光纖通信5第五章光檢測器與光接收機

光纖通信簡明教程總學時數(shù)40周學時4光纖通信原理全面表達光纖損耗特性

197020dB/km

現(xiàn)0.2dB/km袁國良李元元編著主要參考書

方強《光纖通信》

西安電子科技大學出版社孫學康《光纖通信技術(shù)》

北京郵電大學出版社1目錄第1章光纖通信概述第2章光纖的物理學基礎(chǔ)第3章光纖第4章光源和光發(fā)射機第5章光檢測器和光接收機第6章光纖通信系統(tǒng)與工程第7章SDH技術(shù)第8章光放大和色散補償技術(shù)第9章波分復用技術(shù)第10章光纖通信的高新技術(shù)2第5章光檢測器和光接收機本章內(nèi)容5.1光檢測器5.2光電檢測器的工作特性5.3光接收機5.4光接收機的噪聲5.5光接收機的誤碼率和接收靈敏度3第5章光檢測器和光接收機5.1光檢測器1.光纖通信對光電檢測器的主要要求(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，光檢測器能輸出盡可能大的光電流；(2)檢測過程中帶來的附加噪聲盡可能小；(3)響應速度快、線性好及頻帶寬，使信號失真盡量??；(4)高可靠長壽命，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)化為電信號用于光纖通信的光檢測器是利用光電效應把光信號轉(zhuǎn)化為電流信號的光子器件。4第5章光檢測器和光接收機2．半導體的光電效應當光子照射到物體上時，它的能量可以被物體中的某個電子全部吸收，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，這就是光電效應。5第5章光檢測器和光接收機2．半導體的光電效應圖b是PN結(jié)及其附近的能帶分布圖，能帶的高低是以電子（負電荷）的電位能為根據(jù)的，電位越負，能帶越高。由于光子的能量為hf，半導體光電材料的禁帶寬度為Eg，則當光照射光電二極管上時，若hf≥Eg時就會產(chǎn)生光生“電子－空穴”對（光生載流子）。6第5章光檢測器和光接收機2．半導體的光電效應設fc為截止頻率，λc為截止波長，則Eg＝hfc，

所以λc＝hC/Eg

當入射光波長λ<λc時，入射光才能被半導體材料吸收產(chǎn)生光生載流子。當入射光變化時，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“電子－空穴”對的運動，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7第5章光檢測器和光接收機3．PIN光電二極管為了改善光電檢測器的響應速度和轉(zhuǎn)換效率，在P型材料和N型材料之間加一個I層（本征耗盡層），它是輕摻雜的N型材料，由于摻雜濃度較輕，電子濃度很低，經(jīng)擴散可以形成一個很寬的耗盡層。這就是PIN光電二極管（PIN-PD），如圖5-1-2所示。8第5章光檢測器和光接收機

APD的工作原理是利用半導體材料的雪崩倍增效應制成的。圖為拉通型雪崩光電二極管(RAPD)的結(jié)構(gòu)示意圖和電場分布圖。4．雪崩光電二極管9第5章光檢測器和光接收機4．雪崩光電二極管（1）工作原理雪崩光電二極管在結(jié)構(gòu)設計上已考慮到能承受高反向偏壓，在PN結(jié)內(nèi)部形成一個高電場區(qū)。光生載流子經(jīng)過高場區(qū)時被加速，獲得足夠能量，它們在高速運動中與晶格碰撞，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。

（2）結(jié)構(gòu)常用的APD有兩種類型

保護環(huán)型（GAPD）拉通型（RAPD）

10第5章光檢測器和光接收機4．雪崩光電二極管保護環(huán)型（GAPD）為防止擴散區(qū)邊緣的雪崩擊穿，在制作時先沉積一層環(huán)行N型材料然后高溫推進，形成一個深的圓形保護環(huán)，在保護環(huán)和P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PN結(jié)邊緣的雪崩擊穿。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，要想獲得足夠增益，必須在接近擊穿電壓下使用，而擊穿電壓對溫度非常敏感，當溫度變化時，雪崩增益也隨之發(fā)生較大的變化。GAPD結(jié)構(gòu)11第5章光檢測器和光接收機4．雪崩光電二極管拉通型（RAPD）由N+區(qū)、P區(qū)、I區(qū)和P＋區(qū)四層結(jié)構(gòu)組成.①未加電壓時，N＋區(qū)與P區(qū)形成PN結(jié)。

