浙江傳媒學(xué)院上課版本市公開課一等獎省賽課獲獎?wù)n件

第五章光檢測器與光接收機(jī)5.1光檢測器5.2光電二極管特征5.3光接收機(jī)5.4光中繼器浙江傳媒學(xué)院上課版本第1頁HHOR7100A經(jīng)濟(jì)型小殼光接收機(jī)浙江傳媒學(xué)院上課版本第2頁家用雙向光接收機(jī)浙江傳媒學(xué)院上課版本第3頁光電變換前置放大主放大器均衡濾波判決器時鐘恢復(fù)輸出AGC電路線性通道對信號進(jìn)行高增益放大與整形，提升信噪比，降低誤碼率。時鐘提取與數(shù)據(jù)再生（CDR）性能指標(biāo):接收靈敏度誤碼率或信噪比前端光信號探測器抑制碼間干擾浙江傳媒學(xué)院上課版本第4頁光電轉(zhuǎn)換器件，光接收機(jī)首要部件當(dāng)前光檢測器主要是半導(dǎo)體光檢測器以光電二極管應(yīng)用最廣泛。慣用有PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）要求:高效率、響應(yīng)速度快，線性好及頻帶寬低噪聲、器件本身對信號影響小。體積小、壽命長、高可靠、工作電壓低等。入射光半導(dǎo)體5.1光檢測器浙江傳媒學(xué)院上課版本第5頁5.1光檢測器光電二極管光檢測器原理工作原理----受激吸收。

加反向偏壓，形成耗盡區(qū)。

□在半導(dǎo)體材料上，當(dāng)入射光子能量h超出帶隙能量Eg時，產(chǎn)生電子--空穴對。

□在外加電壓建立電場作用下，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移。

□電子抵達(dá)N區(qū)，空穴抵達(dá)P區(qū)，被外電路吸收，形成光生電流。其光生電流大小Ip與入射光功率Pin成百分比：R—光電檢測器響應(yīng)度（A/W）浙江傳媒學(xué)院上課版本第6頁5.1.1PN光電二極管(1)工作原理：入射光從P側(cè)進(jìn)入，在耗盡區(qū)光吸收產(chǎn)生電子－空穴對在內(nèi)建電場作用下分別向左右兩側(cè)運(yùn)動，產(chǎn)生光電流。響應(yīng)時間：由光功率輸入轉(zhuǎn)化為光電流輸出，有一定時間遲后，其值主要決定于載流子經(jīng)過耗盡區(qū)渡越時間。W為耗盡層寬度，v為載流子漂移速度。浙江傳媒學(xué)院上課版本第7頁帶寬受限主要原因:產(chǎn)生光電流中存在擴(kuò)散分量，它與耗盡區(qū)外光吸收相關(guān)。載流子作擴(kuò)散運(yùn)動時延將使檢測器輸出電流脈沖后沿托尾加長，影響光電二極管響應(yīng)速度。5.1.1PN光電二極管(1)擴(kuò)散分量存在造成光電二極管瞬態(tài)響應(yīng)失真考慮漂移和擴(kuò)散運(yùn)動時PN光電二極管對矩形脈沖響應(yīng)處理方法：減小P,N區(qū)厚度，增加耗盡區(qū)寬度，使大部分入射光功率在耗盡區(qū)吸收，降低P,N區(qū)吸收光能--PIN浙江傳媒學(xué)院上課版本第8頁P(yáng)IN光電二極管結(jié)構(gòu)：在PN結(jié)間插入一層非摻雜或輕摻雜半導(dǎo)體材料，以增大耗盡區(qū)寬度w，到達(dá)減小擴(kuò)散運(yùn)動影響，提升響應(yīng)度要求。因?yàn)镻N結(jié)中間插入半導(dǎo)體材料近似為本征半導(dǎo)體(Intrinsic)，所以這種結(jié)構(gòu)稱為PIN光電二極管。I區(qū)高阻抗,電壓基本都落在I區(qū)PIN光電二極管及反偏時各層場分布浙江傳媒學(xué)院上課版本第9頁P(yáng)IN光電二極管雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)：N區(qū)和P區(qū)：InP（磷化銦），對>920nm光透明；I區(qū):InGaAs；

