪崩擊穿，在制作時(shí)先沉積一層環(huán)行N

10、 N型型材料然后高溫推進(jìn)，形成一個(gè)深的圓形保護(hù)環(huán)，在保護(hù)環(huán)和材料然后高溫推進(jìn)，形成一個(gè)深的圓形保護(hù)環(huán)，在保護(hù)環(huán)和P P區(qū)之區(qū)之間形成濃度緩慢變化的緩變結(jié)，從而防止了高反向偏壓下間形成濃度緩慢變化的緩變結(jié)，從而防止了高反向偏壓下PNPN結(jié)邊緣結(jié)邊緣的雪崩擊穿。的雪崩擊穿。 特性：具有高靈敏度。雪崩特性：具有高靈敏度。雪崩增益隨偏壓變化的非線性十分突出，增益隨偏壓變化的非線性十分突出，要想獲得足夠增益，必須在接近擊要想獲得足夠增益，必須在接近擊穿電壓下使用，而擊穿電壓對溫度穿電壓下使用，而擊穿電壓對溫度非常敏感，當(dāng)溫度變化時(shí)，雪崩增非常敏感，當(dāng)溫度變化時(shí)，雪崩增益也隨之發(fā)生較大的變化。益也隨之發(fā)生

11、較大的變化。GAPD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)12第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)4 4雪崩光電二極管雪崩光電二極管拉通型（拉通型（RAPD） 由由N+區(qū)、區(qū)、P區(qū)、區(qū)、I區(qū)和區(qū)和P區(qū)四層結(jié)構(gòu)組成區(qū)四層結(jié)構(gòu)組成. 未加電壓時(shí)，未加電壓時(shí)，N區(qū)與區(qū)與P區(qū)形成區(qū)形成PN結(jié)。結(jié)。 P區(qū)摻雜較輕，耗盡區(qū)較寬。區(qū)摻雜較輕，耗盡區(qū)較寬。 加小的反偏壓時(shí)，耗盡區(qū)增寬，加小的反偏壓時(shí)，耗盡區(qū)增寬， 繼續(xù)增大反向偏壓，耗盡區(qū)延伸繼續(xù)增大反向偏壓，耗盡區(qū)延伸 到到P區(qū)。區(qū)。 APD二極管的擊穿電壓二極管的擊穿電壓VB 對溫度很敏感，需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。對溫度很敏感，需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。13第第5 5章章 光檢測器和光接

12、收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)5.2 5.2 光電檢測器的工作特性光電檢測器的工作特性 光電檢測器的工作特性參數(shù)很多，光電檢測器的工作特性參數(shù)很多，PIN-PDPIN-PD的主要工作的主要工作特性有的響應(yīng)度和量子效率、響應(yīng)時(shí)間、暗電流等，由于特性有的響應(yīng)度和量子效率、響應(yīng)時(shí)間、暗電流等，由于APDAPD有雪崩倍增效應(yīng)，所以有雪崩倍增效應(yīng)，所以APDAPD除了上述參數(shù)外還包括倍增除了上述參數(shù)外還包括倍增因子、過剩噪聲指數(shù)等。因子、過剩噪聲指數(shù)等。14第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)1 1響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)度和量子效率 響應(yīng)度是描述這種器件光電轉(zhuǎn)換能力的物理量。響應(yīng)度是描述這種器件光

13、電轉(zhuǎn)換能力的物理量。)/(0WAPIRp 光電轉(zhuǎn)換能力也可以從另一個(gè)角度描述，這就是量子效率光電轉(zhuǎn)換能力也可以從另一個(gè)角度描述，這就是量子效率，定義為產(chǎn)生的光生電子定義為產(chǎn)生的光生電子-空穴對數(shù)占入射光子數(shù)的百分比?？昭▽?shù)占入射光子數(shù)的百分比。式中，Ip 是光生電流，P0 為入射光功率hf為光子能量 ，e 為電子電荷。)()(P(hf/e/0p0pehfRehfIPI 入射光子數(shù)入射光子數(shù)光生載流子數(shù)光生載流子數(shù) 15第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)結(jié)論結(jié)論 ：響應(yīng)度與量子效率、入射光波的頻率有關(guān)。：響應(yīng)度與量子效率、入射光波的頻率有關(guān)。 R R 和和 都是描述器件光電轉(zhuǎn)

14、換能力的物理量，只是分析都是描述器件光電轉(zhuǎn)換能力的物理量，只是分析的角度不同。的角度不同。 hfeR R 和 之間的關(guān)系為要提高量子效率，必須采取如下從措施：要提高量子效率，必須采取如下從措施： 盡量減小光子在表面層的反射率，增加入射到光電二盡量減小光子在表面層的反射率，增加入射到光電二 極管中的光子數(shù)。極管中的光子數(shù)。 盡量減小中性區(qū)的厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在盡量減小中性區(qū)的厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在 耗盡區(qū)被充分地吸收。耗盡區(qū)被充分地吸收。16第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)2 2響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間是描述光電檢測器對光信號變化響應(yīng)速度快響應(yīng)時(shí)間是描

15、述光電檢測器對光信號變化響應(yīng)速度快慢程度的物理量，一般用上升時(shí)間和下降時(shí)間來表示。慢程度的物理量，一般用上升時(shí)間和下降時(shí)間來表示。 所謂上升時(shí)間是所謂上升時(shí)間是PDPD受階躍光脈沖照射時(shí)，輸出脈沖前受階躍光脈沖照射時(shí)，輸出脈沖前沿的沿的10%10%點(diǎn)到點(diǎn)到90%90%點(diǎn)之間的時(shí)間間隔來衡量，如圖所示。點(diǎn)之間的時(shí)間間隔來衡量，如圖所示。 17第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)渡越時(shí)間：渡越時(shí)間： 是指耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子穿越耗盡層所需要的時(shí)間，是指耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子穿越耗盡層所需要的時(shí)間，用用t td d表示表示 t td dW/vW/vd d ,W,W耗盡層寬度，耗