P區(qū)摻雜較輕，耗盡區(qū)較寬。加小的反偏壓時，耗盡區(qū)增寬，繼續(xù)增大反向偏壓，耗盡區(qū)延伸到P＋區(qū)。

APD二極管的擊穿電壓VB

對溫度很敏感，需進行溫度補償。12第5章光檢測器和光接收機5.2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，PIN-PD的主要工作特性有的響應度和量子效率、響應時間、暗電流等，由于APD有雪崩倍增效應，所以APD除了上述參數(shù)外還包括倍增因子、過剩噪聲指數(shù)等。13第5章光檢測器和光接收機1響應度和量子效率響應度是描述這種器件光電轉(zhuǎn)換能力的物理量。光電轉(zhuǎn)換能力也可以從另一個角度描述，這就是量子效率η，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。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。14第5章光檢測器和光接收機結(jié)論：響應度與量子效率、入射光波的頻率有關(guān)。

R和η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。R和η之間的關(guān)系為要提高量子效率，必須采取如下從措施：盡量減小光子在表面層的反射率，增加入射到光電二極管中的光子數(shù)。②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。15第5章光檢測器和光接收機2．響應時間響應時間是描述光電檢測器對光信號變化響應速度快慢程度的物理量，一般用上升時間和下降時間來表示。所謂上升時間是PD受階躍光脈沖照射時，輸出脈沖前沿的10%點到90%點之間的時間間隔來衡量，如圖所示。16第5章光檢測器和光接收機渡越時間：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間，用td表示td＝W/vd

,W－耗盡層寬度，vd－載流子的漂移速度。2)擴散時間：在耗盡區(qū)以外產(chǎn)生的載流子要產(chǎn)生擴散，擴散時間用τi來表示。如果擴散區(qū)的電場很小，擴散時間很長，由于τi的存在會產(chǎn)生脈沖拖尾。光檢測器的響應時間受三個因素影響17第5章光檢測器和光接收機光檢測器的響應時間受三個因素影響3)電路的影響：光電檢測電路會對響應時間產(chǎn)生影響，不同的電路時間常數(shù)，產(chǎn)生的上升時間是不同的。光檢測器的10％－90％電路上升時間近似為τRC=2.2RTCT式中：RT－電路的總電阻，CT－電路的總電容?？紤]上述三個因素的影響，則總的上升時間為

τ=(τ2RC+τ2d+τ2i)1/2

帶寬與上升時間有關(guān)，一般情況帶寬為上升時間倒數(shù)的數(shù)量級。好的Si－PIN上升時間τ可達500PS以下，Ge－PIN上升時間τ可達100PS以下。18第5章光檢測器和光接收機3．響應波長產(chǎn)生光電效應的條件是由光電效應發(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，表達式為

但是，入射光波長太短時，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)。19第5章光檢測器和光接收機4．暗電流是指在規(guī)定的反向電壓下無光照射時光電二極管的反向電流。

暗電流引起光接收機噪聲增大，希望越小越好

Ge

材料的光電二極管暗電流達到幾百納安

Si

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－由熱激勵產(chǎn)生的電子空穴對組成20第5章光檢測器和光接收機對于APD，由于發(fā)生雪崩倍增效應，所以APD還需要用倍增特性來描述。APD的倍增特性有倍增因子G、過剩噪聲指數(shù)x等。倍增因子定義為G：為有雪崩倍增時光電流的平均值IM與無雪崩倍增時光電流的平均值IP的比值G=IM/IP

5．倍增特性

APD的倍增因子G隨反向電壓VB的升高而增大。APD的G值一般在40－100之間；21第5章光檢測器和光接收機5．倍增特性雪崩倍增效應也會引起倍增噪聲，這時因為在APD中，每個光生載流子不會經(jīng)歷相同的倍增過程，這將導致倍增增益產(chǎn)生波動。通常用噪聲系數(shù)F（G）來表示，在實際使用過程中F（G）常常近似表示為F（G）＝Gx式中x為過剩噪聲指數(shù)，與器件所用的材料和制造工藝有關(guān)，x越大，則F（G）越大。所以應選擇APD的x小的管子。22第5章光檢測器和光接收機5.3光接收機1．光接收機的組成直接檢測數(shù)字光纖通信接收機一般由三個部分組成，即光接收機的前端、線性通道和數(shù)據(jù)恢復三個部分，如圖所示。

均衡濾波判決器譯碼器自動增益控制時鐘恢復前放前端線性通道數(shù)據(jù)恢復主放23第5章光檢測器和光接收機1)光接收機前端光接收機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變電流，然后進行預放大，以便后一級進一步處理。光接收機前端一般由光電檢測器和前置放大器組成。

24第5章光檢測器和光接收機前置放大器應具有無失真的檢測和恢復弱信號的能力，這就要求前端應具有低噪聲、高靈敏度和足夠的帶寬。根據(jù)不同的應用要求，前端的設計有三種不同的方案。

