第四章光檢測(cè)和光接收機(jī)

第四章光檢測(cè)和光接收機(jī)第一頁，共七十四頁，2022年，8月28日2第四章光檢測(cè)與光接收機(jī)4.1半導(dǎo)體光檢測(cè)器件4.2光接收機(jī)4.3光接收機(jī)噪聲分析4.4光接收機(jī)的誤碼率4.5接收機(jī)靈敏度4.6光中繼機(jī)第二頁，共七十四頁，2022年，8月28日3概述

光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的主要組成部分，它的性能是整個(gè)光纖通信系統(tǒng)性能的綜合反映。由光發(fā)送機(jī)發(fā)出的光信號(hào)在光纖線路中傳輸時(shí)，不僅會(huì)受到損耗的影響而造成幅度衰減，同時(shí)光纖色散和非線性效應(yīng)等可能會(huì)引起脈沖波形展寬，由此造成的信號(hào)質(zhì)量下降會(huì)增加接收機(jī)接收信號(hào)的難度，這些都對(duì)接收機(jī)的性能提出了較高的要求。光接收機(jī)的主要作用是將經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減，波形被展寬的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并經(jīng)放大處理，恢復(fù)為原來的信號(hào)。第三頁，共七十四頁，2022年，8月28日44.1半導(dǎo)體光檢測(cè)器件

光檢測(cè)器的作用是將光纖輸出的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，它是影響光接收機(jī)性能的重要器件。光纖通信系統(tǒng)對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是：波長段內(nèi)響應(yīng)度或靈敏度要高具有足夠的帶寬和響應(yīng)速度由檢測(cè)器引入的附加噪聲必須最低，暗電流、漏電流和并聯(lián)電導(dǎo)必須最小較低的偏壓或偏流，具有高可靠性和長壽命較小的幾何尺寸，便于與光纖及其他電路組裝第四頁，共七十四頁，2022年，8月28日5響應(yīng)度響應(yīng)度是表示光檢測(cè)器能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)參數(shù)，是光檢測(cè)器的平均輸出電流與平均輸入光功率之比。表示為（A/W）(4-1)式中：R0——光檢測(cè)器的響應(yīng)度

IP——光檢測(cè)器的平均輸出電流

P0——入射在檢測(cè)器光敏面上的平均光功率第五頁，共七十四頁，2022年，8月28日64.1.1光電二極管的工作原理最基本的半導(dǎo)體光檢測(cè)器是由反向偏置的PN結(jié)構(gòu)成的。在半導(dǎo)體材料的PN結(jié)面上，由于電子和空穴的擴(kuò)散形成了內(nèi)部的電場(chǎng)，稱之為自建場(chǎng)。由于自建場(chǎng)的作用使電子和空穴產(chǎn)生了與擴(kuò)散方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)。在PN結(jié)界面附近形成了高電場(chǎng)的耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)兩邊，電場(chǎng)基本為0，稱為擴(kuò)散區(qū)。耗盡區(qū)和擴(kuò)散區(qū)均為光子的吸收區(qū)，在入射光照射下，要吸收光能量產(chǎn)生光生載流子。第六頁，共七十四頁，2022年，8月28日7圖4-1PN結(jié)光電二極管第七頁，共七十四頁，2022年，8月28日8圖4-2PN結(jié)光電二極管工作原理a）PN結(jié)b）能帶圖漂移電流擴(kuò)散電流第八頁，共七十四頁，2022年，8月28日9圖4-3光生載流子慢擴(kuò)散使響應(yīng)變慢第九頁，共七十四頁，2022年，8月28日10反向偏壓工作的光電二極管為了克服由于光生載流子擴(kuò)散速度慢于漂移速度而引起的響應(yīng)變慢現(xiàn)象，對(duì)光電二極管采用反向偏壓。反向偏壓增加了耗盡區(qū)的寬度，從而減少了光生電流中的擴(kuò)散分量，同時(shí)增強(qiáng)的電場(chǎng)也會(huì)加快光生載流子的漂移速度，有利于加快光生載流子的響應(yīng)時(shí)間。其他增加耗盡區(qū)的寬度的方法。第十頁，共七十四頁，2022年，8月28日114.1.2.光電二極管PIN第十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日124.1.2.光電二極管PIN在上述的光電二極管的PN結(jié)中間摻入一層濃度很低的N型半導(dǎo)體，就可以增大耗盡區(qū)的寬度，達(dá)到減小擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響，提高響應(yīng)速度的目的。由于這一摻入層的摻雜濃度低，近乎本征（Intrinsic）半導(dǎo)體，故稱I層。因此這種結(jié)構(gòu)稱為PIN光電二極管。I層較厚，幾乎占盡了整個(gè)耗盡區(qū)。絕大部分的入射光在I層內(nèi)被吸收并產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)。在I層兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，P層和N層很薄，吸收入射光的比例很小。因而光生電流中漂移分量占了主導(dǎo)地位，這就大大加快了響應(yīng)速度。第十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日13圖4-4PIN光電二極管結(jié)構(gòu)及各層電場(chǎng)分布第十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日14PIN光電二極管的主要特性