16、盡層寬度，v vd d載流子的漂移速度。載流子的漂移速度。2) 2) 擴(kuò)散時(shí)間：擴(kuò)散時(shí)間： 在耗盡區(qū)以外產(chǎn)生的載流子要產(chǎn)生擴(kuò)散，擴(kuò)散時(shí)間用在耗盡區(qū)以外產(chǎn)生的載流子要產(chǎn)生擴(kuò)散，擴(kuò)散時(shí)間用i i來表來表示。如果擴(kuò)散區(qū)的電場很小，擴(kuò)散時(shí)間很長，示。如果擴(kuò)散區(qū)的電場很小，擴(kuò)散時(shí)間很長， 由于由于i i的存在會產(chǎn)生脈沖拖尾。的存在會產(chǎn)生脈沖拖尾。光檢測器的響應(yīng)時(shí)間受三個(gè)因素影響光檢測器的響應(yīng)時(shí)間受三個(gè)因素影響18第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)光檢測器的響應(yīng)時(shí)間受三個(gè)因素影響光檢測器的響應(yīng)時(shí)間受三個(gè)因素影響3) 電路的影響：電路的影響： 光電檢測電路會對響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生影響，不同的電路時(shí)

17、間常數(shù)，光電檢測電路會對響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生影響，不同的電路時(shí)間常數(shù)，產(chǎn)生的上升時(shí)間是不同的。產(chǎn)生的上升時(shí)間是不同的。 光檢測器的光檢測器的1090電路上升時(shí)間近似為電路上升時(shí)間近似為RC=2.2RTCT式中：式中：RT電路的總電阻，電路的總電阻，CT電路的總電容。電路的總電容。 考慮上述三個(gè)因素的影響，則總的上升時(shí)間為考慮上述三個(gè)因素的影響，則總的上升時(shí)間為 =(2RC+ 2d+ 2i)1/2 帶寬與上升時(shí)間有關(guān)，一般情況帶寬為上升時(shí)間倒數(shù)的數(shù)量級。帶寬與上升時(shí)間有關(guān)，一般情況帶寬為上升時(shí)間倒數(shù)的數(shù)量級。好的好的SiPIN上升時(shí)間上升時(shí)間可達(dá)可達(dá)500PS以下，以下，GePIN上升時(shí)間上升時(shí)間可達(dá)可

18、達(dá)100PS以下。以下。19第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)3 3響應(yīng)波長響應(yīng)波長產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件是 由光電效應(yīng)發(fā)生的條件可知，對任何材料制作的光電二極管都存在截止波長，表達(dá)式為 但是，入射光波長太短時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率會大大降低，原因是材料對光的吸收系數(shù)是波長的函數(shù)。ggEhCEhf 或或)(24.1eVEEhCggc 20第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)4 4暗電流暗電流是指在規(guī)定的反向電壓下無光照射時(shí)光電二極管的反向電流。 暗電流引起光接收機(jī)噪聲增大，希望越小越好暗電流引起光接收機(jī)噪聲增大，希望越小越好 Ge 材料的光電二極管暗電流達(dá)到幾百納安 Si

19、 材料的光電二極管暗電流只有不到1納安 InCaAs材料的光電二極管暗電流也很小暗電流暗電流器件表面的泄漏電流晶體表面缺陷造成器件表面的泄漏電流晶體表面缺陷造成流經(jīng)體內(nèi)的本體暗電流由熱激勵(lì)產(chǎn)生的電子流經(jīng)體內(nèi)的本體暗電流由熱激勵(lì)產(chǎn)生的電子空穴對組成空穴對組成21第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī) 對于對于APD，由于發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，所以，由于發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，所以APD還需要用倍增還需要用倍增特性來描述。特性來描述。APD的倍增特性有倍增因子的倍增特性有倍增因子G、過剩噪聲指數(shù)、過剩噪聲指數(shù)x等。等。 倍增因子定義為倍增因子定義為G：為有雪崩倍增時(shí)光電流的平均值：為有雪崩倍增

20、時(shí)光電流的平均值IM與無雪與無雪崩倍增時(shí)光電流的平均值崩倍增時(shí)光電流的平均值IP的比值的比值G=IM/IP 5倍增特性倍增特性APD的倍增因子的倍增因子G隨反向電壓隨反向電壓VB的升高而增大。的升高而增大。APD的的G值一般在值一般在40100之間；之間；22第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)5 5倍增特性倍增特性 雪崩倍增效應(yīng)也會引起倍增噪聲，這時(shí)因?yàn)樵谘┍辣对鲂?yīng)也會引起倍增噪聲，這時(shí)因?yàn)樵贏PD中，中，每個(gè)光生載流子不會經(jīng)歷相同的倍增過程，這將導(dǎo)致倍增增每個(gè)光生載流子不會經(jīng)歷相同的倍增過程，這將導(dǎo)致倍增增益產(chǎn)生波動。通常用噪聲系數(shù)益產(chǎn)生波動。通常用噪聲系數(shù)F（G）來表示

21、，在實(shí)際使用過）來表示，在實(shí)際使用過程中程中F（G）常常近似表示為）常常近似表示為F（G）Gx式中式中x為過剩噪聲指為過剩噪聲指數(shù)，與器件所用的材料和制造工藝有關(guān)，數(shù)，與器件所用的材料和制造工藝有關(guān)，x越大，則越大，則F（G）越大。越大。 所以應(yīng)選擇所以應(yīng)選擇APD的的x小的管子。小的管子。23第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)5.3 5.3 光接收機(jī)光接收機(jī)1 1光接收機(jī)的組成光接收機(jī)的組成 直接檢測數(shù)字光纖通信接收機(jī)一般由三個(gè)部分組成，直接檢測數(shù)字光纖通信接收機(jī)一般由三個(gè)部分組成，即光接收機(jī)的即光接收機(jī)的前端、線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)前端、線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)三個(gè)部分，如圖三個(gè)部

