光纖通信：第四章 光信號(hào)探測(cè)及恢復(fù)

第四章

光信號(hào)探測(cè)及恢復(fù)Vocabularyopticalreceiver光接收機(jī)signaldistortion信號(hào)畸變BER(bit-errorrate)誤碼率APD雪崩光電二極管ISI碼間串?dāng)_darkcurrent暗電流photoncurrent光生電流directdetection直接探測(cè)coherentdetection相干探測(cè)noisefigure噪聲指數(shù)highsensitivity高靈敏度responsivity響應(yīng)度thermalnoise熱噪聲shotnoise散粒噪聲noiseequivalentpower噪聲等效功率currentfluctuation電流波動(dòng)excessnoisefactor過(guò)剩噪聲因子quantumlimit量子受限automaticgaincontrol自動(dòng)增益控制pre-amplifier前置放大器decisioncircuit判決電路decisionthresholdvalue判決閾值clockrecovery時(shí)鐘恢復(fù)electron-holepair電子空穴對(duì)driftvelocity漂移速率Gaussianstatistics高斯統(tǒng)計(jì)high-passfilter高通濾波器linearchannel線性信道electro-opticaldelay電光延遲samplingtime采樣時(shí)間powerfluctuation功率波動(dòng)optimumgain最優(yōu)增益complementaryerrorfunction互補(bǔ)誤差函數(shù)multiplicationfactor倍增因子spectraldensity譜密度intensitynoise強(qiáng)度噪聲Chapter42SOEI,HUSTtimingjitter定時(shí)抖動(dòng)mode-partitionnoise模式分配噪聲parasiticreflection寄生反射depletionregion耗盡區(qū)biasvoltage偏置電壓reversebias反向偏置tunnelingbreakdown隧道擊穿equalizer均衡器stimulatedabsorption受激吸收quantumefficiency量子效率straylight雜散光sensitivitydegradation靈敏度劣化diffusive擴(kuò)散gainflatness增益平坦ionizationcoefficient電離系數(shù)gainregion增益區(qū)boundarycondition邊界條件avalancheprocess雪崩過(guò)程pulsebroadening脈沖展寬stationaryrandomprocess平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程Poissonstatistics泊松統(tǒng)計(jì)Wiener-Khinchintheorem維納-辛欽定理pulseshaping脈沖整形transferfunction傳遞函數(shù)rectangularpulse矩形脈沖one/two-sided單/雙邊帶transparenttransmission透明傳輸wavelengthrouting波長(zhǎng)路由point-to-point點(diǎn)對(duì)點(diǎn)topologystructure拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)powerbudget功率預(yù)算powermargin功率余量powerpenalty功率代價(jià)Chapter43SOEI,HUST第四章光信號(hào)探測(cè)及恢復(fù)4.1光探測(cè)器設(shè)計(jì)4.2光接收機(jī)結(jié)構(gòu)4.3接收機(jī)噪聲4.4接收機(jī)靈敏度4.5相干光接收機(jī)

要求高靈敏度，高響應(yīng)度，低成本，高可靠性，抗干擾Chapter45SOEI,HUST光信號(hào)驅(qū)動(dòng)電壓O/E前置放大器自動(dòng)增益控制放大器濾波器回路采樣時(shí)鐘恢復(fù)

PINorAPD電信號(hào)前向線性通道數(shù)據(jù)恢復(fù)4.1.1響應(yīng)率及帶寬1.受激吸收自發(fā)輻射受激輻射受激吸收LEDLDPD光源光電探測(cè)器Chapter46SOEI,HUST2.響應(yīng)率

光電流R為光探測(cè)器響應(yīng)度(單位為A/W).3.怎么增加響應(yīng)度R?Chapter47SOEI,HUST當(dāng)

為量子效率電子產(chǎn)生速率光子注入速率Chapter48SOEI,HUST4.PD帶寬Chapter49SOEI,HUSTRCtimeconstantOpticalsignalPinVout(t)90%10%V0TrWTransittime光信號(hào)時(shí)間常數(shù)渡越時(shí)間Chapter410SOEI,HUST5.暗電流來(lái)源于電子空穴對(duì)產(chǎn)生的雜散光和熱4.1.2典型結(jié)構(gòu)和演進(jìn)歷程Chapter411SOEI,HUSTP-N光電二極管p-n結(jié)加反向偏壓速度快速度慢a)Ap-n光電二極管加反壓；(b)PD內(nèi)部光功率分布;(c)漂移和擴(kuò)散的載流子移動(dòng)能帶圖

