光纖通信4-光檢測器與光接收機(jī)

光檢測器光檢測器與光接收機(jī)第四章主要內(nèi)容光檢測器工作原理光電二極管的工作特性光接收機(jī)光接收機(jī)的噪聲數(shù)字接收機(jī)的靈敏度光電二極管（PD）光檢測器利用光電效應(yīng)實現(xiàn)。PN勢壘耗盡層光子進(jìn)入PN結(jié)，價帶的電子受激吸收將被激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生一對光生載流子，受內(nèi)建電場的作用，光生載流子的電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，載流子移動到外部電路形成光電流?！?.1光檢測器工作原理外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)真空光電二極管半導(dǎo)體光電二極管1、半導(dǎo)體光電二極管光生電流包括：漂移電流--耗盡區(qū)的光生載流子在電場作用下運動形成的電流擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流----P區(qū)的光生載流子形成的電流

N區(qū)的光生載流子形成的電流光檢測器:檢測通過光纖傳來的光信號將光功率轉(zhuǎn)換為電流輸出。光電檢測器電流輸出光波輸入空間電荷區(qū)擴(kuò)散電流漂移電流增大漂移電流，減小擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流，光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢漂移電流,光電轉(zhuǎn)換效率高，相應(yīng)速度快增加PN結(jié)的反偏耗盡層加偏置電壓的好處：加大耗盡區(qū)的寬度，加強(qiáng)漂移電流的影響，減少擴(kuò)散電流的比例，提高響應(yīng)速度。同時，提高了電光轉(zhuǎn)換效率。但增加有限。另一種加大耗盡層的方法是引入本征半導(dǎo)體（I型半導(dǎo)體）增大漂移電流的方法2、PIN光電二極管結(jié)構(gòu)：PN結(jié)之間加了一層本征半導(dǎo)體（I層）PIN特點：I區(qū)的耗盡區(qū)很寬，入射光很容易產(chǎn)生光生電子空穴對，形成漂移電流；提高了響應(yīng)速度。另外，I區(qū)的吸收系數(shù)小，因而光電轉(zhuǎn)化效率高。一、結(jié)構(gòu)及特點在p區(qū)和n區(qū)之間插入I區(qū)，增加了耗盡區(qū)的寬度，使得大部分的入射光在耗盡區(qū)被吸收，因此大部分的載流子也在此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生。耗盡區(qū)的高電場使得電子-空穴對迅速分開并在反向偏置的結(jié)區(qū)中向兩端流動，然后在邊界處被收集，從而在外電路中形成電流。吸收系數(shù)被吸收的光功率產(chǎn)生的光電流光功率衰減w耗盡區(qū)寬度由于吸收系數(shù)取決于光波長，因此，特定的半導(dǎo)體材料只能應(yīng)用在有限的波長范圍內(nèi)。光吸收系數(shù)與波長的關(guān)系曲線?1eV=1.602×10-19J電子伏（electronvolt），符號為eV，是能量的單位。代表一個電子（電量為-1.6×10-19庫倫）經(jīng)過1伏特的電位差加速后所獲得的動能。臨界波長1

）雪崩光電二極管的的結(jié)構(gòu)3、雪崩光電二極管(APD)高摻雜的型半導(dǎo)體，為接觸層；

P型半導(dǎo)體，為倍增層（或稱雪崩區(qū)）；I輕摻雜半導(dǎo)體I層，為漂移區(qū)（光吸收區(qū)）；N+高摻雜的型半導(dǎo)體，為接觸層。當(dāng)外加的反向偏壓(約100V—150V)比PIN情況下高得多時，這個電壓幾乎都降到P結(jié)上。特別是在高阻的PN結(jié)附近，電場強(qiáng)度可高達(dá)105V/m，已經(jīng)高出碰撞電離的電場。2