22、分，如圖所示。所示。 均衡濾波判決器譯碼器自動增益控制時(shí)鐘恢復(fù)前放前端線性通道數(shù)據(jù)恢復(fù)主放24第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)1)1)光接收機(jī)前端光接收機(jī)前端 光接收機(jī)前端的作用是將光纖線路末端耦合到光電檢測器把光光接收機(jī)前端的作用是將光纖線路末端耦合到光電檢測器把光比特流轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)變電流，然后進(jìn)行預(yù)放大，以便后一級進(jìn)一步比特流轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)變電流，然后進(jìn)行預(yù)放大，以便后一級進(jìn)一步處理。處理。 光接收機(jī)前端一般由光電檢測器和前置放大器組成。光接收機(jī)前端一般由光電檢測器和前置放大器組成。 25第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī) 前置放大器應(yīng)具有無失真的檢測和恢復(fù)弱信

23、號的能力，前置放大器應(yīng)具有無失真的檢測和恢復(fù)弱信號的能力， 這就要求前端應(yīng)具有低噪聲、高靈敏度和足夠的帶寬。這就要求前端應(yīng)具有低噪聲、高靈敏度和足夠的帶寬。 根據(jù)不同的應(yīng)用要求，前端的設(shè)計(jì)有三種不同的方案。根據(jù)不同的應(yīng)用要求，前端的設(shè)計(jì)有三種不同的方案。 (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 1)1)光接收機(jī)前端光接收機(jī)前端26第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)1)1)光接收機(jī)前端光接收機(jī)前端(1) 低阻抗前端低阻抗前端tCLRpI前置放大器G無反饋低電阻前端 從從頻帶要求頻帶要求出發(fā)，使光檢

24、測器的負(fù)載出發(fā)，使光檢測器的負(fù)載 電阻電阻RL滿足滿足 RL(2fCt)1f為碼速率所要求的前端帶寬，為碼速率所要求的前端帶寬，Ct為前端電路的總電容。為前端電路的總電容。優(yōu)點(diǎn)：線路簡單、動態(tài)范圍較大且無需均衡。優(yōu)點(diǎn)：線路簡單、動態(tài)范圍較大且無需均衡。缺點(diǎn)：由于輸入阻抗低電路噪聲大、靈敏度低。缺點(diǎn)：由于輸入阻抗低電路噪聲大、靈敏度低。27第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)1)1)光接收機(jī)前端光接收機(jī)前端 (2) 高阻抗前端高阻抗前端 為為減小低阻抗前端熱噪聲減小低阻抗前端熱噪聲，可采用高阻抗前端設(shè)計(jì)方案，可采用高阻抗前端設(shè)計(jì)方案，但是但是負(fù)載阻抗負(fù)載阻抗R RL L增大使前置

25、放大器帶寬和動態(tài)范圍減小。增大使前置放大器帶寬和動態(tài)范圍減小。 當(dāng)比特率較高時(shí)，輸入端信號的高頻分量損失大，需采當(dāng)比特率較高時(shí)，輸入端信號的高頻分量損失大，需采用很強(qiáng)的均衡來補(bǔ)償高頻分量損失。用很強(qiáng)的均衡來補(bǔ)償高頻分量損失。 所以，高阻抗前端一般只適用于低速系統(tǒng)。所以，高阻抗前端一般只適用于低速系統(tǒng)。28第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)1)1)光接收機(jī)前端光接收機(jī)前端(3) 跨跨(互互)阻抗前端阻抗前端GtCRLpI前置放大器前置放大器跨阻抗前端 這種前端將負(fù)載電阻連接為反相放大器的反饋電阻，它這種前端將負(fù)載電阻連接為反相放大器的反饋電阻，它是一個(gè)性能優(yōu)良的電流電壓轉(zhuǎn)換器，

26、即使是一個(gè)性能優(yōu)良的電流電壓轉(zhuǎn)換器，即使RL很高，而負(fù)反很高，而負(fù)反饋使有效輸入阻抗降低了饋使有效輸入阻抗降低了G倍，從而使其帶寬比高阻抗前端倍，從而使其帶寬比高阻抗前端增加了增加了G倍，動態(tài)范圍也提高了。倍，動態(tài)范圍也提高了。 所以，具有頻帶寬、噪聲低、靈敏度高、動態(tài)范圍大的所以，具有頻帶寬、噪聲低、靈敏度高、動態(tài)范圍大的優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)。 29第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)1)1)光接收機(jī)前端光接收機(jī)前端 右圖為一右圖為一400Mb/s跨阻抗前端電跨阻抗前端電路圖（第一級采用電壓負(fù)反饋，第路圖（第一級采用電壓負(fù)反饋，第二級采用射極補(bǔ)償以提升高頻分量）二級采用射極補(bǔ)償以提升高

27、頻分量）為了減少引線電容等雜散電容，提為了減少引線電容等雜散電容，提高響應(yīng)速度和靈敏度，通常采用混高響應(yīng)速度和靈敏度，通常采用混合集成工藝，將光電二極管與場效合集成工藝，將光電二極管與場效應(yīng)管前置放大器集成在一起，做成應(yīng)管前置放大器集成在一起，做成PINFET光接收機(jī)組建。光接收機(jī)組建。+V+5V輸出30第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)1)1)光接收機(jī)前端光接收機(jī)前端光接收組件光接收組件 其功能是將經(jīng)光纖傳輸?shù)墓庑盘柦?jīng)組件內(nèi)的光電二極管其功能是將經(jīng)光纖傳輸?shù)墓庑盘柦?jīng)組件內(nèi)的光電二極管還原成電信號。因此，還原成電信號。因此，組件的核心是光電二極管和前置放大組件的核心是光電二極

28、管和前置放大器。器。 為了輸入與輸出有良好的匹配，組件內(nèi)還有阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。為了輸入與輸出有良好的匹配，組件內(nèi)還有阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。 為了使光電二極管工作，還需要配置直流偏置電路。為了使光電二極管工作，還需要配置直流偏置電路。 為避免光返回光纖，還應(yīng)采取防反射措施。為避免光返回光纖，還應(yīng)采取防反射措施。31第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī) 光接收機(jī)的線性通道由一個(gè)高增益的主放大器和一個(gè)光接收機(jī)的線性通道由一個(gè)高增益的主放大器和一個(gè)均衡濾波器組成，還包括峰值檢測和自動增益控制均衡濾波器組成，還包括峰值檢測和自動增益控制(AGC)(AGC)電電路，用來控制放大器增益。路，用來控制放大