(1)低阻抗前端。

(2)高阻抗前端

(3)跨(互)阻抗前端1)光接收機前端25第5章光檢測器和光接收機1)光接收機前端(1)低阻抗前端°°前置放大器無反饋低電阻前端從頻帶要求出發(fā)，使光檢測器的負載電阻RL滿足RL≤(2πΔfCt)－1Δf為碼速率所要求的前端帶寬，Ct為前端電路的總電容。優(yōu)點：線路簡單、動態(tài)范圍較大且無需均衡。缺點：由于輸入阻抗低電路噪聲大、靈敏度低。26第5章光檢測器和光接收機1)光接收機前端

(2)高阻抗前端為減小低阻抗前端熱噪聲，可采用高阻抗前端設計方案，但是負載阻抗RL增大使前置放大器帶寬和動態(tài)范圍減小。當比特率較高時，輸入端信號的高頻分量損失大，需采用很強的均衡來補償高頻分量損失。所以，高阻抗前端一般只適用于低速系統(tǒng)。27第5章光檢測器和光接收機1)光接收機前端(3)跨(互)阻抗前端°°GRL前置放大器跨阻抗前端這種前端將負載電阻連接為反相放大器的反饋電阻，它是一個性能優(yōu)良的電流－電壓轉(zhuǎn)換器，即使RL很高，而負反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增加了G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)范圍大的優(yōu)點。28第5章光檢測器和光接收機1)光接收機前端右圖為一400Mb/s跨阻抗前端電路圖（第一級采用電壓負反饋，第二級采用射極補償以提升高頻分量）為了減少引線電容等雜散電容，提高響應速度和靈敏度，通常采用混合集成工藝，將光電二極管與場效應管前置放大器集成在一起，做成PIN－FET光接收機組建。+V°°°+5V輸出29第5章光檢測器和光接收機1)光接收機前端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)的光電二極管還原成電信號。因此，組件的核心是光電二極管和前置放大器。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。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，還應采取防反射措施。30第5章光檢測器和光接收機光接收機的線性通道由一個高增益的主放大器和一個均衡濾波器組成，還包括峰值檢測和自動增益控制(AGC)電路，用來控制放大器增益。因為主放大器和一個均衡濾波器起一個線性系統(tǒng)的作用，故可稱為線性通道，如下圖所示。2）線性通道31第5章光檢測器和光接收機主放大器的作用有兩個方面：（1）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。（2）它還是一個增益可調(diào)節(jié)的放大器。當光檢測器輸出的信號出現(xiàn)起伏時，通過光接收機的自動增益控制電路對主放大器的增益進行調(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。對APD光接收機還通過控制APD的偏壓來控制雪崩增益。2）線性通道32第5章光檢測器和光接收機2）線性通道對于一個實際的傳輸系統(tǒng)（包括信道、放大器、均衡濾波器等），其頻帶總是受限的。對于一個頻帶受限系統(tǒng)，它的時域?qū)⑹菬o限的，也就是說它的輸出波形必定有很長的拖尾，使前后碼元波形重疊，引起碼間干擾，導致誤碼判決。盡管頻帶受限系統(tǒng)的時域波形總會有拖尾，但我們可以設計具有特定頻譜的波形，使其在判決其它碼元的時刻，拖尾值為零。通過均衡電路對失真的數(shù)字信號進行整形、輸出為碼間干擾盡可能小、有利于判決的波形。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，此時碼間干擾最小，最有利于判決。33第5章光檢測器和光接收機2）線性通道升余弦頻譜函數(shù)為對上式進行傅立葉逆變換，得線性通道的響應為上式中的hout（t）相應于線性通道輸出的電壓脈沖Vout（t）的形狀。在t＝0判決時刻，hout（t）＝1，信號最大；當t＝m/B時hout（t）＝0，而t＝m/B，對應于相鄰比特判決時刻，所以，本碼不會干擾鄰碼。34第5章光檢測器和光接收機本碼判決時刻鄰碼判決時刻t0T2T3T4T均衡前的脈沖波形本碼判決時刻鄰碼判決時刻t0均衡后的脈沖波形2TT3T4T2）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，經(jīng)過均衡后的波形，在本碼判決時刻，波形的瞬時值應為最大值；而這個本碼波形的拖尾在鄰碼判決時刻的瞬時值應為零。這樣，即使經(jīng)過均衡以后的輸出波形仍有拖尾，但是這個拖尾在鄰碼判決的這個關(guān)鍵時刻為零，從而不干擾對鄰碼的判決。因此均衡濾波非常重要。35第5章光檢測器和光接收機3）數(shù)據(jù)恢復數(shù)據(jù)恢復電路由判決電路和時鐘恢復電路組成，如果需要與電端機接口，還需要解碼、解擾和編碼電路，如下圖所示。36第5章光檢測器和光接收機將升余弦波恢復成數(shù)字信號（首先要提取正確的時鐘，適當移相后在最佳時刻對升余弦信號取樣，與閾值比較以確定“0”或“1”，實現(xiàn)數(shù)據(jù)重建）為了能從均衡器的輸出信號判決出是“0”碼還是“1”碼，首先要設法知道應在什么時刻進行判決．亦即應將“混在”信號中的時鐘信號（又稱定時信號）提取出來．3）數(shù)據(jù)恢復37第5章光檢測器和光接收機信號再生示意圖3）．數(shù)據(jù)恢復接著再根據(jù)給定的判決門限電平，按照時鐘信號所“指定”的瞬間來判決由均衡器送過來的信號．若信號電平超過判決門限電平，則判為“l(fā)”碼；低于判決門限電平，則被判為“0”碼．從而把升余弦頻譜脈沖恢復（再生）為“0”，“1”碼信號．38第5章光檢測器和光接收機3）數(shù)據(jù)恢復眼圖：由于經(jīng)過均衡的信號是變了形的數(shù)字碼流，用示波器觀看時看到的是一種與眼睛相似的圖案，稱為眼圖。眼圖形成條件：

