光纖通信課件：第5章 光探測(cè)及光接收機(jī)

第5章光探測(cè)及光接收機(jī)光探測(cè)原理光電探測(cè)器數(shù)字光接收機(jī)接收機(jī)光信噪比（OSNR）

接收機(jī)誤碼率和靈敏度

靈敏度下降機(jī)理

光接收機(jī)1《光纖通信》（第3版）原榮編著光探測(cè)器2《光纖通信》（第3版）原榮編著前言發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后，由第2章我們知道，不僅幅度衰減了，而且脈沖波形也展寬了。光接收機(jī)的作用就是檢測(cè)經(jīng)過傳輸后的微弱光信號(hào)，并放大、整形、再生成原輸入信號(hào)。它的主要器件是利用光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的光電檢測(cè)器。對(duì)光電檢測(cè)器的要求是靈敏度高、響應(yīng)快、噪聲小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面應(yīng)與光纖芯徑匹配。用半導(dǎo)體材料制成的光電檢測(cè)器正好滿足這些要求。3《光纖通信》（第3版）原榮編著5.1光探測(cè)原理發(fā)生受激吸收產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì);在PN結(jié)施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子空穴對(duì)，在電場(chǎng)的作用下，在外電路形成光生電流。當(dāng)入射功率變化時(shí)，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)。4《光纖通信》（第3版）原榮編著假如入射光子的能量超過禁帶能量Eg，耗盡區(qū)每次吸收一個(gè)光子，將產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，發(fā)生受激吸收。光探測(cè)原理----受激吸收5《光纖通信》（第3版）原榮編著在PN結(jié)施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子空穴對(duì)在電場(chǎng)的作用下,分別離開耗盡區(qū)，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，空穴和從負(fù)電極進(jìn)入的電子復(fù)合，電子則離開N區(qū)進(jìn)入正電極。從而在外電路形成光生電流。當(dāng)入射功率變化時(shí)，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)。圖5.1.1PN結(jié)光電檢測(cè)原理說明6《光纖通信》（第3版）原榮編著光電檢測(cè)器響應(yīng)度7《光纖通信》（第3版）原榮編著5.2光電探測(cè)器5.2.1PIN光電二極管5.2.2雪崩光電二極管5.2.3響應(yīng)帶寬5.2.4新型APD結(jié)構(gòu)5.2.5MSM光電探測(cè)器5.2.6單向載流子探測(cè)器（UTC-PD）5.2.7波導(dǎo)探測(cè)器（WD-PD）5.2.8行波探測(cè)器（TW-PD）8《光纖通信》（第3版）原榮編著5.2.1PIN光電二極管

----工作原理 簡(jiǎn)單的PN結(jié)光電二極管具有兩個(gè)主要的缺點(diǎn)。首先，它的結(jié)電容或耗盡區(qū)電容較大，RC時(shí)間常數(shù)較大，不利于高頻調(diào)制。其次，它的耗盡層寬度最大也只有幾微米，此時(shí)長(zhǎng)波長(zhǎng)的穿透深度比耗盡層寬度W還大，所以大多數(shù)光子沒有被耗盡層吸收，因此長(zhǎng)波長(zhǎng)的量子效率很低。9《光纖通信》（第3版）原榮編著 為了克服PN管存在的問題，人們采用PIN光電二極管PIN二極管與PN二極管的主要區(qū)別是，在P和N層之間加入了一個(gè)I層，作為耗盡層。I層的寬度較寬，約有（5~50）m，可吸收絕大多數(shù)光子，使光生電流增加。圖5.2.1PIN光電二極管10《光纖通信》（第3版）原榮編著PIN光電二極管的響應(yīng)時(shí)間11《光纖通信》（第3版）原榮編著2.光電二極管的響應(yīng)波長(zhǎng)12《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.2.2PIN光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)曲線13《光纖通信》（第3版）原榮編著PIN光電二極管的性能參數(shù)量子效率響應(yīng)度R暗電流,表示無光照時(shí)出現(xiàn)的反向電流，它影響接收機(jī)的信噪比;響應(yīng)速度,它表示對(duì)光信號(hào)的反應(yīng)能力，常用對(duì)光脈沖響應(yīng)的上升或下降沿表示;結(jié)電容(pF),它影響響應(yīng)速度。14《光纖通信》（第3版）原榮編著5.2.2雪崩光電二極管雪崩光電二極管（APD）是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度探測(cè)器。APD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使它能承受高的反向偏壓，從而在PN結(jié)內(nèi)部形成一個(gè)高電場(chǎng)區(qū)。APD能提供內(nèi)部增益工作速度高 已廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中15《光纖通信》（第3版）原榮編著光生的電子空穴對(duì)經(jīng)過高電場(chǎng)區(qū)時(shí)被加速。從而獲得足夠的能量，它們?cè)诟咚龠\(yùn)動(dòng)中與P區(qū)晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子電離，從而產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。這種通過碰撞電離產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，稱為二次電子空穴對(duì)。新產(chǎn)生的二次電子和空穴在高電場(chǎng)區(qū)里運(yùn)動(dòng)時(shí)又被加速，又可能碰撞別的原子，這樣多次碰撞電離的結(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(yīng)。APD工作原理