29、器增益。 因?yàn)橹鞣糯笃骱鸵粋€(gè)均衡濾波器起一個(gè)線性系統(tǒng)的作因?yàn)橹鞣糯笃骱鸵粋€(gè)均衡濾波器起一個(gè)線性系統(tǒng)的作用，故可稱為線性通道，如下圖所示。用，故可稱為線性通道，如下圖所示。2）線性通道）線性通道32第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)主放大器的作用有兩個(gè)方面：主放大器的作用有兩個(gè)方面：（1 1）將前置放大器輸出的信號放大到判決電路所需要的）將前置放大器輸出的信號放大到判決電路所需要的 信號電平。信號電平。（2 2）它還是一個(gè)增益可調(diào)節(jié)的放大器。當(dāng)光檢測器輸出）它還是一個(gè)增益可調(diào)節(jié)的放大器。當(dāng)光檢測器輸出 的信號出現(xiàn)起伏時(shí)，通過光接收機(jī)的自動增益控制的信號出現(xiàn)起伏時(shí)，通過光接收機(jī)的

30、自動增益控制 電路對主放大器的增益進(jìn)行調(diào)整，以使主放大器的電路對主放大器的增益進(jìn)行調(diào)整，以使主放大器的 輸出信號在一定范圍內(nèi)不受輸入信號的影響。輸出信號在一定范圍內(nèi)不受輸入信號的影響。 對對APDAPD光接收機(jī)還通過控制光接收機(jī)還通過控制APDAPD的偏壓來控制雪崩增的偏壓來控制雪崩增 益。益。2）線性通道）線性通道33第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)2）線性通道）線性通道 對于一個(gè)實(shí)際的傳輸系統(tǒng)（包括信道、放大器、均衡濾波器對于一個(gè)實(shí)際的傳輸系統(tǒng)（包括信道、放大器、均衡濾波器等），其頻帶總是受限的。對于一個(gè)頻帶受限系統(tǒng)，它的時(shí)域?qū)⒌龋?，其頻帶總是受限的。對于一個(gè)頻帶受限系

31、統(tǒng)，它的時(shí)域?qū)⑹菬o限的，也就是說它的輸出波形必定有很長的拖尾，使前后碼是無限的，也就是說它的輸出波形必定有很長的拖尾，使前后碼元波形重疊，引起碼間干擾，導(dǎo)致誤碼判決。元波形重疊，引起碼間干擾，導(dǎo)致誤碼判決。 盡管頻帶受限系統(tǒng)的時(shí)域波形總會有拖尾，但我們盡管頻帶受限系統(tǒng)的時(shí)域波形總會有拖尾，但我們可以設(shè)計(jì)可以設(shè)計(jì)具有特定頻譜的波形，使其在判決其它碼元的時(shí)刻，拖尾值為零具有特定頻譜的波形，使其在判決其它碼元的時(shí)刻，拖尾值為零。通過均衡電路對失真的數(shù)字信號進(jìn)行整形、輸出為碼間干擾盡可通過均衡電路對失真的數(shù)字信號進(jìn)行整形、輸出為碼間干擾盡可能小、能小、 有利于判決的波形。有利于判決的波形。 通常將輸出

32、波形均衡成具有升余弦頻譜函數(shù)（相頻特性為線性）通常將輸出波形均衡成具有升余弦頻譜函數(shù)（相頻特性為線性）的特性，此時(shí)碼間干擾最小，最有利于判決。的特性，此時(shí)碼間干擾最小，最有利于判決。34第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)2）線性通道）線性通道升余弦頻譜函數(shù)為升余弦頻譜函數(shù)為 BfBfBffHout02/)/cos(1)( 對上式進(jìn)行傅立葉逆變換，得線性通道的響應(yīng)為對上式進(jìn)行傅立葉逆變換，得線性通道的響應(yīng)為2)2(112)2sin()(BtBtBtthout 上式中的上式中的hout（t）相應(yīng)于線性通道輸出的電壓脈沖）相應(yīng)于線性通道輸出的電壓脈沖Vout（t）的形狀。的形狀。在

33、在t0判決時(shí)刻，判決時(shí)刻， hout（t）1，信號最大；，信號最大；當(dāng)當(dāng)tm/B時(shí)時(shí) hout（t）0，而而tm/B，對應(yīng)于相鄰比特判決時(shí)刻，所以，本碼不會，對應(yīng)于相鄰比特判決時(shí)刻，所以，本碼不會干擾鄰碼。干擾鄰碼。35第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)本碼判決時(shí)刻鄰碼判決時(shí)刻t0T2T3T 4T)(1th均衡前的脈沖波形本碼判決時(shí)刻鄰碼判決時(shí)刻t0)(2th均衡后的脈沖波形2TT3T4T 2）線性通道）線性通道通過比較知道，沒有均衡濾波器的輸出波形不利于判決，通過比較知道，沒有均衡濾波器的輸出波形不利于判決，經(jīng)過均衡后的波形，在本碼判決時(shí)刻，波形的瞬時(shí)值應(yīng)為經(jīng)過均衡后的波形

34、，在本碼判決時(shí)刻，波形的瞬時(shí)值應(yīng)為最大值；而這個(gè)本碼波形的拖尾在鄰碼判決時(shí)刻的瞬時(shí)值最大值；而這個(gè)本碼波形的拖尾在鄰碼判決時(shí)刻的瞬時(shí)值應(yīng)為零。這樣，即使經(jīng)過均衡以后的輸出波形仍有拖尾，應(yīng)為零。這樣，即使經(jīng)過均衡以后的輸出波形仍有拖尾，但是這個(gè)拖尾在鄰碼判決的這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻為零，從而不干但是這個(gè)拖尾在鄰碼判決的這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻為零，從而不干擾對鄰碼的判決。因此均衡濾波非常重要。擾對鄰碼的判決。因此均衡濾波非常重要。36第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)3 3）數(shù)據(jù)恢復(fù)）數(shù)據(jù)恢復(fù) 數(shù)據(jù)恢復(fù)電路由判決電路和時(shí)鐘恢復(fù)電路組成，如果需要數(shù)據(jù)恢復(fù)電路由判決電路和時(shí)鐘恢復(fù)電路組成，如果需要與電端