a、觀測的二進制碼流具有隨即性（非周期規(guī)則碼），在同步觸發(fā)掃描下每幀圖案不同。

b、示波器的余暉時間要遠大于掃描的重復周期，在同步觸發(fā)下，相互疊加顯示穩(wěn)定的眼圖。

c、數(shù)字碼流中的脈沖已經(jīng)不是理想的矩形脈沖，成了升余弦波形。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，單線最好，對稱性好。39第5章光檢測器和光接收機眼圖分析法：最佳取樣時間相應于在“1”和“0”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疊加而成，上圖為理想的眼圖，下圖為噪聲和時間抖動導致的半張半閉退化眼圖，最佳取樣時間相應于眼睛睜開最大處的時間。3）數(shù)據(jù)恢復40第5章光檢測器和光接收機均衡器移相嵌位、整形非線性處理整形限幅調(diào)諧放大時鐘恢復電路方框圖3）數(shù)據(jù)恢復時鐘恢復：是指將f＝B的譜分量（時鐘信號）與接收信號分離，向判決電路提供碼間隔TB＝1/B的時鐘信息，使判決過程同步。41第5章光檢測器和光接收機2．輔助電路(1)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位電路，它將已均衡波的幅度底部鉗制在一個固定的電位上。(2)溫度補償電路

由于光接收機環(huán)境溫度變化時，雪崩管的增益將發(fā)生變化，導致接收機的靈敏度發(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償電路，使雪崩管的偏壓隨溫度產(chǎn)生相應的變化。(3)告警電路

當輸入光接收機的光信號太弱或無光信號時，則由告警電路輸出一個告警信號至告警盤。42第5章光檢測器和光接收機3．光接收模塊和集成光接收機光接收模塊是指將包括PD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/警示電路，再加上若干光學元件集成在一個管殼內(nèi)并形成光接收功能的器件。集成光接收機與光接收模塊不同，它是采用集成電路工藝技術(shù)把所有的元件集成在一個芯片上。43第5章光檢測器和光接收機集成光接收機設計制造有兩種方案，一種稱為混合集成光接收機，它將電子器件集成在GaAs芯片上，而將光電二極管制造在InP芯片上，然后將InP芯片按下圖所示倒裝式接合法，堆疊在GaAs芯片上，使這兩個芯片連接起來。44第5章光檢測器和光接收機4.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：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用前景。45第5章光檢測器和光接收機5．4光接收機的噪聲噪聲電磁干擾—來自空間的無線電波、周圍電器設備及電源波紋等隨機噪聲—光電轉(zhuǎn)換及放大過程中的隨機因素所引入的隨機噪聲按噪聲機理散粒噪聲熱噪聲按引入部位等光電檢測器噪聲放大器噪聲量子噪聲電流倍增噪聲散粒噪聲熱噪聲46第5章光檢測器和光接收機5．4光接收機的噪聲