16《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.2.3雪崩光電二極管 圖5.2.4APD雪崩倍增圖示17《光纖通信》（第3版）原榮編著2.平均雪崩增益18《光纖通信》（第3版）原榮編著5.2.3響應(yīng)帶寬19《光纖通信》（第3版）原榮編著光電二極管響應(yīng)帶寬定義20《光纖通信》（第3版）原榮編著上升時(shí)間定義為輸入階躍光功率時(shí)，探測(cè)器輸出光電流最大值的10%到90%所需的時(shí)間。上升時(shí)間定義21《光纖通信》（第3版）原榮編著受RC時(shí)間常數(shù)限制的帶寬22《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.2.2APD波長(zhǎng)響應(yīng)曲線23《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.2.5使用雙異質(zhì)結(jié)的SAMAPD 圖5.2.6使用雙異質(zhì)結(jié)的SAGMAPD24《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.2.7SAGAAPD結(jié)構(gòu)示意圖 圖5.2.8APD帶寬—增益特性25《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.2.9階梯超晶格多量子阱(MQW)APD（a）無偏壓能帶圖 （b）加偏壓后的能帶圖26《光纖通信》（第3版）原榮編著5.2.4

MSM光電探測(cè)器金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM,Metal-Semiconductor-Metal）光電探測(cè)器與PN結(jié)二極管結(jié)構(gòu)不同然而，它的光/電轉(zhuǎn)換的基本原理卻仍然相同，即入射光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子-空穴對(duì)的流動(dòng)就產(chǎn)生了光電流。27《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.2.5MSM光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)28《光纖通信》（第3版）原榮編著MSM光電

探測(cè)器原理象手指狀的平面金屬電極沉淀在半導(dǎo)體的表面，這些電極交替地施加電壓，所以這些電極間存在著相當(dāng)高的電場(chǎng)。光子撞擊電極間的半導(dǎo)體材料，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，然后電子被正極吸引過去，而空穴被負(fù)極吸引過去，于是就產(chǎn)生了電流。與PIN和APD探測(cè)器相比，這種結(jié)構(gòu)的結(jié)電容小，所以它的帶寬大，這種器件很有可能工作在300GHz。另外它的制造也容易。但缺點(diǎn)是靈敏度低（0.4~0.7A/W），因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的一部分面積被金屬電極占據(jù)了，所以有源區(qū)的面積減小了。29《光纖通信》（第3版）原榮編著例5.2.1PIN光電二極管的靈敏度30《光纖通信》（第3版）原榮編著例5.2.2帶寬31《光纖通信》（第3版）原榮編著例5.2.3InGaAsAPD靈敏度32《光纖通信》（第3版）原榮編著例5.2.4SiAPD33《光纖通信》（第3版）原榮編著5.2.6單向載流子探測(cè)器(UTC-PD)按光的入射方式，探測(cè)器可以分為:面入射光電探測(cè)器(a),如一般的PIN,響應(yīng)速度慢；邊耦合光電探測(cè)器(c)，如UTC-PD/TW-PD,效應(yīng)速度快。34《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.2.11面入射探測(cè)器(a)(b)和邊耦合光電探測(cè)器(WG-PD、TW-PD)(c)~(g)的比較35《光纖通信》（第3版）原榮編著在面入射光電探測(cè)器中，光從正面或背面入射到探測(cè)器的光吸收層中，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，并激發(fā)價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光電流，如圖5.2.11(a)和(b)。所以，在面入射光電探測(cè)器中，光行進(jìn)方向與載流子的渡越方向平行，如一般的PIN探測(cè)器。PIN的響應(yīng)速度受到PN結(jié)RC數(shù)值、I吸收層厚度和載流子渡越時(shí)間等的限制。最高光響應(yīng)速率小于20Gb/s。為此提出了高速光電探測(cè)器解決方案—邊耦合光電探測(cè)器。面入射光電探測(cè)器36《光纖通信》（第3版）原榮編著在（側(cè)）邊耦合光電探測(cè)器中，光行進(jìn)方向與載流子的渡越方向互相垂直；很好地解決了吸收效率和電學(xué)帶寬之間對(duì)吸收區(qū)厚度要求的矛盾。