=1300~1600nm強(qiáng)烈吸收InGaAs（銦砷化鎵），電子在InGaAs中傳輸速度是硅數(shù)倍。MITMTL（微系統(tǒng)試驗(yàn)室）最近演示了用InGaAs制作晶體管，傳輸電流是最先進(jìn)硅晶體管2.5倍。而InGaAs晶體管尺寸僅僅為60納米。InGaAs晶體管優(yōu)點(diǎn)是能夠降低芯片尺寸，提升信息處理速度.廣泛用于探測器!

InGaAsPIN光電二極管結(jié)構(gòu)浙江傳媒學(xué)院上課版本第10頁每個在能級之間躍遷電子只吸收一個光子產(chǎn)生光電流需滿足條件： hf≥Eg

因=c/f

即:≤

C=hc/EgEg使用電子伏特（ev）,為微米（m）截止波長：Si:c=1.06mGe,InGaAs:c=1.6m

響應(yīng)波長:Si:0.5-1.0mGe,InGaAs:1.1-1.6mPIN光電二極管

浙江傳媒學(xué)院上課版本第11頁雪崩光電二極管PIN:1個光子最多產(chǎn)生一對電子-空穴對,無增益APD:利用電離碰撞,1個光子產(chǎn)生多對電子-空穴對,有增益工作過程：入射光-------一對電子-空穴對(一次光生電流)--------------與晶格碰撞電離---------多對電子-空穴對(二次光生電流）吸收外電場加速增加了一個附加層，倍增區(qū)或增益區(qū)，以實(shí)現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生二次電子－空穴對。耗盡層仍為I層，起產(chǎn)生一次電子－空穴對作用。浙江傳媒學(xué)院上課版本第12頁Ip:光生電流Pin：入射光功率

5.2光電二極管特征

1.量子效率入射光功率Pin中含有大量光子，能轉(zhuǎn)換為光電流光子數(shù)和入射總光子數(shù)之比稱為量子效率.產(chǎn)生電子－空穴正確個數(shù)入射光子數(shù)在光電二極管應(yīng)用中，100個光子會產(chǎn)生30到95個電子－空穴對，所以檢測器量子效率范圍為30%~95%。為了得到較高量子效率，必須加大耗盡區(qū)厚度，使得能夠吸收大部分光子。不過，耗盡區(qū)越厚，光生載流子漂移渡越(across)反向偏置結(jié)時間就越長。因?yàn)檩d流子漂移時間又決定了光電二極管響應(yīng)速度，所以必須在響應(yīng)速度和量子效率之間采取折衷。浙江傳媒學(xué)院上課版本第13頁

5.2光電二極管特征

R:響應(yīng)度2.響應(yīng)速度

可用響應(yīng)時間來表征。

取決于渡越耗盡層時間

e為電子電荷，其值為1.6×10-19C。3.響應(yīng)度

浙江傳媒學(xué)院上課版本第14頁(a)響應(yīng)度與波長關(guān)系浙江傳媒學(xué)院上課版本第15頁APD倍增系數(shù)倍增系數(shù)