研究光接收機噪聲的目的

在一個完整的光纖通信系統(tǒng)中，光接收機是重要組成部分?？梢韵胂?，在滿足誤碼率（或信噪比）指標要求下，如果需要輸入接收機的光功率低，則表明這個光接收機的靈敏度高，性能好．那么為什么光接收機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．主要是光電檢測器和前置放大器噪聲。47第5章光檢測器和光接收機5．4光接收機的噪聲對于多級放大器的線性通道來說也會產(chǎn)生噪聲，但主要取決于前置放大器噪聲，因為會被后面的線性通道放大。為了研究光接收機的性能，就需研究光纖通信系統(tǒng)的噪聲，首先是從接收機這端引入的噪聲。48第5章光檢測器和光接收機5．4光接收機的噪聲光接收機的噪聲是與信息無關(guān)的隨機變量，噪聲源從引入過程來分，可分為兩類：光電檢測器引入的噪聲和接收機電路引入的噪聲。49第5章光檢測器和光接收機①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子（光子）傳播來進行的．例如：lmw

頻率為f＝1015Hz的光功率，所對應的每秒鐘接收到的光子數(shù)n

應為式中，hf

是一個光子具有的能量這樣大量的光量子其相位和幅度都是隨機的。因此，光電檢測器在某個時刻實際接收到的光子數(shù)，是在一個統(tǒng)計平均值附近浮動，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，它限制了光接收機的靈敏度指標。50第5章光檢測器和光接收機②光電檢測器的暗電流噪聲當沒有光照射時，在理想條件下，光電檢測器應沒有光電流輸出。但是，實際上由于熱激勵、宇宙射線或放射性物質(zhì)的激勵，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。又因上述各種激勵條件是隨機的，因此，暗電流亦是隨機浮動的，從而形成了暗電流噪聲。③雪崩管倍增噪聲由于雪崩管的光電倍增作用是隨機的，是一個十分復雜的過程．這種隨機性，必然要引起雪崩管輸出信號的浮動，從而引入噪聲。51第5章光檢測器和光接收機漏電流噪聲：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)。背景噪聲：是指輸入光信號的熱噪聲，與頻率無關(guān)，是一種白噪聲，一般不大，可以忽略。熱噪聲：是指在有限溫度下，導電媒質(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脈動，一個電阻中的這種隨機脈動，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。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。52第5章光檢測器和光接收機⑦光接收機的放大器噪聲在強度調(diào)制系統(tǒng)的光接收機中，把光信號變?yōu)殡娦盘栔?，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，尤其是前置放大器晶體管引人的噪聲影響更為嚴重．在一個多級放大器中，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就比較小。所以我們更關(guān)心的是前置放大器的噪聲．53第5章光檢測器和光接收機噪聲的評價方法噪聲是一種隨機性的起伏量，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。

由于噪聲電壓Vn(t)的振幅、相位等均隨時間作無規(guī)則的變化，其瞬時值的平均為零，即<Vn(t)>=0，因而無法用平均值來評價噪聲的大小。但是，其均方值<V2n(t)>是完全確定的，因此，噪聲的大小可以用均方值來表示。54第5章光檢測器和光接收機1）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（忽略平均暗電流Id）為I(t)=Ip+is(t)式中：Ip＝RPo為光檢測器輸出的平均光電流；is為散粒噪聲的電流起伏。則均方散粒噪聲σ2S=2eIPΔf式中Δf為接收機帶寬。對于熱噪聲，產(chǎn)生的原因是負載電阻RL內(nèi)部的自由電子或電荷載流子的不規(guī)則熱運動引起的噪聲。附加的熱噪聲用iT(t)表示，則均方熱噪聲電流為

σ2T=<iT(t)>=(4kBT/RL)Δf式中：kB＝1.38×10-23JK-1為玻耳茲曼常數(shù)；T為絕對溫度如果放大器的噪聲指數(shù)為Fn，則該噪聲經(jīng)放大器要擴大Fn倍。由此獲得總的均方噪聲電流為σ2=σ2S+σ2T55第5章光檢測器和光接收機2）信噪比（SNR)信噪比(SNR)是評價光接收機性能的重要指標，其定義為平均信號功率和噪聲功率的比值按照這個定義，對所有光接收機的各個過程引入的噪聲都可以做定量分析。對于PIN接收機，熱噪聲通常占主導地位，散粒噪聲可以忽略，則PIN光接收機的信噪比為：上式表明，在熱噪聲限制下，SNR與PO的平方成正比，而且與RL成正比，這說明可以通過使用大的負載電阻RL來提高SNR，這也是大多數(shù)光接收機采用高阻抗或互阻抗前端的原因之一。56第5章光檢測器和光接收機1．光接收機的誤碼率分析光接收機的誤碼率BER定義為錯誤接收的碼元數(shù)與傳輸?shù)拇a元總數(shù)的比值。對于數(shù)字光接收機，數(shù)字信號的恢復是由判決電路