邊耦合探測(cè)器比面入射探測(cè)器可以獲得更高的3dB響應(yīng)帶寬。邊耦合探測(cè)器分：波導(dǎo)型探測(cè)器（WG-PD）行波型探測(cè)器（TW-PD）。

邊入射光電探測(cè)器37《光纖通信》（第3版）原榮編著PIN能帶結(jié)構(gòu)圖在PIN光電二極管中，對(duì)光電流作出貢獻(xiàn)的包括電子和空穴兩種載流子。在耗盡和吸收層中的電子和空穴各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，由于電子很快掠過吸收層，而空穴則要停留很長(zhǎng)時(shí)間，因而總的載流子遷移時(shí)間主要取決于空穴。另外，當(dāng)輸出電流或功率增大時(shí)，其響應(yīng)速度和帶寬會(huì)進(jìn)一步下降；這是因?yàn)榈瓦w移率的空穴在輸運(yùn)過程中形成堆積，產(chǎn)生空間電荷效益，進(jìn)一步使電位分布發(fā)生變形，從而阻礙載流子從吸收層向外運(yùn)動(dòng)。38《光纖通信》（第3版）原榮編著UTC-PD能帶結(jié)構(gòu)圖

只有電子充當(dāng)載流子，空穴不參與導(dǎo)電，電子的遷移率遠(yuǎn)高于空穴，因而其載流子渡越時(shí)間比PIN的小。在收集層中，光電流完全由從吸收層漂移擴(kuò)散過來的電子產(chǎn)生，并且在電場(chǎng)的作用下，因過沖效應(yīng)電子高速快速向陰極漂移。吸收層中的電子由于擴(kuò)散阻擋層（勢(shì)壘層）的阻擋，只有極少數(shù)電子越過勢(shì)壘層。由于在吸收層中空穴為多數(shù)載流子，不能擴(kuò)散形成光生電流。因此稱這種探測(cè)器為單向光電探測(cè)器。由于多數(shù)載流子空穴的介電遲豫時(shí)間遠(yuǎn)小于電子在結(jié)區(qū)的渡越時(shí)間，空間電荷限制效應(yīng)很快就釋放，在強(qiáng)光照射下不容易達(dá)到飽和。這樣就容許大的工作電流密度通過，因此，在取得高速響應(yīng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了大的飽和電流輸出。