截止波長和吸收系數(shù)響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)速度線性飽和暗電流噪聲第十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日15截止波長和吸收系數(shù)只有入射光子的能量hf大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。因此對(duì)一種特定材料的檢測(cè)器存在著一個(gè)下限頻率fc和相應(yīng)的上限光波長λc?；?qū)懗墒街衕為普朗克常數(shù)，c為光速，波長λc單位為微米，禁帶寬度Eg單位為電子伏特。由式可見，只有波長小于λc的光才能用由這種材料做成的器件檢測(cè)。λc稱為器件的截止波長。第十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日16穿透效應(yīng)半導(dǎo)體的吸收作用隨光波長的減小而迅速增強(qiáng)。即α隨光波長減小而變大。因此光波長很短時(shí)，光在半導(dǎo)體表面就被吸收殆盡，使得光電轉(zhuǎn)換效率很低。這限制了半導(dǎo)體檢測(cè)器在較短波長上的應(yīng)用。由上分析可見：要檢測(cè)某波長的入射光，必須要選擇由適當(dāng)材料做成的檢測(cè)器。一方面由其禁帶寬度決定的截止波長要大于入射光波長，否則材料對(duì)光透明，不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。另一方面，吸收系數(shù)不能太大，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率。第十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日17響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)度和量子效率是表示光電二極管能量轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)。若入射光功率為P0時(shí)產(chǎn)生的光電流為Ip，則響應(yīng)度R0定義為：

（A/w）（4-3）量子效率定義為（4-4）由4-3、4-4可知：（A/W）（4-5）式中e為電子電量，λ為光波長，h為普朗克常數(shù)，c為光速。第十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日18圖4-5幾種材料的PIN管R0，η，λ的關(guān)系曲線第十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日19響應(yīng)速度

PIN光電二極管的響應(yīng)速度可以用響應(yīng)時(shí)間或截止頻率來表示。響應(yīng)時(shí)間取決于光檢測(cè)電路的上升時(shí)間、載流子在耗盡層中的渡越時(shí)間和耗盡區(qū)外載流子的擴(kuò)散時(shí)間。(p90-91)第十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日20線性飽和光檢測(cè)器電路有一定的光功率檢測(cè)范圍。當(dāng)入射光功率太大時(shí)，光電流和光功率將不成正比，從而產(chǎn)生非線性失真。隨著輸入光功率和輸出電流的增大，檢測(cè)電路中負(fù)載電阻上的壓降增大，光電管上實(shí)際壓降減小，耗盡區(qū)內(nèi)電場(chǎng)減弱，繼而會(huì)引起單位光功率產(chǎn)生的光電流變小。此時(shí)光電轉(zhuǎn)換不再滿足線性關(guān)系，稱為線性飽和。(小于mW級(jí))第二十頁，共七十四頁，2022年，8月28日21暗電流★

處于反向偏壓下的半導(dǎo)體光電二極管，在無光照時(shí)仍有電流流過，這部分電流稱為暗電流。光電二極管的暗電流分為兩部分：一部分為反向偏壓下二極管的反向飽和電流，稱為體暗電流，是由載流子的熱擴(kuò)散形成的，體暗電流由半導(dǎo)體材料及摻雜濃度決定。另一部分是由半導(dǎo)體表面缺陷引起的表面漏電流，稱為表面暗電流。暗電流與器件的結(jié)面積成正比。故常用單位面積上的暗電流（稱為暗電流密度）來衡量。暗電流隨器件溫度的升高而增大。暗電流的存在限制了光電二極管所能檢測(cè)的最小光功率，也就是降低了接收機(jī)的靈敏度。

第二十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日22噪聲★噪聲是光電二極管的一個(gè)重要參數(shù)。噪聲的存在同樣也限制了光電二極管所能檢測(cè)的最小光功率，直接影響了接收靈敏度(以信噪比來衡量)。光電二極管的噪聲包括散粒噪聲（又稱量子噪聲）和熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流（在1Ω負(fù)載上消耗的噪聲功率）來描述。(詳見4.3)第二十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日234.1.3雪崩光電二極管APD