IG--平均輸出電流，

IP--一次光生電流倍增系數(shù)G與電離系數(shù)及增益區(qū)厚度相關(guān)。GV11010020oC40oC60oC TVB。APD實(shí)用時應(yīng)在偏置電路中加溫度賠償,或與AGC電路連接。APD溫度特征浙江傳媒學(xué)院上課版本第16頁光電二極管特征信噪比也是衡量接收機(jī)好壞主要指標(biāo)，光接收機(jī)噪聲主要起源于光電檢測器和其后面前置放大器，而暗電流就是光檢測器產(chǎn)生噪聲原因之一。暗電流Id定義為無光照射時光電二極管反向電流，主要是由熱激發(fā)而形成載流子引發(fā)。在PIN光電二極管中，因?yàn)轶w內(nèi)暗電流不會受到倍增作用且檢測器本身處于反向偏置狀態(tài)，所以其值要比表面暗電流小得多。所以，PIN光電二極管暗電流大小主要決定于其表面暗電流。在APD中，因?yàn)轶w內(nèi)暗電流有倍增，其值遠(yuǎn)大于表面暗電流。所以APD暗電流主要是指體內(nèi)暗電流。因?yàn)楸对鲎饔茫珹PD暗電流要比PIN-PD暗電流大得多。隨溫度上升，暗電流將會急劇增加。暗電流會引發(fā)光接收機(jī)噪聲增大，所以，希望器件暗電流越小越好。浙江傳媒學(xué)院上課版本第17頁光檢測器比較（1）Si、Ge、InGaAspin光電二極管通用工作特征參數(shù)參數(shù)符號單位SiGeInGaAs波長范圍nm400~1100800~16501100~1700響應(yīng)度RA/W0.4~0.60.4~0.50.75~0.95暗電流IDnA1~1050~5000.5~2.0上升時間rns0.5~1.00.1~0.50.05~0.5帶寬BGHz0.3~0.70.5~3.01.0~2.0偏置電壓VBV55~105浙江傳媒學(xué)院上課版本第18頁Si、Ge、InGaAs雪崩光電二極管通用工作特征參數(shù)光檢測器比較（2）參數(shù)符號單位SiGeInGaAs波長范圍nm400~1100800~16501100~1700雪崩增益M——20~40050~20010~40暗電流IDnA0.1~150~50010~50@M=10上升時間rns0.1~20.5~0.80.1~0.5增益帶寬積M?BGHz100~4002~1020~250偏置電壓VBV150~40020~4020~30浙江傳媒學(xué)院上課版本第19頁在短距離應(yīng)用中，工作在850nmSi器件對于大多數(shù)鏈路是個相對比較廉價處理方案。在長距離鏈路經(jīng)常需要工作在1330nm和1550nm窗口，所以慣用基于InGaAs器件。APD檢測器與PIN檢測器相比，含有載流子倍增效應(yīng)，其探測靈敏度尤其高，但需要較高偏置電壓和溫度賠償電路。要視詳細(xì)應(yīng)用場所而選定。光檢測器比較（3）浙江傳媒學(xué)院上課版本第20頁§5.3光接收機(jī)光接收機(jī)基本組成浙江傳媒學(xué)院上課版本第21頁§5.3光接收機(jī)浙江傳媒學(xué)院上課版本第22頁5.3.1光接收機(jī)前端(1)電信號光信號光電變換前置放大前端：由光電二極管和前置放大器組成。作用：將耦合入光電檢測器光信號轉(zhuǎn)換為時變電流，然后進(jìn)行預(yù)放大（電流－電壓轉(zhuǎn)換），方便后級作深入處理。是光接收機(jī)關(guān)鍵。要求：低噪聲、高靈敏度、足夠帶寬浙江傳媒學(xué)院上課版本第23頁5.3.1光接收機(jī)前端(2)光檢測器選擇：要視詳細(xì)應(yīng)用場所而定。PIN光電二極管含有良好光電轉(zhuǎn)換線性度，不需要高工作電壓，響應(yīng)速度快。APD最大優(yōu)點(diǎn)是它含有載流子倍增效應(yīng)，其探測靈敏度尤其高，但需要較高偏置電壓和溫度賠償電路。從簡化接收機(jī)電路考慮，普通情況下多喜歡采取PIN光電二極管作光探測器。前置放大器主要作用是保持探測電信號不失真地放大和確保噪聲最小，普通采取場效應(yīng)晶體管(FET)。PIN/FET和APD/FET。浙江傳媒學(xué)院上課版本第24頁5.2.1光接收機(jī)前端(3)依據(jù)不一樣應(yīng)用要求，前端設(shè)計有三種不一樣方案：低阻抗前端高阻抗前端跨（互）阻抗前端光接收機(jī)前端等效電路低阻抗前端從頻帶要求出發(fā)選擇偏置電阻RL優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，不需要或只需要極少均衡，動態(tài)范圍較大缺點(diǎn)：靈敏度低，噪聲較高浙江傳媒學(xué)院上課版本第25頁5.3.1光接收機(jī)前端(4)高阻抗前端跨阻抗前端電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器（電流-電壓轉(zhuǎn)換器）優(yōu)點(diǎn)：寬頻帶（等效輸入電阻很?。?