光接收原理精品課件

1、光接收原理第1頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一6.1 光電檢測器6.1.1 PIN光電二極管由于受激輻射僅僅發(fā)生在PN結(jié)附近，遠離PN結(jié)的地方?jīng)]有電場存在，因此就決定了PN光電二極管(PN Photodiode，PNPD)或PN光電檢測器的光電變換效率非常低下及響應(yīng)速度很慢。1. PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)PIN光電二極管(PINPD)的結(jié)構(gòu)如圖6.1所示。第2頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一圖6.1 PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)第3頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一2. PIN光電二極管的工作原理當光照射到PIN光電二極管的光敏面上時，會

2、在整個耗盡區(qū)（高場區(qū)）及耗盡區(qū)附近產(chǎn)生受激輻射現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電子空穴對。第4頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一6.1.2 雪崩光電二極管雪崩光電二極管應(yīng)用光生載流子在其耗盡區(qū)(高場區(qū))內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)而獲得光生電流的雪崩倍增。1. 雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)常用的APD結(jié)構(gòu)包括拉通型APD和保護環(huán)型APD，如圖6.2所示。由于要實現(xiàn)電流放大作用需要很高的電場，因此只能在圖中所示的高場區(qū)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)。第5頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一圖6.2 APD的結(jié)構(gòu)第6頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一2. 雪崩倍增原理APD的雪崩倍增原理為：

3、當入射光照射在APD的光敏面上時，由于受激吸收原理會產(chǎn)生電子空穴對(這里我們稱之為一次電子空穴對)。3. APD的工作原理當光照射到APD的光敏面上時，由于受激吸收而在器件內(nèi)產(chǎn)生出一次電子空穴對。第7頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一6.2 光電檢測器的特性指標6.2.1 光電檢測器的工作特性1. 響應(yīng)度在一定波長的光照射下，光電檢測器的平均輸出電流與入射的平均光功率之比稱為響應(yīng)度(或響應(yīng)率)。響應(yīng)度可以表示如下：第8頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一式中：Ip為光生電流的平均值(單位：A)；P為平均入射光功率值(單位：W)。第9頁，共46頁，2022年

4、，5月20日，4點5分，星期一2. 量子效率響應(yīng)度是器件在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性，而量子效率是器件在內(nèi)部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性。量子效率定義為通過結(jié)區(qū)的載流子數(shù)與入射的光子數(shù)之比，常用符號表示：第10頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一式中：e是電子電荷，其值約為1.610-19G；為光頻。與關(guān)系可以表示為：第11頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一式中：h是普朗克常數(shù)，c是光在真空中的速度,是光電檢測器的工作波長。代入相應(yīng)數(shù)值后，可以得到：從式(6-4)中可以看出：在工作波長一定時，與具有定量的關(guān)系。第12頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，

5、星期一3. 響應(yīng)速度光電二極管的響應(yīng)速度是指它的光電轉(zhuǎn)換速度。4. 暗電流暗電流主要由體內(nèi)暗電流和表面暗電流組成。第13頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一5. APD的倍增因子APD的電流增益，即平均倍增因子M可表示為：式中：Ip為APD倍增后的光生電流；Ip0是未倍增時的原始光生電流。若無倍增時和倍增時的總電流分別為I1和I2，則應(yīng)扣除當時的暗電流Id1和Id2后才能求出M。第14頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一6. 光電檢測器的噪聲光電檢測器的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲和由倍增過程產(chǎn)生的倍增噪聲。(1) PINPD的噪聲PINPD的總均方噪聲電流

6、可以表述如下：i2=2e(Ip+Id)B式中：e為電子電荷量；Ip為光生電流；Id為PINPD的暗電流，B為噪聲帶寬。第15頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一(2) APD的噪聲APD的量子噪聲和暗電流噪聲(要考慮倍增作用)與PINPD機理類似，計算方法也基本相同。(3) 最佳倍增因子雖然APD的倍增作用對信號有放大作用，但是由于倍增噪聲的存在也使得總噪聲增加。第16頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一6.2.2 光電檢測器的典型指標及簡易檢測1. 光電檢測器的典型指標表6.1中列出了富士通公司生產(chǎn)的兩種光電檢測器的典型指標。第17頁，共46頁，2022年

7、，5月20日，4點5分，星期一第18頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一2. 光電器件的簡易檢測與光源器件一樣，在沒有測試條件的情況下，使用人員也可以借助于指針式萬用表對光電檢測器件進行簡易的測試。這種測試方法主要是檢查光電檢測器件PN結(jié)的好壞：PN結(jié)好不能保證器件具有好的特性，而PN不好的器件其質(zhì)量絕對不會好。常用光電檢測器件的參考數(shù)據(jù)如表6.2所示。第19頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一第20頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一6.3 光 接 收 機6.3.1 光解調(diào)原理1. 非相干檢測方式常用的非相干檢測方式就是直接功率檢測方式。

8、直接功率檢測方式是通過光電二極管直接將接收的光信號恢復(fù)成基本調(diào)制信號的過程。第21頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一2. 相干檢測方式就像普通的無線電收音機一樣，首先接收光信號要與一個光本地振蕩器在光混頻器混頻之后，再被光電檢測器變換成一定要求的電信號，如圖6.5所示。第22頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一圖6.5 相干檢測原理第23頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一6.3.2 光接收機的構(gòu)成與指標1. 光接收機的構(gòu)成在實用的直接功率檢測光接收機中，光電檢測器直接從接收光信號中將基本調(diào)制信號恢復(fù)出來。2. 光接收機指標對于不同的光纖