35、機(jī)接口，還需要解碼、解擾和編碼電路，如下圖所示。與電端機(jī)接口，還需要解碼、解擾和編碼電路，如下圖所示。37第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī) 將升余弦波恢復(fù)成數(shù)字信號（將升余弦波恢復(fù)成數(shù)字信號（首先要提取正確的時(shí)首先要提取正確的時(shí)鐘，適當(dāng)移相后在最佳時(shí)刻對升余弦信號取樣，與閾值鐘，適當(dāng)移相后在最佳時(shí)刻對升余弦信號取樣，與閾值比較以確定比較以確定“0”或或“1”，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重建，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重建） 為了能從均衡器的輸出信號判決出是為了能從均衡器的輸出信號判決出是“0”碼碼 還是還是“1”碼，首先要設(shè)法知道應(yīng)在什么時(shí)刻進(jìn)行判決亦即碼，首先要設(shè)法知道應(yīng)在什么時(shí)刻進(jìn)行判決亦即應(yīng)將應(yīng)將“混在

36、混在”信號中的時(shí)鐘信號（又稱定時(shí)信號）提取信號中的時(shí)鐘信號（又稱定時(shí)信號）提取出來出來3 3）數(shù)據(jù)恢復(fù)）數(shù)據(jù)恢復(fù)38第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)信號再生示意圖信號再生示意圖3 3）數(shù)據(jù)恢復(fù)）數(shù)據(jù)恢復(fù)接著再根據(jù)給定的判決門限接著再根據(jù)給定的判決門限電平，按照時(shí)鐘信號所電平，按照時(shí)鐘信號所“指指定定”的瞬間來判決由均衡器的瞬間來判決由均衡器送過來的信號若信號電平送過來的信號若信號電平超過判決門限電平，則判為超過判決門限電平，則判為“l(fā)”碼；低于判決門限電平，碼；低于判決門限電平，則被判為則被判為“0”碼從而把升碼從而把升余弦頻譜脈沖恢復(fù)（再生）余弦頻譜脈沖恢復(fù)（再生）為為“

37、0”，“1”碼信號碼信號39第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)3 3） 數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)恢復(fù)眼圖：眼圖：由于經(jīng)過均衡的信號是變了形的數(shù)字碼流，用示波器觀由于經(jīng)過均衡的信號是變了形的數(shù)字碼流，用示波器觀看時(shí)看到的是一種與眼睛相似的圖案，稱為眼圖?？磿r(shí)看到的是一種與眼睛相似的圖案，稱為眼圖。眼圖形成條件：眼圖形成條件： a a、觀測的二進(jìn)制碼流具有隨即性（非周期規(guī)則碼），在同、觀測的二進(jìn)制碼流具有隨即性（非周期規(guī)則碼），在同步觸發(fā)掃描下每幀圖案不同。步觸發(fā)掃描下每幀圖案不同。 b b、示波器的余暉時(shí)間要遠(yuǎn)大于掃描的重復(fù)周期，在同步觸、示波器的余暉時(shí)間要遠(yuǎn)大于掃描的重復(fù)周期，在同步觸發(fā)

38、下，相互疊加顯示穩(wěn)定的眼圖。發(fā)下，相互疊加顯示穩(wěn)定的眼圖。 c c、數(shù)字碼流中的脈沖已經(jīng)不是理想的矩形脈沖，成了升余、數(shù)字碼流中的脈沖已經(jīng)不是理想的矩形脈沖，成了升余弦波形。弦波形。對眼圖的要求：對眼圖的要求：眼圖張開越大越好，線條要清晰，圖形要穩(wěn)定，眼圖張開越大越好，線條要清晰，圖形要穩(wěn)定，單線最好，對稱性好。單線最好，對稱性好。40第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī) 眼圖分析法眼圖分析法：最佳取樣時(shí)間相應(yīng)于在：最佳取樣時(shí)間相應(yīng)于在“1”和和“0”信號電信號電平相差最大的位置，可由眼圖決定，它由不同比特電脈沖頂部平相差最大的位置，可由眼圖決定，它由不同比特電脈沖頂部疊加而成

39、，上圖為理想的眼圖，下圖為噪聲和時(shí)間抖動導(dǎo)致的疊加而成，上圖為理想的眼圖，下圖為噪聲和時(shí)間抖動導(dǎo)致的半張半閉退化眼圖，最佳取樣時(shí)間相應(yīng)于眼睛睜開最大處的時(shí)半張半閉退化眼圖，最佳取樣時(shí)間相應(yīng)于眼睛睜開最大處的時(shí)間。間。3 3）數(shù)據(jù)恢復(fù)）數(shù)據(jù)恢復(fù)41第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)均衡器移相嵌位、整形非線性處理整形限幅調(diào)諧放大時(shí)鐘恢復(fù)電路方框圖3 3）數(shù)據(jù)恢復(fù)）數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)鐘恢復(fù)：時(shí)鐘恢復(fù)：是指將是指將fB的譜分量（時(shí)鐘信號）與接收信號分的譜分量（時(shí)鐘信號）與接收信號分離，向判決電路提供碼間隔離，向判決電路提供碼間隔TB1/B的時(shí)鐘信息，使判決過的時(shí)鐘信息，使判決過程同步。程同步