）雪崩光電二極管(APD)的工作原理此時若光從P區(qū)照射，則和PIN一樣，大部分光子將在較厚的I層被吸收，因而產(chǎn)生電子、空穴對。入射光功率產(chǎn)生的電子空穴對經(jīng)過高場區(qū)時不斷被加速而獲得很高的能量，這些高能量的電子或空穴在運動過程中與價帶中的束縛電子碰撞，使晶格中的原子電離，產(chǎn)生新的電子空穴對。新的電子空穴對受到同樣加速運動，又與原子碰撞電離，產(chǎn)生電子空穴對，稱為二次電子空穴對。如此重復(fù)，使強(qiáng)電場區(qū)域中的電子和空穴成倍的增加，載流子和反向光生電流迅速增大，產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象,這個物理過程稱為雪崩倍增效應(yīng)。雪崩過程倍增了一次光生電流，因此，在雪崩光電二極管內(nèi)部就產(chǎn)生了放大作用。雪崩光電二極管就是這樣既可以檢測光信號，又能放大光信號電流。高電場光一次電子光電檢測器—光電二極管§4.2光電二極管的工作特性量子效率響應(yīng)度響應(yīng)帶寬

APD的倍增系數(shù)噪聲1、量子效率

2、響應(yīng)度：響應(yīng)度表征了光電二極管的能量轉(zhuǎn)換效率e是電子電荷，h是普朗克常數(shù)R的單位為A／W光電二極管的主要特性參數(shù)光電二極管光子數(shù)s電子數(shù)m

波長λ的單位取μm響應(yīng)度隨波長增加而增大。例一PIN光電二極管，半導(dǎo)體材料為InGaAs，量子效率大約為90％，工作波長為1300nm，求響應(yīng)度。

3、APD光電二極管的倍增因子M雪崩增益后輸出電流的平均值未倍增時的初級光電流加在PN結(jié)的有效電壓雪崩電壓適配因子，與材料及結(jié)構(gòu)有關(guān)mM例：一種硅APD在波長900nm時的量子效率為65％，假定0.5uW的光功率產(chǎn)生的倍增電流為10uA，試求倍增因子M。倍增因子M為：因此，初級光電流被放大了43倍。初級光電流為：解：4、光電檢測器的噪聲

暗電流噪聲

量子噪聲

熱噪聲

入射光子激發(fā)的電子空穴的隨機(jī)性產(chǎn)生的電流PIN在反偏情況下，沒有外來的光時產(chǎn)生的電流電阻的熱噪聲散粒噪聲是一種電流漲落is(t)，由隨機(jī)時間產(chǎn)生的電子流組成，考慮散粒噪聲引起的電流波動時，由恒定光信號功率產(chǎn)生的光電二極管的電流可寫為為光檢測器平均電流為噪聲電流散粒噪聲譜密度在整個頻域為常數(shù)，為白噪聲噪聲譜密度噪聲方差為Δf是接收機(jī)的有效噪聲帶寬是在產(chǎn)生光電流的過程中產(chǎn)生的PIN光電二極管（1）量子(散粒)噪聲APD的倍增因子本身也是隨機(jī)變化的，M僅是取其平均值。FA為APD的過剩噪聲因子kA=0時，F(xiàn)A不超過2；kA=1時，F(xiàn)A保持FA＝M方式增大，

FA隨M線性增大。為減小FA，kA應(yīng)盡可能小。APD的散粒噪聲PINM2過剩噪聲因子FA與增益M的關(guān)系電子與空穴的離化率比（2）光電二極管的暗電流噪聲其中ID是初級（未倍增過的）光檢測器體暗電流。光電二極管K：玻耳茲曼常數(shù)T：絕對溫度（3）光電探測器電阻的熱噪聲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起的一種隨機(jī)脈動。一個電阻中電子的這種隨機(jī)脈動，即使沒有外加電壓也表現(xiàn)為一種電流波動。光檢測器負(fù)載電阻中產(chǎn)生的這種電流波動將疊加到光檢測器產(chǎn)生的光電流中。熱噪聲引起的電流波動，在數(shù)學(xué)上可用穩(wěn)態(tài)高斯隨機(jī)過程來模擬，其譜密度在0THz～1THz范圍內(nèi)均與頻率無關(guān)，近乎是一種白噪聲，譜密度為熱噪聲（電流）方差為熱噪聲與光電流無關(guān)，即使沒有光功率輸入，熱噪聲還是存在的。5、檢測器響應(yīng)時間P(t)I(t)當(dāng)檢測器受到階躍光脈沖照射時，響應(yīng)時間可以用檢測器輸出脈沖的上升時間和下降時間來表示光電二極管光電流的響應(yīng)時間主要取決于以下三個因素：1．耗盡區(qū)的光載流子的渡越時間；2．耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光載流子的擴(kuò)散時間；3．光電二極管以及與其相關(guān)的電路的RC時間常數(shù)。渡越時間t由載流子漂移速度v和耗盡區(qū)寬度w決定一般情況下，耗盡區(qū)的電場足夠高，載流子都可以達(dá)到它們的散射極限速度。典型的Si光電二極管的耗盡區(qū)寬度為10um，極限響應(yīng)時間為0.1ns。上升時間的快速反應(yīng)分量源于耗盡區(qū)產(chǎn)生的載流子，