、低噪聲（反饋電阻能夠取得很大）、靈敏度高、動態(tài)范圍大等綜合優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采取。盡可能加大偏置電阻，把噪聲減至盡可能小值優(yōu)點(diǎn)：噪聲較低缺點(diǎn)：動態(tài)范圍小、高頻分量損失太大,對均衡電路提出很高要求.多用于低速系統(tǒng).浙江傳媒學(xué)院上課版本第26頁5.3.2光接收機(jī)線性通道可依據(jù)輸入信號（平均值）大小自動調(diào)整放大器增益，使輸出信號保持恒定。用以擴(kuò)大接收機(jī)動態(tài)范圍。提供高增益，放大到適合于判決電路電平。主放大器均衡濾波AGC電路對主放輸出失真數(shù)字脈沖進(jìn)行整形，使之成為有利于判決碼間干擾最小升余弦波形。浙江傳媒學(xué)院上課版本第27頁5.3.3判決再生與時鐘提取任務(wù)：把線性通道輸出升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號為確定是“1”或是“0”，需要對某時隙碼元作出判決。若判決結(jié)果為“1”，則由再生電路產(chǎn)生一個矩形“1”脈沖；若判決結(jié)果為“0”，則由再生電路重新輸入一個“0”。為了準(zhǔn)確地確定“判決時刻”，需要從信號碼流中提取準(zhǔn)確時鐘信息作為標(biāo)定，以確保與發(fā)送端一致。判決器時鐘恢復(fù)輸出浙江傳媒學(xué)院上課版本第28頁5.3.3判決、再生過程均衡器輸出波形時鐘再生后信號判決電壓最正確取樣時間對應(yīng)于“1”和“0”信號電平相差最大位置，可有眼圖決定。浙江傳媒學(xué)院上課版本第29頁5.3.4光接收機(jī)噪聲特征光接收機(jī)噪聲將影響信噪比SNR和通信質(zhì)量。主要來自光電探測器和前置放大器噪聲。分為兩類：散粒噪聲和熱噪聲。光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：散粒噪聲浙江傳媒學(xué)院上課版本第30頁光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：量子噪聲產(chǎn)生是因?yàn)楣庑盘柸肷涞焦鈾z測器上時，光電子產(chǎn)生和搜集過程含有統(tǒng)計特征(泊松分布)。光電效應(yīng)產(chǎn)生光生載流子數(shù)是隨機(jī)起伏，這是光檢測過程基本特征，從而使當(dāng)其它條件都到達(dá)最正確化時，接收靈巧敏度含有一個最低極限。浙江傳媒學(xué)院上課版本第31頁光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：暗電流噪聲：當(dāng)沒有光信號照射光檢測器時，外界一些雜散光或熱運(yùn)動也會產(chǎn)生一些電子——空穴對，光檢測器還會產(chǎn)生一些電流，這種殘留電流稱為暗電流。浙江傳媒學(xué)院上課版本第32頁光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：漏電流噪聲：當(dāng)光檢測器表面物理狀態(tài)不完善和加有偏置電壓時，會引發(fā)很小漏電流噪聲，但這種噪聲并非本征性噪聲，可經(jīng)過光檢測器合理設(shè)計，良好結(jié)構(gòu)和嚴(yán)格工藝降低。浙江傳媒學(xué)院上課版本第33頁光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：APD倍增噪聲：當(dāng)使用雪崩光電二極管時，倍增過程隨機(jī)特征產(chǎn)生附加噪聲。浙江傳媒學(xué)院上課版本第34頁光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：熱噪聲：是在有限溫度下，導(dǎo)電媒質(zhì)內(nèi)自由電子和振動離子間熱相互作用引發(fā)一個隨機(jī)脈動。浙江傳媒學(xué)院上課版本第35頁5.3.5光接收機(jī)主要性能指標(biāo)接收靈敏度：接收機(jī)工作于某一誤碼率所要求最小平均接收光功率。靈敏度是光接收機(jī)主要指標(biāo)，描述了其準(zhǔn)確檢測光信號能力。