39《光纖通信》（第3版）原榮編著改進(jìn)后的UTC-PD能帶結(jié)構(gòu)圖

在實(shí)際應(yīng)用中，既要求高的光電轉(zhuǎn)換效率，寬的帶寬，又要求高的輸出功率。這里部分InP吸收層被InGaAs耗盡層取代，這樣光電轉(zhuǎn)換效率提高了，而帶寬沒有降低。該器件的靈敏度為0.22A/W，350GHz的最大輸出光功率是2.7dBm，3dB和10dB的帶寬分別是120GHz和260GHz。40《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.2.13UTC-PD光電混裝模塊照片41《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.2.14器件響應(yīng)頻率與輸出功率的關(guān)系42《光纖通信》（第3版）原榮編著5.2.7波導(dǎo)探測(cè)器(WD-PD)波導(dǎo)探測(cè)器正好解除了PIN探測(cè)器的內(nèi)量子效率和響應(yīng)速度之間的制約關(guān)系;極大地改善了其性能，在一定程度上滿足了光通信對(duì)高性能探測(cè)器的要求面入射光電探測(cè)器的固有弱點(diǎn)是量子效率和響應(yīng)速度相互制約；一方面可以采用減小其結(jié)面積來提高它的響應(yīng)速度，但是這會(huì)降低器件的耦合效率。另一方面也可以采用減小本征層（吸收層）的厚度來提高器件的響應(yīng)速度。但是這會(huì)減小光吸收長(zhǎng)度，降低內(nèi)量子效率，因此這些參數(shù)需折衷考慮。43《光纖通信》（第3版）原榮編著5.2.7波導(dǎo)探測(cè)器光垂直于電流方向入射到探測(cè)器的光波導(dǎo)中，然后在波導(dǎo)中傳播，傳播過程中光不斷被吸收，光強(qiáng)逐漸減弱，同時(shí)激發(fā)價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光信號(hào)的探測(cè)。

WG-PD的光吸收是沿波導(dǎo)方向進(jìn)行的，其光吸收長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)型光電探測(cè)器。WG-PD的吸收長(zhǎng)度是探測(cè)器波導(dǎo)的長(zhǎng)度，一般可大于10m，而傳統(tǒng)型探測(cè)器的吸收長(zhǎng)度是InGaAs本征層的厚度，僅為1m。所以WG-PD結(jié)構(gòu)的內(nèi)量子效率高于傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)PD的。另外，WG-PD還很容易與其他器件集成。但是，和面入射探測(cè)器相比，WD-PD的光耦合面積非常小，導(dǎo)致光耦合效率較低，同時(shí)也增加了和光纖耦合的難度。44《光纖通信》（第3版）原榮編著分支波導(dǎo)探測(cè)器(TaperedWG-PD)

光進(jìn)入折射率為n1的單模波導(dǎo)，當(dāng)傳輸?shù)絥2光匹配層的下面時(shí)，由于n2>n1，所以光向多模波導(dǎo)匹配層偏轉(zhuǎn)（見2.1.1節(jié)）;又因n3>n2，所以光就進(jìn)入PD的吸收層，轉(zhuǎn)入光生電子的過程。45《光纖通信》（第3版）原榮編著5.2.8行波探測(cè)器（TW-PD）行波探測(cè)器是在波導(dǎo)探測(cè)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的響應(yīng)不受與有源面積有關(guān)的RC常數(shù)的限制；響應(yīng)主要由光的吸收系數(shù)以及光的群速度和電的相速度不匹配決定。這種器件的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于吸收長(zhǎng)度，但它的帶寬基本與器件長(zhǎng)度無關(guān)，所以具有更大的響應(yīng)帶寬積。然而這種器件不能得到較高的輸出電平值，難以實(shí)用化。46《光纖通信》（第3版）原榮編著串行光饋送TW-PD能克服TW-PD高速和大飽和光電流相互之間的制約。光串行饋送速度匹配周期分布式

行波探測(cè)器（VMPTW-PD）47《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.2.16光串行饋送速度匹配周期分布式行波探測(cè)器（VMPTW-PD）串行和并行光饋送TW-PD能克服TW-PD高速和大飽和光電流相互之間的制約。光串行饋送速度匹配周期分布式TW-PD（VMPTW-PD）由一個(gè)輸入光波導(dǎo)、多個(gè)分布在光波導(dǎo)上的UTC-PD和共面微帶傳輸線組成。單個(gè)UTC-PD的帶寬為116GHz，響應(yīng)度為0.15A/W。48《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.2.17由4個(gè)PIN構(gòu)成光并行饋送行波陣列光電探測(cè)器（TW-PD）可用的不飽和光電流變化范圍直接由TW-PD內(nèi)的PIN數(shù)量決定，帶寬不受RC時(shí)間常數(shù)的限制。該TW-PD芯片的頻率響應(yīng)為：3dB帶寬為80GHz，7dB為150GHz。響應(yīng)度R=0.24A/W。4個(gè)PINPD并行構(gòu)成TW-PD，輸入光經(jīng)過多模干涉分光器(MMI)后分成幾乎相等的4份光，分別饋送到4個(gè)并行波導(dǎo)集成PIN光電二極管;PIN管產(chǎn)生的光生電流同相復(fù)合，4個(gè)PINPD被共平面波導(dǎo)（CPW）微帶傳輸線連接。49《光纖通信》（第3版）原榮編著(c)多模干涉分光器（MMI）原理該TW-PD芯片設(shè)計(jì)采用模場(chǎng)轉(zhuǎn)換器，以便實(shí)現(xiàn)光纖和芯片的有效耦合MMI將輸入光分成4路輸出光各路輸出光的偏差為0.4dB附加損耗1dB極化相關(guān)損耗（PDL）為0.2dB。50《光纖通信》（第3版）原榮編著(a)TW-PD的微觀結(jié)構(gòu)(刻蝕立體圖)51《光纖通信》（第3版）原榮編著TW-PD芯片刻蝕顯微圖