漂移成分?jǐn)U散成分光電流

擴(kuò)散成分使光電二極管瞬時(shí)響應(yīng)失真

解決方法：減小p、n區(qū)厚度，增加耗盡區(qū)寬度。Chapter412SOEI,HUST

i區(qū)→高阻抗→大電場(chǎng)→耗盡區(qū)→漂移成分占主導(dǎo)但是擴(kuò)散成分仍然存在2.PIN光電二極管Chapter413SOEI,HUSTEg(i)<hv<Eg(p,n)Chapter414SOEI,HUST雙異質(zhì)結(jié)PINs受激輻射只在i區(qū)發(fā)生擴(kuò)散電流完全被消除。(高響應(yīng)速度).

InPInGaAsInPChapter415SOEI,HUSTChapter416SOEI,HUST典型結(jié)構(gòu)(a)AnAPD反向偏置下不同層的電場(chǎng)分布情況；(b)直通型APD設(shè)計(jì)。3.雪崩光電二極管(APDs)Chapter417SOEI,HUST工作原理:碰撞電離一個(gè)加速的電子提供一部分動(dòng)能給價(jià)帶中的另一個(gè)電子，最終由價(jià)帶傳送到導(dǎo)帶，留下空穴。光子

單個(gè)原生電子具有高動(dòng)能的電子大量二次電子和空穴i區(qū):吸收;增益區(qū):碰撞和電離后倍增吸收加速碰撞電離主要參數(shù)碰撞電離系數(shù):(αe:電子;αh:空穴)取決于材料合電場(chǎng)

Chapter418SOEI,HUST倍增因素倍增區(qū)電流：ie,ih:分別為電子和空穴對(duì)應(yīng)電流總電流:Chapter419SOEI,HUST假設(shè):增益區(qū)電場(chǎng)是統(tǒng)一的(是常數(shù)),只有電子跨越邊界進(jìn)入n區(qū)?？紤]邊界條件：

Chapter420SOEI,HUSTChapter421SOEI,HUST響應(yīng)度M:平均APD增益雪崩!when是碰撞系數(shù)比帶寬

M0-低頻增益,τe-有效傳輸時(shí)間Chapter422SOEI,HUSTChapter423SOEI,HUST

不同APD結(jié)構(gòu)Chapter424SOEI,HUST直通型APD0.85um:Si,KA<<1M~100,B~100Mb/s1.31um,1.55um:Ge,InGaAs解決方法:寬帶隙→能施加高反壓

吸收層和倍增層運(yùn)用相同的材料倍增窄帶隙大噪聲，(ilayer)Chapter425SOEI,HUSTSAM-APD:吸收倍增分離APDp+-InPn+-InPn-InPi-InGaAsMA-+問(wèn)題:InP&InGaAs寬帶隙不同EInp=1.35eVEInGaAs=0.75eV1)空穴易在雙異質(zhì)結(jié)上被捕獲2)響應(yīng)慢&帶寬小解決方法:Chapter426SOEI,HUSTChapter427SOEI,HUSTp+-InPn+-InPn-InPInGaAsMA-+InGaAsPGSAGM-APD(吸收（分階）倍增分離)p+-InPN+-InPn-InPInGaAsMA-+InGaAsPGN+-InPCChapter428SOEI,HUSTSAGCM-APD(C-電荷層)PN光電二極管PIN雙異質(zhì)結(jié)PINAPDSAM-APDSAGM-APD：Mf=70GHzSAGCM-APD：Mf=140GHz第四章光信號(hào)探測(cè)及恢復(fù)4.1光探測(cè)器設(shè)計(jì)4.2光接收機(jī)結(jié)構(gòu)4.3接收機(jī)噪聲4.4接收機(jī)靈敏度4.5相干光接收機(jī)TIA4.2.1前向Chapter431SOEI,HUST等價(jià)電路：(a)前端高阻抗光接收機(jī)電路和(b)前端跨阻抗光接收機(jī)電路。兩種電路中光電二極管都相當(dāng)于電源。設(shè)計(jì)要求大負(fù)載阻抗接收帶寬