40、。42第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)2輔助電路輔助電路(1)(1)鉗位電路鉗位電路 為了使輸入判決器的信號穩(wěn)定，在判決器前面加有鉗為了使輸入判決器的信號穩(wěn)定，在判決器前面加有鉗位電路，它將已均衡波的幅度底部鉗制在一個(gè)固定的電位位電路，它將已均衡波的幅度底部鉗制在一個(gè)固定的電位上。上。(2)(2)溫度補(bǔ)償電路溫度補(bǔ)償電路 由于光接收機(jī)環(huán)境溫度變化時(shí)，雪崩管的增益將發(fā)生由于光接收機(jī)環(huán)境溫度變化時(shí)，雪崩管的增益將發(fā)生變化，導(dǎo)致接收機(jī)的靈敏度發(fā)生變化。為了盡可能減少這變化，導(dǎo)致接收機(jī)的靈敏度發(fā)生變化。為了盡可能減少這種變化，就需要給雪崩管的偏壓加溫度補(bǔ)償電路，使雪崩種變化，就需要

41、給雪崩管的偏壓加溫度補(bǔ)償電路，使雪崩管的偏壓隨溫度產(chǎn)生相應(yīng)的變化。管的偏壓隨溫度產(chǎn)生相應(yīng)的變化。(3)(3)告警電路告警電路 當(dāng)輸入光接收機(jī)的光信號太弱或無光信號時(shí)，則由告當(dāng)輸入光接收機(jī)的光信號太弱或無光信號時(shí)，則由告警電路輸出一個(gè)告警信號至告警盤。警電路輸出一個(gè)告警信號至告警盤。43第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)3光接收模塊和集成光接收機(jī)光接收模塊和集成光接收機(jī) 光接收模塊是指將包括光接收模塊是指將包括PDPD管芯和前置放大器以及阻抗匹管芯和前置放大器以及阻抗匹配電路和電路狀態(tài)監(jiān)視配電路和電路狀態(tài)監(jiān)視/ /警示電路，再加上若干光學(xué)元件集成警示電路，再加上若干光學(xué)元件集成

42、在一個(gè)管殼內(nèi)并形成光接收功能的器件。在一個(gè)管殼內(nèi)并形成光接收功能的器件。 集成光接收機(jī)與光接收模塊不同，它是采用集成電路工集成光接收機(jī)與光接收模塊不同，它是采用集成電路工藝技術(shù)把所有的元件集成在一個(gè)芯片上。藝技術(shù)把所有的元件集成在一個(gè)芯片上。 44第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī) 集成光接收機(jī)設(shè)計(jì)制造有兩種方案，一種稱為混合集集成光接收機(jī)設(shè)計(jì)制造有兩種方案，一種稱為混合集成光接收機(jī)，它將電子器件集成在成光接收機(jī)，它將電子器件集成在GaAsGaAs芯片上，而將光電芯片上，而將光電二極管制造在二極管制造在InPInP芯片上，然后將芯片上，然后將InPInP芯片按下圖所示倒裝芯片

43、按下圖所示倒裝式接合法，堆疊在式接合法，堆疊在GaAsGaAs芯片上，使這兩個(gè)芯片連接起來。芯片上，使這兩個(gè)芯片連接起來。 45第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)4.4.光收發(fā)一體模塊光收發(fā)一體模塊 光收發(fā)一體模塊是將傳統(tǒng)的分離發(fā)射、接收組件合二光收發(fā)一體模塊是將傳統(tǒng)的分離發(fā)射、接收組件合二為一密封在同一管殼內(nèi)的新型光電器件。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：為一密封在同一管殼內(nèi)的新型光電器件。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：小型化、低成本、高可靠性和高性能，在數(shù)據(jù)通信和電信小型化、低成本、高可靠性和高性能，在數(shù)據(jù)通信和電信傳輸中均有廣闊的應(yīng)用前景。傳輸中均有廣闊的應(yīng)用前景。46第第5 5章章 光檢測器和光接

44、收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)54 光接收機(jī)的噪聲光接收機(jī)的噪聲噪聲噪聲電磁干擾電磁干擾來自空間的無線電波、周圍電來自空間的無線電波、周圍電 器設(shè)備及電源波紋等器設(shè)備及電源波紋等隨機(jī)噪聲隨機(jī)噪聲光電轉(zhuǎn)換及放大過程中的隨機(jī)光電轉(zhuǎn)換及放大過程中的隨機(jī) 因素所引入的因素所引入的隨機(jī)噪聲隨機(jī)噪聲按噪聲機(jī)理按噪聲機(jī)理散粒噪聲散粒噪聲熱噪聲熱噪聲按引入部位等按引入部位等光電檢測器噪聲光電檢測器噪聲放大器噪聲放大器噪聲量子噪聲量子噪聲電流倍增噪聲電流倍增噪聲散粒噪聲散粒噪聲熱噪聲熱噪聲47第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)54 光接收機(jī)的噪聲光接收機(jī)的噪聲 研究光接收機(jī)噪聲的目的研究光接收機(jī)噪聲的

45、目的 在一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)是重要組成部在一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)是重要組成部分?？梢韵胂?，在滿足誤碼率（或信噪比）指標(biāo)要求下，如分?？梢韵胂瘢跐M足誤碼率（或信噪比）指標(biāo)要求下，如果需要輸入接收機(jī)的光功率低，則表明這個(gè)光接收機(jī)的靈敏果需要輸入接收機(jī)的光功率低，則表明這個(gè)光接收機(jī)的靈敏度高，性能好度高，性能好 那么為什么光接收機(jī)的輸入功率不能無限制地降低呢？那么為什么光接收機(jī)的輸入功率不能無限制地降低呢？顯然，是受到了系統(tǒng)中噪聲的限制顯然，是受到了系統(tǒng)中噪聲的限制主要是光電檢測器和前主要是光電檢測器和前置放大器噪聲。置放大器噪聲。48第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光

46、檢測器和光接收機(jī)54 光接收機(jī)的噪聲光接收機(jī)的噪聲 對于多級放大器的線性通道來說也會產(chǎn)生噪聲，但主對于多級放大器的線性通道來說也會產(chǎn)生噪聲，但主要取決于前置放大器噪聲，因?yàn)闀缓竺娴木€性通道放大。要取決于前置放大器噪聲，因?yàn)闀缓竺娴木€性通道放大。 為了研究光接收機(jī)的性能，就需研究光纖通信系統(tǒng)的為了研究光接收機(jī)的性能，就需研究光纖通信系統(tǒng)的噪聲，首先是從接收機(jī)這端引入的噪聲。噪聲，首先是從接收機(jī)這端引入的噪聲。49第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)54 光接收機(jī)的噪聲光接收機(jī)的噪聲 光接收機(jī)的噪聲是與信息無關(guān)的隨機(jī)變量，噪聲源從引入過程來光接收機(jī)的噪聲是與信息無關(guān)的隨機(jī)變量，