(由4個(gè)PIN并聯(lián)構(gòu)成)TW-PD芯片的頻率響應(yīng)為：3dB帶寬為80GHz7dB為150GHz響應(yīng)度R=0.24A/W。52《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.2.15邊入射平面折射波導(dǎo)RFUTC-PD光入射到斜面上產(chǎn)生折射，改變方向后到達(dá)吸收光敏區(qū)。耦合面積非常大，垂直方向和水平方向的耦合長(zhǎng)度分別達(dá)到了9.5m和47m，即使在沒有偏壓的情況下，外部量子效率也達(dá)到了91%。在0.5V偏壓下，它的響應(yīng)度達(dá)到了0.96A/W。RF-PD和WG-PD相比，前者的耦合面積要遠(yuǎn)大于后者，外量子效率也要比后者高。從結(jié)構(gòu)圖中可以看出，器件的另外一個(gè)顯著特征是光在斜面上折射后斜入射到光吸收區(qū)，增大了光吸收長(zhǎng)度和光吸收面積，提高了內(nèi)量子效率，同時(shí)分散光吸收可以增大探測(cè)器的飽和光電流。53《光纖通信》（第3版）原榮編著5.3數(shù)字光接收機(jī)組成5.3.1光電變換和前置放大5.3.2線性放大5.3.3數(shù)據(jù)恢復(fù)54《光纖通信》（第3版）原榮編著5.3數(shù)字光接收機(jī)接收機(jī)的設(shè)計(jì)很大程度上取決于發(fā)射機(jī)使用的調(diào)制方式，特別是與傳輸信號(hào)的種類，即模擬或數(shù)字信號(hào)有關(guān)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)光波系統(tǒng)使用數(shù)字調(diào)制方式，所以在本章中，我們集中討論數(shù)字光接收機(jī)。關(guān)于模擬接收機(jī)的設(shè)計(jì)，我們將在第六章和第八章中討論。55《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.3.1數(shù)字光接收機(jī)原理組成圖56《光纖通信》（第3版）原榮編著5.3.1前置

放大器前置放大器在減弱或防止電磁干擾和抑制噪聲方面起著特別重要的作用，所以精心設(shè)計(jì)前置放大器就顯得特別重要。光電二極管把光比特流轉(zhuǎn)變成隨時(shí)間變化的電信號(hào)。前置放大器的作用是放大該電信號(hào)，以供主放大器進(jìn)一步放大和處理。前置放大器的設(shè)計(jì)要求在帶寬和靈敏度之間進(jìn)行折衷。57《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.3.2光接收機(jī)