A＝擴(kuò)散層面積而慢速分量則是源于距離耗盡區(qū)邊界處的載流子的擴(kuò)散。在光脈沖的后沿，耗盡區(qū)的光脈沖吸收得很快，所以在下降時間里產(chǎn)生了快速分量，在距耗盡區(qū)邊界以內(nèi)的載流子擴(kuò)散造成了脈沖后沿的一個很慢的延遲拖尾。另外，如果w太小，結(jié)電容也會變得很大。結(jié)電容Cj為：這個電容增大，就會使RC時間常數(shù)變大，從而限制了檢測器的響應(yīng)時間。為了獲得較高的量子效率，耗盡區(qū)寬度必須大于1/（吸收系數(shù)的倒數(shù)）這樣才能吸收大部分的光。如果光電二極管的電容較大，那它的響應(yīng)時間就會受到負(fù)載電阻RL和光電二極管結(jié)電容所構(gòu)成的RC時間常數(shù)所限制。如果耗盡區(qū)寬度太窄，則非耗盡材料產(chǎn)生的任何載流子在被吸收之前不得不擴(kuò)散到耗盡區(qū)。所以窄耗盡區(qū)的器件會有明顯不同的慢速和快速響應(yīng)分量。一個低電容的、耗盡區(qū)寬度的光電二極管對矩形輸入脈沖的響應(yīng)，它的上升與下降時間與輸入脈沖比較一致。

Si、Ge、InGaAspin光電二極管的通用工作特性參數(shù)參數(shù)符號單位SiGeInGaAs波長范圍響應(yīng)度暗電流上升時間帶寬偏置電壓nmA/WnAnsGHzV400～11000.4～0.61～100.5～1.00.3～0.75800～16500.4～0.550～5000.1～0.50.5～3.05～101100～17000.75～0.950.5～2.00.05～0.51.0～2.05

Si、Ge、InGaAs

雪崩光電二極管的通用工作特性參數(shù)M·B參數(shù)符號單位SiGeInGaAs波長范圍雪崩增益暗電流上升時間增益帶寬積偏置電壓nm－nAnsGHzV400～110020～4000.1～10.1～2100～400150~400800～165050～20050～5000.5～0.82～1020～401100～170010～4010～500.1～0.520～25020~30M表4.1兩種典型光電二極管的主要參數(shù)管型參數(shù)InGaAs---PINInGaAs---APD工作波長(λ)/μm1.301.551.55量子效率（η）/%756075響應(yīng)度（

R）/(A/W)0.780.780.94暗電流（Id）/nA0.10.120截止頻率(fc)/GHz2.02.03.0電容(Ct)/pF1.11.10.5典型應(yīng)用622Mb/s系統(tǒng)622Mb/s系統(tǒng)2.5Gb/s系統(tǒng)應(yīng)用APD：用于靈敏度要求較高的地方，但造價高PIN：靈敏度要求不高的地方，便宜§4.3光接收機(jī)

光接收機(jī)的任務(wù)從接收到帶有附加噪聲及失真的微弱光信號中恢復(fù)出攜帶的信息。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。光纖通信系統(tǒng)有模擬和數(shù)字兩大類光接收機(jī)也有數(shù)字接收機(jī)和模擬接收機(jī)兩種形式。1、數(shù)字光接收機(jī)組成光檢測器前置放大器主放大器均衡器數(shù)字信號恢復(fù)、時鐘線路譯碼接口偏置電路自動增益控制線性通道線性通道主要完成對信號的線性放大，以滿足判決電平的要求。接收機(jī)的前端包括反向偏壓下的光電二極管和前置放大器。數(shù)字信號和時鐘恢復(fù)電路。接收機(jī)前端