PR為輸入最小光功率誤碼率（BER）：接收機(jī)判決電路錯誤確定一個比特概率。噪聲引發(fā)誤碼圖講解明浙江傳媒學(xué)院上課版本第36頁光接收機(jī)動態(tài)范圍是指在確保系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)條件下，接收機(jī)最大允許平均接收光功率與最小平均接收光功率之差

能夠用dB表示為5.3.5光接收機(jī)主要性能指標(biāo)3.動態(tài)范圍動態(tài)范圍表征了光接收機(jī)對輸入信號適應(yīng)能力。浙江傳媒學(xué)院上課版本第37頁例1:某光纖通信系統(tǒng)中光源平均發(fā)送光功率為-28

dBm，光纖線路傳輸距離為

20

km，損耗系數(shù)為0.5

dBm/km，(1)試求接收端收到光功率為多少？(2)若接收靈巧敏度為-40dBm，試問該信號能否被正常接收？(3)若光源平均發(fā)送光功率增大至-10dBm，光接收機(jī)剛好能將其正常接收，試求光接收機(jī)動態(tài)范圍為多少？浙江傳媒學(xué)院上課版本第38頁解：(1)接收端收到光功率

P=-28

dBm-0.5

dBm/km×20

km=-38

dBm。

(2)

-38

dBm>-40

dBm能正常接收。

(3)

Pmax=-10dBm-0.5×20

dBm=-10

dBm-10

dBm=-20

dBm，接收機(jī)動態(tài)范圍：

D=Pmax-Pmin=-20dB-(-40

dBm)=20

dBm。浙江傳媒學(xué)院上課版本第39頁浙江傳媒學(xué)院上課版本第40頁例2:

在滿足一定誤碼率條件下，光接收機(jī)最大接收光功率為0.1

mW，最小接收光功率為1

000

nW。

(1)求接收靈巧敏度和接收機(jī)動態(tài)范圍。

(2)已知某個接收機(jī)靈敏度為-40

dBm，動態(tài)范圍為20

dBm，若收到光功率為2μW

，系統(tǒng)能否正常工作？浙江傳媒學(xué)院上課版本第41頁解：(1)接收靈巧敏度為

dBm

動態(tài)范圍為

dBm(2)依據(jù)靈敏度為-40dBm,

可求得=0.1

，由動態(tài)范圍為20

dBm，可求得為10

μW，因?yàn)?0μW

>2μW

>0.1μW

，故能夠正常工作。浙江傳媒學(xué)院上課版本第42頁二進(jìn)制信號誤碼概率浙江傳媒學(xué)院上課版本第43頁二進(jìn)制信號誤碼概率浙江傳媒學(xué)院上課版本第44頁二進(jìn)制信號誤碼概率浙江傳媒學(xué)院上課版本第45頁二進(jìn)制信號誤碼概率浙江傳媒學(xué)院上課版本第46頁Q被廣泛用來說明接收機(jī)特征。Q=6，BER=10E-9Q>7，BER<10E-12通常:2.5Gb/s系統(tǒng)接收靈敏度對應(yīng)于BER=10E-9；10Gb/s系統(tǒng)接收靈敏度對應(yīng)于BER=10E-10；浙江傳媒學(xué)院上課版本第47頁一、誤碼率