高輸出電壓低熱噪聲改善靈敏度接收機(jī)靈敏度和帶寬之間須平衡!Chapter432SOEI,HUST互阻抗放大器(TIA)高靈敏度和大帶寬4.2.2線性通道Chapter433SOEI,HUST1.組成具有自動(dòng)增益控制（AGC）的放大器：接收一定范圍輸入AC電壓，輸出恒定幅值電壓，實(shí)現(xiàn)增益平坦。低通濾波器：減少噪聲，決定接收機(jī)BW，為電壓脈沖整形以減小碼間串?dāng)_（ISI）。2.低通濾波器最優(yōu)化Chapter434SOEI,HUST輸入信號(hào)：輸出脈沖的優(yōu)化整形便于判決：連續(xù)余弦脈沖顯示歸零信號(hào)性質(zhì)。Chapter435SOEI,HUST線性通道轉(zhuǎn)移通道如下：上升余弦眼圖包含信息(NRZ)Chapter436SOEI,HUST4.2.3回路判決Chapter437SOEI,HUST組成：時(shí)鐘恢復(fù)(CR)+回路判決CR從接收到的信號(hào)分離在f=B處的光譜分量，為判決提供比特信息，使判決同步。RZ信號(hào)易進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，而NRZ信號(hào)較難。最佳采樣時(shí)間由眼圖決定。第四章光信號(hào)探測(cè)及恢復(fù)4.1光探測(cè)器設(shè)計(jì)4.2光接收機(jī)結(jié)構(gòu)4.3接收機(jī)噪聲4.4接收機(jī)靈敏度4.5相干光接收機(jī)O/E倍增放大PinIp=RPinIo=MRPinIA=AMRPin背景噪聲，差拍噪聲散粒噪聲；暗電流噪聲額外噪聲負(fù)載阻抗熱噪聲；有功分量。接收機(jī)噪聲散粒噪聲：電子隨機(jī)產(chǎn)生，是具有泊松分布（近似高斯分布）的靜態(tài)隨機(jī)過(guò)程。Chapter440SOEI,HUST4.3.1噪聲機(jī)理具有散粒噪聲的光電二極管電流：根據(jù)維爾-辛欽定理知，自相關(guān)函數(shù)與光譜密度有關(guān)。平均電流與散粒噪聲相關(guān)的電流波動(dòng)考慮暗電流雙邊光譜密度單邊光譜密度Chapter441SOEI,HUST總傳播函數(shù)有效噪聲帶寬噪聲電流均方根2.熱噪聲：一定溫度下，不加電壓時(shí)，電子在電阻中隨機(jī)移動(dòng)。由熱噪聲引起的電流波動(dòng)是具有高斯統(tǒng)計(jì)特征的靜態(tài)隨機(jī)過(guò)程具有熱噪聲的光電二極管電流功率譜密度Fn:表征被前置和主放大器的電阻加強(qiáng)的熱噪聲因素。雙邊光譜密度單邊光譜密度Chapter442SOEI,HUST總噪聲功率

具有散粒噪聲和熱噪聲的光電流：

注意is(t),iT(t)

是獨(dú)立的隨機(jī)過(guò)程Chapter443SOEI,HUST1.PIN接收機(jī)4.3.2光接收機(jī)的信噪比（SNR）Chapter444SOEI,HUST熱噪聲限制噪聲等效功率(NEP):

每單位帶寬的光功率引入SNR=1

可探測(cè)性:(NEP)-1平均信號(hào)功率噪聲功率散粒噪聲限制SNR可根據(jù)1bit所對(duì)應(yīng)的光子數(shù)Np來(lái)得出選擇Chapter445SOEI,HUST2.APD接收機(jī)FA(M):額外噪聲因素，Chapter446SOEI,HUST散粒噪聲加強(qiáng)：經(jīng)過(guò)碰撞電離過(guò)程，二次電子空穴對(duì)隨機(jī)產(chǎn)生。熱噪聲限制散粒噪聲限制最佳APD增益Chapter447SOEI,HUST同等條件下，因過(guò)剩噪聲的影響，APD的SNR下降了FA倍。在實(shí)際光接收機(jī)中由于熱噪聲占支配地位，因此APD仍具有吸引力。第四章光信號(hào)探測(cè)及恢復(fù)4.1光探測(cè)器設(shè)計(jì)4.2光接收機(jī)結(jié)構(gòu)4.3接收機(jī)噪聲4.4接收機(jī)靈敏度4.5相干光接收機(jī)誤比特率(BER)：接收機(jī)采樣判決1bit發(fā)生錯(cuò)誤的概率。Chapter450SOEI,HUST4.4.1誤比特率和靈敏度(假設(shè)p(1)=p(0)=1/2)