2、光接收機(jī)前端接收機(jī)前端等效電路：放大電路的輸入電容為Ca

輸入電阻為Ra光電二極管的串聯(lián)電阻Rs，總電容Cd作用：是將光纖線路末端耦合到光電二極管的光比特流轉(zhuǎn)換為時變電流，然后進(jìn)行預(yù)放大，以便后級作進(jìn)一步處理。要求：一臺性能優(yōu)良的光接收機(jī)，應(yīng)具有無失真地檢測和恢復(fù)微弱信號的能力，這首先要求光接收機(jī)具有：

前端應(yīng)有低噪聲；高靈敏度；足夠的帶寬。前端的設(shè)計有3種不同的方案低阻抗前端高阻抗前端跨阻抗前端低阻抗前端低阻抗前端從頻帶要求出發(fā)選擇光檢測器的負(fù)載電阻RL，使其滿足Δf為碼速率所要求的前端帶寬；

Ct=Cj+Cs+Ca；

Cj---為光電二極管的結(jié)電容；

Cs---為光電二極管和前置放大器引線的雜散電容；

Ca---為前置放大器的輸入電容。低阻抗前端優(yōu)點：電路簡單，不需要或只需要很少的均衡，前置級的動態(tài)范圍也較大。低阻抗前端缺點：靈敏度較低，噪聲比較高。

(1)低阻抗前端

（2）高阻抗前端

高阻抗前端優(yōu)點：

噪聲低，靈敏度高。

高阻抗前端缺點：帶寬窄，需要增加均衡網(wǎng)絡(luò)，對頻響特性進(jìn)行補(bǔ)償，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動態(tài)范圍小。（3）跨(互)阻抗前端

跨阻抗前端將負(fù)載電阻連接為反相放大器的反饋電阻，因而又稱互阻抗前端?；プ杩骨岸耸且粋€性能優(yōu)良的電流—電壓轉(zhuǎn)換器，即使RL很高，而負(fù)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.優(yōu)點：動態(tài)范圍大，頻帶寬、噪聲低、靈敏度高。400Mb/s光接收機(jī)前端2Gb/s光接收機(jī)前端接收機(jī)噪聲正比于接收機(jī)帶寬，為降低噪聲，采用帶寬Δf小于比特率B的低通濾波器。接收機(jī)帶寬主要由線性通道的低通濾波器決定。

3、光接收機(jī)的線性通道光接收機(jī)的線性通道:高增益放大器低通濾波器（或均衡器)自動增益控制(AGC)放大器：高增益放大，將放大器的平均輸出電壓限制在固定電平而不隨輸入平均光功率而變。低通濾波器（或均衡器

）：對信道特性進(jìn)行均衡，控制可能出現(xiàn)的碼間串?dāng)_(ISI)。多級網(wǎng)絡(luò)的噪聲噪聲系數(shù)(1)放大器的噪聲和噪聲系數(shù)輸入端的信號和噪聲功率輸出端的信號和噪聲功率(2)信道特性均衡信道信道均衡器

當(dāng)Δf＜B時，電脈沖展寬超過了規(guī)定的比特時隙，將可能干擾相鄰比特時隙的檢測，引起碼間串?dāng)_，濾波器設(shè)計時應(yīng)避免產(chǎn)生這種現(xiàn)象。均衡器的作用是消除放大器、光纖等部件引起的信號波形失真，經(jīng)過均衡器以后的波形成為有利于判決的波形，使碼間干擾減小到最小。經(jīng)過均衡以后的波形，在本碼判決時刻，波形的瞬時值應(yīng)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(yīng)為零。4、數(shù)據(jù)恢復(fù)電路

光接收機(jī)的數(shù)據(jù)恢復(fù)部分的任務(wù)是把線性通道輸出的模擬信號恢復(fù)成數(shù)字信號。由三部分組成：時鐘提取電路取樣判決電路數(shù)字信號波形成型電路取樣判決電路為了重建數(shù)字信號，則要判定每個碼元是“0”還是“1”，這首先要確定判決時刻。為此，要從升余弦信號中提取準(zhǔn)確的時鐘信號，并經(jīng)過適當(dāng)移相后，在最佳時刻對升余弦信號取樣，然后將取樣幅度與判決閾值進(jìn)行比較，確定碼元是“0”還是“1”，從而把升余弦波形恢復(fù)重建成原傳輸?shù)臄?shù)字信號。最佳取樣時間相應(yīng)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。非歸零碼(NRZ)數(shù)字光接收的眼圖噪聲和時間抖動導(dǎo)致的半張半閉退化眼圖，最佳取樣時間相應(yīng)于眼睛睜開最大處的時間。