47、噪聲源從引入過程來分，可分為兩類：分，可分為兩類：光電檢測器引入的噪聲和接收機(jī)電路引入的噪光電檢測器引入的噪聲和接收機(jī)電路引入的噪聲。聲。50第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)量子噪聲量子噪聲 出現(xiàn)這種噪聲的原因是：由于光波的傳播是由大量光量出現(xiàn)這種噪聲的原因是：由于光波的傳播是由大量光量子（光子）傳播來進(jìn)行的例如：子（光子）傳播來進(jìn)行的例如：l lmw 頻率為頻率為 f 10101515Hz Hz 的光功率，所對應(yīng)的每秒鐘接收到的光子數(shù)的光功率，所對應(yīng)的每秒鐘接收到的光子數(shù) n n 應(yīng)為應(yīng)為式中，式中，hfhf 是一個(gè)光子具有的能量是一個(gè)光子具有的能量 這樣大量的光量子其相

48、位和幅度都是隨機(jī)的。因此，光這樣大量的光量子其相位和幅度都是隨機(jī)的。因此，光電檢測器在某個(gè)時(shí)刻實(shí)際接收到的光子數(shù)，是在一個(gè)統(tǒng)計(jì)平電檢測器在某個(gè)時(shí)刻實(shí)際接收到的光子數(shù)，是在一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值附近浮動，因而產(chǎn)生了噪聲。均值附近浮動，因而產(chǎn)生了噪聲。 從噪聲產(chǎn)生的過程看出，這種噪聲是頑固地依附在信號從噪聲產(chǎn)生的過程看出，這種噪聲是頑固地依附在信號上的，用增加發(fā)射光功率，或采用低噪聲放大器都不能減少上的，用增加發(fā)射光功率，或采用低噪聲放大器都不能減少它的影響因而，它限制了光接收機(jī)的靈敏度指標(biāo)。它的影響因而，它限制了光接收機(jī)的靈敏度指標(biāo)。151534310509. 11010625. 610 fhPn51第

49、第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)光電檢測器的暗電流噪聲光電檢測器的暗電流噪聲 當(dāng)沒有光照射時(shí)，在理想條件下，光電檢測器應(yīng)沒有光電流當(dāng)沒有光照射時(shí)，在理想條件下，光電檢測器應(yīng)沒有光電流輸出。但是，實(shí)際上由于熱激勵(lì)、宇宙射線或放射性物質(zhì)的激勵(lì)，輸出。但是，實(shí)際上由于熱激勵(lì)、宇宙射線或放射性物質(zhì)的激勵(lì)，在無光的情況下，光電檢測器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電在無光的情況下，光電檢測器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流，是一種散粒噪聲。流，是一種散粒噪聲。 又因上述各種激勵(lì)條件是隨機(jī)的，因此，暗電流亦是隨機(jī)浮又因上述各種激勵(lì)條件是隨機(jī)的，因此，暗電流亦是隨機(jī)浮動的，從而形成了暗電流噪聲

50、。動的，從而形成了暗電流噪聲。雪崩管倍增噪聲雪崩管倍增噪聲 由于雪崩管的光電倍增作用是隨機(jī)的，是一個(gè)十分復(fù)雜的過由于雪崩管的光電倍增作用是隨機(jī)的，是一個(gè)十分復(fù)雜的過程這種隨機(jī)性，必然要引起雪崩管輸出信號的浮動，從而引入程這種隨機(jī)性，必然要引起雪崩管輸出信號的浮動，從而引入噪聲。噪聲。52第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī) 漏電流噪聲：漏電流噪聲：是由于器件表面物理特性不完善所致，它與表是由于器件表面物理特性不完善所致，它與表面積的大小及偏置電壓有關(guān)。面積的大小及偏置電壓有關(guān)。 背景噪聲：背景噪聲：是指輸入光信號的熱噪聲，與頻率無關(guān)，是一種是指輸入光信號的熱噪聲，與頻率無關(guān)，是

51、一種白噪聲，一般不大，可以忽略。白噪聲，一般不大，可以忽略。 熱噪聲：熱噪聲：是指在有限溫度下，導(dǎo)電媒質(zhì)內(nèi)自由電子和震動離是指在有限溫度下，導(dǎo)電媒質(zhì)內(nèi)自由電子和震動離子間熱相互作用引起的一種隨機(jī)脈動，一個(gè)電阻中的這種隨子間熱相互作用引起的一種隨機(jī)脈動，一個(gè)電阻中的這種隨機(jī)脈動，即使沒有外加電壓也表現(xiàn)為一種電流波動，是一種機(jī)脈動，即使沒有外加電壓也表現(xiàn)為一種電流波動，是一種白噪聲。白噪聲。熱噪聲與光電源無關(guān)，即使沒有光功率輸入，熱噪熱噪聲與光電源無關(guān)，即使沒有光功率輸入，熱噪聲還是存在。聲還是存在。 53第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī) 光接收機(jī)的放大器噪聲光接收機(jī)的放大器噪

52、聲 在強(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)的光接收機(jī)中，把光信號變?yōu)殡娦盘栔趶?qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)的光接收機(jī)中，把光信號變?yōu)殡娦盘栔螅€要經(jīng)過一系列電的放大等電路系統(tǒng)。后，還要經(jīng)過一系列電的放大等電路系統(tǒng)。 在這些電路中，電阻將引入熱噪聲；晶體管亦將引入噪聲，在這些電路中，電阻將引入熱噪聲；晶體管亦將引入噪聲，尤其是前置放大器晶體管引人的噪聲影響更為嚴(yán)重在一個(gè)尤其是前置放大器晶體管引人的噪聲影響更為嚴(yán)重在一個(gè)多級放大器中，每一級放大器都可能引入附加的噪聲，而且多級放大器中，每一級放大器都可能引入附加的噪聲，而且在每一級放大器里，噪聲和信號都將同樣地被放大。在每一級放大器里，噪聲和信號都將同樣地被放大。 在這種情況下多級放大