9、通信系統(tǒng)，有著不同的光接收機質(zhì)量指標。第24頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一(1) 光接收機靈敏度所謂光接收機靈敏度，就是指在一定誤碼率或信噪比(有時還要加上信號波形失真量)條件下光接收機需要接收的最小平均光功率(有時也稱為平均最小輸入光功率)。(2) 光接收機動態(tài)范圍所謂光接收機動態(tài)范圍，就是指在一定誤碼率或信噪比(有時還要加上信號波形失真量)條件下光接收機允許的光信號平均光功率的變化范圍。第25頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一6.4 光接收機的噪聲6.4.1 光接收機的噪聲源1. 光電檢測器噪聲光電檢測器上的噪聲包括光檢測噪聲(有可能與信號強度相

10、關(guān)的噪聲)、暗電流噪聲及背景輻射噪聲。第26頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一(1) PINPD的光檢測噪聲由于光的量子性，PINPD的光檢測噪聲屬于光量子噪聲。PINPD的光檢測噪聲可以由下式?jīng)Q定：式中：為光電檢測器的量子效率；e為電子電荷量；P為平均接收光功率；B為系統(tǒng)帶寬；h為普朗克常數(shù)；為光子的頻率。第27頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一(2) APD的光檢測噪聲由于APD雪崩倍增過程的隨機性，使得APD的光檢測噪聲更多的表現(xiàn)為倍增噪聲。APD的光檢測噪聲可以表述如下：式中：為光電檢測器的量子效率；e為電子電荷量；P為輸入光電檢測器的平均光功率

11、；M為APD的平均倍增因子；F為APD的倍增噪聲系數(shù)；B為系統(tǒng)帶寬。第28頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一2. 放大器的噪聲不管前置放大器的具體結(jié)構(gòu)如何，從低噪聲角度出發(fā)第一級采用共射極(或共源極)則是公認的。關(guān)于第一級器件的應(yīng)用，無非是晶體三極管(Bi-junction Transistor，BJT)或場效應(yīng)管(Field Effect Transistor，F(xiàn)ET)兩類。第29頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一(1) FET前置放大器的噪聲FET前置放大器的輸入等效噪聲可以用下式表示：第30頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一(2

12、) BJT前置放大器的噪聲BJT前置放大器的輸入等效噪聲可以表示為：第31頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一3. 總噪聲表達式光接收機的輸入等效總噪聲可以表示為：ntot=nPD+nA在PINPD光接收機中，nPD要遠遠小于nA。第32頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一6.4.2 光接收機的信噪比1. PINPD光接收機的信噪比根據(jù)信噪比定義，PINPD光接收機判決點上的信噪比為：第33頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一2. APD光接收機的信噪比同理，可以得到APD光接收機在判決點上的信噪比表達式為：第34頁，共46頁，2022年，

13、5月20日，4點5分，星期一6.5 光接收機的靈敏度6.5.1 數(shù)字光接收機的誤碼率根據(jù)通信系統(tǒng)理論，二進制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的誤碼率可以表示為：第35頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一式中：p(0)和p(1)分別表示二進制數(shù)字碼流中“0”、“1”出現(xiàn)的概率；p0(i)和p1(i)分別表示“0”、“1”碼的概率密度函數(shù)；i表示信號電流的瞬時值；D0是p0(i)和p1(i)相等時對應(yīng)的信號電流。第36頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一利用數(shù)值計算技術(shù)求得誤碼率的方法非常費時，而且不能對光接收機的設(shè)計提供多少幫助。所以，為了簡化計算，一般均將概率密度函數(shù)近似成高斯

14、函數(shù)來進行相應(yīng)的分析。于是，誤碼率又可表示成：第37頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一式中Q可以表示為：第38頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一6.5.2 光接收機的靈敏度極限光接收機的靈敏度極限也稱為理想光接收機的靈敏度。由于這種光接收機完全是理想的：光電檢測器暗電流為零，放大器無噪聲，系統(tǒng)的帶寬無限大。第39頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一當碼流中“0”、“1”等概時，系統(tǒng)的誤碼率就等于“1”碼發(fā)生差錯概率的一半，即式中：n表示一個碼元的平均光子數(shù)。第40頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一6.5.3 實際光接

15、收機的靈敏度根據(jù)式(6-23)，可以得到如下公式：在這里不考慮暗電流和光源直流光影響(Iop0=0)，并且有Iop1可以表示為：第41頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一式中：M為APD的倍增因子(對PINPD，M=1)；P1為“1”碼時的光功率；A為放大器的放大倍數(shù)。第42頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一6.5.4 影響光接收機靈敏度的主要因素1. 輸入和輸出信號波形在光纖通信系統(tǒng)中，光接收機接收到的光信號波形是被光纖線路展寬了的信號波形，這種波形將會存在碼間干擾。第43頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一為了減少碼間干擾的影響，必須對接收的信號波形進行濾波均衡，變成沒有碼間干擾的信號波形(實際中多采用升余弦波)。經(jīng)過均衡后，光接收機的帶寬可以用如下公式表示：式中：是輸出波形的滾降因子。從上式可以看出，光接收機的帶寬將大于奈奎斯特帶寬。第44頁，共46頁，2022年，5月20日，4點5分，星期一2. 非理想均衡濾波為了有利于判決，我們希望光接收機輸出的信號波形為升余弦波。3. 直流光和背景光由于光源是在一定正向偏