前置放大器等效電路58《光纖通信》（第3版）原榮編著負(fù)載電阻跨接到反向放大器的輸入和輸出端，盡管RL仍然很大，但負(fù)反饋使輸入阻抗減小了G倍，因此帶寬也比高阻抗放大器的擴(kuò)大了G倍。它的靈敏度高、頻帶寬。動(dòng)態(tài)范圍也比高阻抗前置放大器的大。因此光接收機(jī)常使用這種結(jié)構(gòu)的前放。轉(zhuǎn)移阻抗前置放大器59《光纖通信》（第3版）原榮編著5.3.2線性放大由主放大器、低通濾波器和自動(dòng)增益控制電路組成。有時(shí)候，為了校正和補(bǔ)償前端對(duì)帶寬的限制，在主放大器之前還要插入一個(gè)均衡器。低通濾波器的作用是整形電壓脈沖，減小噪聲，同時(shí)避免引入更多的碼間干擾。采用自動(dòng)增益控制電路，在接收機(jī)平均入射光功率一定的變化范圍內(nèi)，可以把放大器的增益自動(dòng)控制在固定的輸出電平上。60《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.3.3柰奎斯特脈沖響應(yīng)和升余弦均衡濾波器輸出響應(yīng)我們雖不能消除碼間干擾及相互影響但我們能做到不管輸入波形如何發(fā)生畸變，只要經(jīng)過均衡濾波器后，在某些特定點(diǎn)上干擾為零，因此可用于正確地判決。61《光纖通信》（第3版）原榮編著5.3.3

數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)恢復(fù)電路包括判決電路和時(shí)鐘恢復(fù)電路。它的任務(wù)是把均衡器輸出的升余弦信號(hào)恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)。首先要提取時(shí)鐘信號(hào)，在最佳的取樣時(shí)間對(duì)升余弦信號(hào)進(jìn)行取樣，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)再生成原傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)。最佳的判決時(shí)間應(yīng)是升余弦波形的正負(fù)峰值點(diǎn)，這時(shí)取樣幅度最大，抵抗噪聲的能力最強(qiáng)。62《光纖通信》（第3版）原榮編著選取最佳的判決時(shí)間63《光纖通信》（第3版）原榮編著眼圖分析法在實(shí)驗(yàn)室里觀察碼間干擾是否存在的最直觀、最簡(jiǎn)單的方法是眼圖分析法。通常誤碼率的典型值為10–9。將均衡濾波器輸出的隨機(jī)脈沖序列輸入到示波器的Y軸，用時(shí)鐘信號(hào)作為外觸發(fā)信號(hào)，就可觀察到眼圖。眼圖的張開度受噪聲和碼間干擾的影響，當(dāng)輸出端信噪比很大時(shí)，張開度主要受碼間干擾的影響。因此，觀察眼圖的張開度就可以估計(jì)出碼間干擾的大小，這給均衡電路的調(diào)整提供了簡(jiǎn)單而適用的觀測(cè)手段。64《光纖通信》（第3版）原榮編著5.4接收機(jī)信噪比（SNR）5.4.1噪聲機(jī)理5.4.2PIN光接收機(jī)5.4.3APD接收機(jī)5.4.4信噪比(SNR)和光信噪比(OSNR)的關(guān)系65《光纖通信》（第3版）原榮編著5.4接收機(jī)信噪比(SNR)SRN為平均信號(hào)功率和噪聲功率之比;光接收機(jī)使用光電二極管，將入射光功率轉(zhuǎn)換為電流;當(dāng)入射光功率不變時(shí)，兩種基本的噪聲，散粒噪聲和熱噪聲也會(huì)引起光生電流的起伏;電流起伏引入的電噪聲影響接收機(jī)性能;本節(jié)回顧噪聲機(jī)理，并討論光接收機(jī)的信噪比(SNR)。66《光纖通信》（第3版）原榮編著5.4.1PIN光接收機(jī)SNR67《光纖通信》（第3版）原榮編著散粒噪聲受限SNR68《光纖通信》（第3版）原榮編著SNR可用“1”碼中包含的光子數(shù)表示69《光纖通信》（第3版）原榮編著5.4.2APD接收機(jī)70《光纖通信》（第3版）原榮編著5.4.4信噪比(SNR)和光信噪比(OSNR)的關(guān)系式中，Ps表示2種極化的信號(hào)功率，Bref表示參考帶寬（12.5GHz）；P表示信號(hào)占據(jù)的極化態(tài)數(shù)，RB表示2種極化態(tài)的比特速率。SNR和OSNR的關(guān)系取決于信號(hào)是否是極化分集復(fù)用(PDM)，沒有PDM時(shí)P=1，有PDM時(shí)P=2。在經(jīng)典的通信理論中，信噪比（SNR）是信號(hào)和噪聲之比，這里信號(hào)和噪聲均是只包含一種極化態(tài)的信號(hào)和噪聲。光信噪比（OSNR）卻不同，這里信號(hào)是包含一種或兩種極化態(tài)的信號(hào)，而噪聲是兩種極化態(tài)噪聲之和，并且噪聲是在固定帶寬12.5GHz內(nèi)的噪聲。71《光纖通信》（第3版）原榮編著5.5接收機(jī)誤碼率和靈敏度5.5.1比特誤碼率5.5.2最小平均接收光功率5.5.3光電探測(cè)器的量子限制72《光纖通信》（第3版）原榮編著5.5接收機(jī)誤碼率和靈敏度73《光纖通信》（第3版）原榮編著5.5.1比特誤碼率74《光纖通信》（第3版）原榮編著比特誤碼率75《光纖通信》（第3版）原榮編著圖(a)表示判決電路接收到的疊加了噪聲的PCM比特流圖(b)表示“1”碼信號(hào)和“0”碼信號(hào)在平均光生信號(hào)電流I1（1碼）和I0（0碼）附近的高斯概率分布，陰影區(qū)表示錯(cuò)誤識(shí)別概率。圖5.5.2誤碼概率計(jì)算76《光纖通信》（第3版）原榮編著77《光纖通信》（第3版）原榮編著SNR和Q的關(guān)系78《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.5.3BER和Q參數(shù)的關(guān)系79《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.5.4接收機(jī)靈敏度和比特率的關(guān)系實(shí)際光接收機(jī)的靈敏度比量子極限約低20dB;主要由接收機(jī)熱噪聲和光纖色散使靈敏度下降。光纖色散導(dǎo)致的靈敏度下降與比特速率B和光纖長(zhǎng)度L有關(guān)，并隨BL乘積增加而增加，在較高碼率下，接收靈敏度的實(shí)測(cè)值比量子極限下降了25~30dB80《光纖通信》（第3版）原榮編著5.6靈敏度下降機(jī)理1.發(fā)射“0”碼時(shí)接收光功率不為零引入的功率代價(jià)2.激光器強(qiáng)度噪聲引入的功率代價(jià)3.定時(shí)抖動(dòng)引起的功率代價(jià)81《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.6.1功率代價(jià)與消光比的關(guān)系圖5.6.2功率代價(jià)和強(qiáng)度噪聲的關(guān)系82《光纖通信》（第3版）原榮編著圖5.6.3功率代價(jià)與定時(shí)抖動(dòng)的關(guān)系83《光纖通信》（第3版）原榮編著5.7