53、器的第一級就顯得至關(guān)重要。只要在這種情況下多級放大器的第一級就顯得至關(guān)重要。只要第一級放大器的增益足夠高，后面各級放大器對噪聲的影響第一級放大器的增益足夠高，后面各級放大器對噪聲的影響就比較小。就比較小。 所以我們更關(guān)心的是前置放大器的噪聲所以我們更關(guān)心的是前置放大器的噪聲54第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)噪聲的評價(jià)方法噪聲的評價(jià)方法 噪聲是一種隨機(jī)性的起伏量，表現(xiàn)為無規(guī)則的起伏，是電噪聲是一種隨機(jī)性的起伏量，表現(xiàn)為無規(guī)則的起伏，是電信號中不需要的成分，它會干擾實(shí)際系統(tǒng)中信號的傳輸和處理，信號中不需要的成分，它會干擾實(shí)際系統(tǒng)中信號的傳輸和處理，影響和限制了系統(tǒng)的性能。影響

54、和限制了系統(tǒng)的性能。 由于噪聲電壓由于噪聲電壓Vn(t)Vn(t)的振幅、相位等均隨時(shí)間作無規(guī)則的變的振幅、相位等均隨時(shí)間作無規(guī)則的變化，其瞬時(shí)值的平均為零，即化，其瞬時(shí)值的平均為零，即=0=0，因而無法用平均值，因而無法用平均值來評價(jià)噪聲的大小。來評價(jià)噪聲的大小。 但是，其均方值但是，其均方值Vn(t)是完全確定的，因此，噪聲的大是完全確定的，因此，噪聲的大小可以用均方值來表示。小可以用均方值來表示。55第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)1）噪聲的大小可以用均方值來表示）噪聲的大小可以用均方值來表示 對于散粒噪聲，入射光功率產(chǎn)生的光電二極管電流（忽略平均對于散粒噪聲，入射光

55、功率產(chǎn)生的光電二極管電流（忽略平均暗電流暗電流Id）為）為I(t)=II(t)=Ip p+ +i is s(t) (t) 式中：式中：I Ip pRPRPo o為光檢測器輸出的平均為光檢測器輸出的平均光電流；光電流；i is s 為散粒噪聲的電流起伏。為散粒噪聲的電流起伏。 則均方散粒噪聲則均方散粒噪聲 2 2S S=2eI=2eIP Pf f 式中式中f為接收機(jī)帶寬。為接收機(jī)帶寬。 對于熱噪聲，產(chǎn)生的原因是負(fù)載電阻對于熱噪聲，產(chǎn)生的原因是負(fù)載電阻RL內(nèi)部的自由電子或電荷內(nèi)部的自由電子或電荷載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動引起的噪聲。附加的熱噪聲用載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動引起的噪聲。附加的熱噪聲用i iT T

56、(t)(t)表示，則表示，則均方熱噪聲電流為均方熱噪聲電流為 2T=(4kBT/RL) f式中：式中：kB1.3810-23JK-1為玻耳茲曼常數(shù)；為玻耳茲曼常數(shù)；T為絕對溫度為絕對溫度如果放大器的噪聲指數(shù)為如果放大器的噪聲指數(shù)為FnFn，則該噪聲經(jīng)放大器要擴(kuò)大，則該噪聲經(jīng)放大器要擴(kuò)大FnFn倍。倍。由此獲得總的均方噪聲電流為由此獲得總的均方噪聲電流為2 2=2 2S S+ +2 2T T56第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)22 FISNR 2）信噪比（）信噪比（SNR) 信噪比信噪比(SNR)是評價(jià)光接收機(jī)性能的重要指標(biāo)，其定義為平均是評價(jià)光接收機(jī)性能的重要指標(biāo)，其定義為

57、平均信號功率和噪聲功率的比值信號功率和噪聲功率的比值 按照這個(gè)定義，對所有光接收機(jī)的各個(gè)過程引入的噪聲都可以按照這個(gè)定義，對所有光接收機(jī)的各個(gè)過程引入的噪聲都可以做定量分析。對于做定量分析。對于PIN接收機(jī)，熱噪聲通常占主導(dǎo)地位，散粒噪聲接收機(jī)，熱噪聲通常占主導(dǎo)地位，散粒噪聲可以忽略，則可以忽略，則PIN光接收機(jī)的信噪比為：光接收機(jī)的信噪比為：fRTkPRSNRLBo )/(422 上式表明，在熱噪聲限制下，上式表明，在熱噪聲限制下，SNR與與PO的平方成正比，而且的平方成正比，而且與與RL成正比，這說明可以通過使用大的負(fù)載電阻成正比，這說明可以通過使用大的負(fù)載電阻RL來提高來提高SNR，這也

58、是大多數(shù)光接收機(jī)采用高阻抗或互阻抗前端的原因之一。這也是大多數(shù)光接收機(jī)采用高阻抗或互阻抗前端的原因之一。57第第5 5章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)1 1光接收機(jī)的誤碼率分析光接收機(jī)的誤碼率分析 光接收機(jī)的誤碼率光接收機(jī)的誤碼率BERBER定義為錯(cuò)誤接收的碼元數(shù)與傳輸?shù)亩x為錯(cuò)誤接收的碼元數(shù)與傳輸?shù)拇a元總數(shù)的比值。碼元總數(shù)的比值。 對于數(shù)字光接收機(jī)，對于數(shù)字光接收機(jī)，數(shù)字信號的恢復(fù)是由判決數(shù)字信號的恢復(fù)是由判決電路判定，判決電路接收電路判定，判決電路接收到的波動信號如圖所示。到的波動信號如圖所示。陰影部分表示出現(xiàn)錯(cuò)誤的陰影部分表示出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況。情況。 5 55 5 光接收機(jī)的誤碼率和接