光接收機(jī)的靈敏度主要由接收機(jī)的信噪比決定。采用減小噪聲或增大信號(hào)電流的方法可以提高接收機(jī)的靈敏度。采用PIN光電二極管為檢測(cè)器的光接收機(jī)的噪聲主要由負(fù)載電阻和后級(jí)放大器決定。如果采用自身對(duì)光生電流具有放大作用的光檢測(cè)器，即使檢測(cè)器在電流放大過程中會(huì)產(chǎn)生附加噪聲，但只要附加噪聲小于負(fù)載電阻和后級(jí)放大器的噪聲，則這樣的檢測(cè)器必定會(huì)改善接收機(jī)的信噪比，從而提高接收機(jī)的靈敏度。雪崩光電二極管（APD，AvalanchePhotoDiode）就是這樣的一種具有內(nèi)部電流增益的光電轉(zhuǎn)換器件。第二十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日APD的工作原理——雪崩倍增效應(yīng)處于反向偏置的耗盡層光電二極管，當(dāng)外加的反向偏壓不斷增強(qiáng)時(shí)，耗盡層內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下得到加速，獲得很大的動(dòng)能。高能的載流子與半導(dǎo)體晶體內(nèi)的原子相碰撞，將束縛在價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而在耗盡層內(nèi)產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。碰撞電離的第二代載流子在耗盡層的強(qiáng)電場(chǎng)的加速下再次引起碰撞電離而產(chǎn)生第三代載流子。碰撞電離的反復(fù)循環(huán)使耗盡層內(nèi)的載流子數(shù)雪崩似的急劇增加，通過二極管的電流也就猛增，這就是雪崩倍增效應(yīng)。24第二十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日25APD的工作原理雪崩光電二極管（APD）就是利用雪崩倍增效應(yīng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電流增益的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換器件。APD有多種結(jié)構(gòu)形式，圖4-9是一種N+-P-I-P+結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的APD稱為拉通型雪崩光電二極管（RAPD）。該結(jié)構(gòu)外側(cè)分別為高摻雜的P型、N型半導(dǎo)體層，中間是較窄的P型半導(dǎo)體層和很寬的I層（即輕摻雜的P型半導(dǎo)體）。

第二十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日26圖4-9APD光電二極管的工作原理第二十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日27APD倍增因子g和平均倍增倍增因子是APD內(nèi)部的電流增益系數(shù)。倍增因子g定義為APD雪崩放大后的輸出電流IM和初始光生電流Ip的比值。（4-14）雪崩倍增過程是一個(gè)隨機(jī)過程，即每一電子-空穴對(duì)與半導(dǎo)體晶體內(nèi)的原子碰撞電離產(chǎn)生的初始電子-空穴對(duì)的數(shù)目是隨機(jī)的，因而倍增因子g也是隨機(jī)變化的。一般所稱的倍增因子是指平均倍增（電流增益系數(shù)）G。（4-15）式中<g>是表示隨機(jī)量g的平均值。第二十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日28圖4-10電流增益－偏壓、溫度關(guān)系第二十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日29過剩噪聲當(dāng)雪崩光電二極管的雪崩增益為G時(shí)，它的信號(hào)電流比無倍增時(shí)增大了G倍，信號(hào)功率增大了G2倍。由式(4-18)可以看出噪聲功率增大了G2F倍。由于F＞2，所以噪聲功率增大的速率大于信號(hào)功率增大的速率*。*此處分析過程請(qǐng)參閱教材第二十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日30APD響應(yīng)度和量子效率★

由于在APD中光生電流被倍增了G倍，所以它的響應(yīng)度比PIN管提高了G倍。因?yàn)榱孔有手慌c初始載流子數(shù)目有關(guān)，與倍增無關(guān)，所以不管是PIN還是APD，量子效率總是小于1。第三十頁，共七十四頁，2022年，8月28日31APD線性飽和和暗電流

APD適宜檢測(cè)微弱的光信號(hào)，當(dāng)輸入光功率較強(qiáng)時(shí)，入射光功率和輸出電流之間的線性關(guān)系會(huì)被破壞。

APD中產(chǎn)生非線性光電變換的原因是器件上的偏壓不能保持恒定，繼而會(huì)引起雪崩區(qū)的變窄和倍增因子的下降。

APD暗電流隨倍增因子的增大而增大。第三十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日32第四章光檢測(cè)與光接收機(jī)4.1半導(dǎo)體光檢測(cè)器件4.2光接收機(jī)4.3光接收機(jī)噪聲分析4.4光接收機(jī)的誤碼率4.5接收機(jī)靈敏度4.6光中繼機(jī)第三十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日334.2光接收機(jī)直接檢測(cè)數(shù)字光接收機(jī)主要由光接收電路和輸出接口電路組成。接收機(jī)的組成框圖如圖4-11所示。第三十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日34圖4-11直接檢測(cè)數(shù)字光接收機(jī)框圖第三十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日35光接收機(jī)原理在接收機(jī)中，首先由光電檢測(cè)器光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。光電檢測(cè)器的輸出信號(hào)電流很小，必須由低噪聲、寬頻帶的前置放大器進(jìn)行放大。光電檢測(cè)器和前置放大器構(gòu)成前端接收機(jī)，其噪聲性能是決定接收靈敏度的主要因素。