光接收機(jī)5.7.1光接收機(jī)性能5.7.2電子載流子（UTC）光接收機(jī)5.7.3陣列波導(dǎo)光柵（AWG）PIC多信道光接收機(jī)5.7.4107Gb/sWG-PIN行波放大PIC光接收機(jī)84《光纖通信》（第3版）原榮編著5.7.1光接收機(jī)性能光接收機(jī)的性能由其構(gòu)成的系統(tǒng)BER隨平均接收光功率的變化來表征BER=109時(shí)的平均接收光功率即為接收機(jī)靈敏度。對(duì)同一系統(tǒng)來說，接收靈敏度與比特速率有關(guān)近來超強(qiáng)前向糾錯(cuò)(SFEC)和電子色散補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用，使糾錯(cuò)能力大為提高Q=6.3dB時(shí),容許系統(tǒng)送入糾錯(cuò)模塊前的BER甚至可以達(dá)到2102

。85《光纖通信》（第3版）原榮編著5.7.2電子載流子（UTC）光接收機(jī)圖5.7.12信道雙PD芯片(4PD陣列)平衡接收模塊5.2.6節(jié)已介紹了電子載流子（UTC）光電探測(cè)器，利用它的芯片制造技術(shù)，人們已開發(fā)出43Gb/sDQPSK系統(tǒng)用的2信道平衡接收模塊

86《光纖通信》（第3版）原榮編著5.7.3陣列波導(dǎo)光柵(AWG)PIC多信道光接收機(jī)單片集成了AWG路由（WGR）波長(zhǎng)解復(fù)用器和陣列PIN光電探測(cè)器并且在PIN之后又集成了異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）作為前