理想眼圖4.4光接收機(jī)的信噪比在光纖通信系統(tǒng)中，通常要求光電二極管能檢測出微弱的光信號。為了得到較高的信噪比，可以采取以下措施：為了檢測到最小可能的信號，必須對光檢測器和它隨后的放大器電路進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計，以此來保證一定的信噪比。光接收機(jī)輸出端的信噪比S/N定義為光檢測器必須要有很高的量子效率，以產(chǎn)生較大的信號功率；使光檢測器和放大器噪聲保持盡可能低的值。放大器輸入端的信噪比為：光檢測器前置放大器主放大器均衡器數(shù)字信號恢復(fù)、時鐘線路譯碼接口光檢測器前置放大器主放大器均衡器數(shù)字信號恢復(fù)、時鐘線路譯碼接口(1)PIN信噪比與噪聲的關(guān)系熱噪聲限制下，在高阻抗或互阻抗前端光接收機(jī)中，σT>>σs，熱噪聲決定了接收的性能，散粒噪聲和暗電流噪聲可忽略SNR隨入射功率平方倍變化，增加負(fù)載電阻可以提高信噪比。說明為什么大多數(shù)光接收機(jī)采用高阻抗或互阻抗前端的原因散粒噪聲限制下增大入射功率可達(dá)到散粒噪聲限制，同時減小暗電流Id的影響的效果，當(dāng)忽略Id的影響時可見，在散粒噪聲限制下，SNR隨Pin線性增加，并隨量子效率η、有效噪聲帶寬Δf

和光子能量hν而變可用包含在每比特“1”中的光子數(shù)Np表示帶寬Δf的典型值為Δf＝B/2，則有SNR＝ηNp。在散粒噪聲限制下，欲得SNR＝20dB，則需Np≈100例題：接收機(jī)的信噪比

lnGaAsPIN光接收機(jī)具備如下參數(shù)：負(fù)載電阻RL＝300k；光電管暗電流Id＝5nA；絕對溫度T＝300k；放大器帶寬是500MHz；假設(shè)放大器沒有噪聲，在入射光功率Pin＝20nW下產(chǎn)生平均光電流Ip＝15nA。計算接收機(jī)的信噪比SNR。

解：PIN信噪比表達(dá)式如下第一步：求S及第二步：求均方根熱噪聲T第三步：求SNR通常SNR用dB表示，SNR＝10Log7.3＝8.63dB

(2)APD光接收機(jī)的信噪比在給定輸入功率Pin時，為達(dá)到最大SNR所要求的APD增益，即倍增增益的最佳值MoptAPD信噪比與噪聲的關(guān)系熱噪聲限制下比PIN接收機(jī)提高了倍散粒噪聲限制下比PIN接收機(jī)降低了倍4.5數(shù)字接收機(jī)的靈敏度數(shù)字接收機(jī)的靈敏度當(dāng)數(shù)字接收機(jī)的輸出信號質(zhì)量-----誤碼率達(dá)到質(zhì)量要求時，數(shù)字接收機(jī)接收的最小光功率靈敏度和誤碼率有關(guān)誤碼率和信號的失真和信號中的噪聲有關(guān)誤碼率（BER：biterror）:誤碼率=傳輸中的誤碼/所傳輸?shù)目偞a數(shù)是衡量通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)精確性的指標(biāo)

誤碼率與通話質(zhì)量（PCM）誤碼率通話質(zhì)量10－6感覺不到干擾10－5在低話音電平范圍內(nèi)感覺輕微干擾10－4在低話音電平范圍內(nèi)有個別“咯咯”聲10－3在低話音電平范圍內(nèi)都感覺有干擾10－2強(qiáng)烈干擾，聽懂程度明顯下降0.5幾乎聽不懂“1”碼出現(xiàn)的概率為P(1);“0”碼出現(xiàn)的概率為P(0);接收機(jī)把“0”碼誤判為“1”碼的概率為P(1/0);接收機(jī)把“1”碼誤判為“0”碼的概率為P(0/1);誤碼率為：BER=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)經(jīng)過線路編碼，數(shù)字信號序列中“0”碼和“1”碼出現(xiàn)的概率各為1/