(complementaryerrorfunction)Chapter451SOEI,HUST判決閾值：選取最佳ID使BER最小化。

當(dāng)ID如下式時(shí)BER最?。篞因素Chapter452SOEI,HUSTQ和BER的關(guān)系：

Chapter453SOEI,HUSTChapter454SOEI,HUST2.靈敏度：當(dāng)接收機(jī)誤比特率在10-9時(shí)，接收機(jī)的最小平均功率。平均接收功率：Chapter455SOEI,HUSTPIN接收機(jī)

APD接收機(jī)接收功率最小值：Chapter456SOEI,HUST4.4.2誤比特率和信噪比散粒噪聲限制

熱噪聲限制Chapter457SOEI,HUST4.4.3靈敏度退化Powerpenalty:非理想條件使最小平均接收功率增大。

消光比；強(qiáng)度噪聲；

時(shí)間抖動(dòng)；

模式電流分配噪聲；

寄生反射消光比ideal:rex=0infact:rex≠0Ib<Ith,P0=0,弛豫振蕩減緩，電光延遲增加。Ib>Ith,P0≠0,rex≠0,調(diào)制帶寬增大。對(duì)PIN接收機(jī)，熱噪聲受限：

功率損耗:對(duì)APD接收機(jī)，

δex大兩倍Chapter458SOEI,HUSTChapter459SOEI,HUST消光比與功率損耗關(guān)系強(qiáng)度噪聲參數(shù)與功率損耗關(guān)系強(qiáng)度噪聲功率波動(dòng)

電流波動(dòng)Chapter460SOEI,HUST模式電流分配噪聲；寄生反射RZ,Error-free時(shí)間抖動(dòng)Chapter461SOEI,HUST時(shí)間抖動(dòng)采樣時(shí)間采樣值抖動(dòng)信號(hào)附加抖動(dòng)（噪聲）比特流間波動(dòng)問(wèn)題

光接收機(jī)靈敏度分析某PIN光接收機(jī)等效噪聲帶寬近似等于接收光信號(hào)比特速率的一半，工作在1550nm時(shí)量子效率為0.9，前端總電容為0.003pF，放大器噪聲指數(shù)為3dB，忽略暗電流，分別計(jì)算下面受限情況下，該接收機(jī)工作在10Gb/s時(shí)誤碼率要求為10－12時(shí)對(duì)應(yīng)的靈敏度（單位為dBm）：1）熱噪聲受限；2）散粒噪聲受限。注：普朗克常數(shù)：；基本電荷電量：；玻爾茲曼常數(shù)：Chapter462SOEI,HUST第四章光信號(hào)探測(cè)及恢復(fù)4.1光探測(cè)器設(shè)計(jì)4.2光接收機(jī)結(jié)構(gòu)4.3接收機(jī)噪聲4.4接收機(jī)靈敏度4.5相干光接收機(jī)直接探測(cè)是探測(cè)光信號(hào)的常見(jiàn)方法。電場(chǎng)的二次檢測(cè)。僅探測(cè)強(qiáng)度！4.5.1工作原理強(qiáng)度，相位，偏振態(tài)！LO頻率≈載波頻率：intradynedetection相干探測(cè)：電場(chǎng)的線性檢測(cè)（通過(guò)與本地振蕩器干涉）。1.直接探測(cè)和相干探測(cè)比較：Chapter464SOEI,HUSTRef1.Fiber-OpticCommunicationSystems(Edition4),pp158~161直接探測(cè)DirectDetection&相干探測(cè)CoherentDetection只給出了余弦組件(換句話說(shuō),同相分量的LO階段),和正弦組件(正交分量)不能被檢測(cè)到。因此,這種類型的零差接收機(jī)無(wú)法提取完整的復(fù)振幅信息信號(hào)。準(zhǔn)備另一LO,相移90o，那么信號(hào)同相和正交分量都能被檢測(cè)出來(lái)。相位差法Thisfunctioncanbeachievedbya90ohybrid.4.5.2典型結(jié)構(gòu)1.相位差法:光電流I1，I2，I3，I4

可以提供輸入信號(hào)場(chǎng)實(shí)部、虛部的全部信息。I1I4Chapter467SOEI,HUSTRef2.OpticalFiberTelecommunic