主放大器與均衡器對(duì)信號(hào)進(jìn)行高增益的放大并對(duì)經(jīng)傳輸和放大后的失真信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，整形，提高信噪比，減少誤碼率，使輸出的脈沖適合判決的要求。

基線處理是將信號(hào)的基線（低電平）固定在某一電平上，解決信號(hào)的基線漂移，以便于判決。

定時(shí)判決與時(shí)鐘提取電路作用是從收到的帶有噪聲和畸變的波形中識(shí)別信碼“1”和“0”。然后由再生電路重新產(chǎn)生和發(fā)端一樣的數(shù)字脈沖序列。從判決電路輸出的數(shù)字信號(hào)送至接口的譯碼電路進(jìn)行碼型反變換，恢復(fù)原來的碼型。第三十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日36光接收機(jī)主要性能指標(biāo)★接收靈敏度反映了接收機(jī)檢測(cè)微弱信號(hào)的能力誤碼率或信噪比動(dòng)態(tài)范圍反映了接收機(jī)適應(yīng)輸入信號(hào)變化的能力第三十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日374.2.1光接收電路

光接收電路由檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、自動(dòng)增益控制和均衡電路組成。它將光信號(hào)變換成一定幅度的、波形好的電信號(hào)，供后續(xù)電路進(jìn)行再生判決。第三十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日381.光檢測(cè)和前置放大器

光電檢測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換。由發(fā)送端發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)過光纖線路傳輸后，到達(dá)接收端已經(jīng)很微弱。檢測(cè)器輸出的電流僅在nA數(shù)量級(jí)。所以必須采用多級(jí)放大將微弱的電信號(hào)放大至判決電路才能正確識(shí)別。由于信號(hào)微弱又帶有噪聲，如果采用一般的放大器進(jìn)行放大，放大器本身就會(huì)將前一級(jí)放大器所引入的噪聲也進(jìn)行放大，信噪比并沒有得到改善。因此多級(jí)放大器的前級(jí)必須滿足低噪聲、高增益的要求，才能得到較大的信噪比。第三十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日392.主放和均放

信號(hào)經(jīng)前置放大器輸出仍然比較微弱，不能滿足幅度判決的要求，因此還必須加以放大。由于光接收機(jī)的入射光功率有一個(gè)可變化的動(dòng)態(tài)范圍，因此放大器增益也應(yīng)隨入射光功率的變化得到相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)在不同輸入信號(hào)情況下仍能保持輸出電平穩(wěn)定。即實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。在光接收機(jī)中，把實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制的放大級(jí)稱為主放大器。均放電路的主要作用是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行均衡以利于定時(shí)判決。第三十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日40圖4-13主放和均放構(gòu)成框圖(p97)去監(jiān)測(cè)盤信號(hào)輸入告警AGC1AGC監(jiān)測(cè)光電檢測(cè)前置放大均衡濾波AGC寬放寬放1壓控衰減寬放2直流放大峰值檢波AGC2眼圖監(jiān)測(cè)去再生電路去再生電路去監(jiān)測(cè)盤第四十頁，共七十四頁，2022年，8月28日413.基線處理與定時(shí)再生由于傳輸線路上所傳送的碼流中“0”、“1”分布并不均勻，并不可避免地有連續(xù)的“0”或連續(xù)的“1”出現(xiàn)，使得信號(hào)中的直流成分有起伏變化，這種信號(hào)在接收機(jī)中處理時(shí)，因各級(jí)間的耦合均為交流耦合，即RC耦合，這會(huì)使信號(hào)的基線隨直流成分的變化而漂移。這種漂移嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使判決產(chǎn)生誤碼。在發(fā)送端雖已進(jìn)行了線路碼型變換，以使碼流中的“0”、“1”分布盡可能均勻使信號(hào)中的直流分量盡可能恒定，但是由于種種原因，難以達(dá)到理想程度。因此在定時(shí)再生電路中，首先要對(duì)基線漂移進(jìn)行處理，即將信號(hào)的基線（低電平）固定在某一電平上。第四十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日42基線處理移相定時(shí)判決眼圖信號(hào)非線性處理時(shí)鐘提取時(shí)鐘碼再生幅度判決圖4-16基線處理與定時(shí)再生框圖第四十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日43定時(shí)再生

經(jīng)過基線處理的信號(hào)，首先要進(jìn)行幅度判決，然后再經(jīng)過時(shí)鐘提取，還原出幅度和時(shí)鐘準(zhǔn)確的再生信號(hào)。第四十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日444.2.2輸出電路

輸出電路是光端機(jī)接收部分在定時(shí)再生之后的信號(hào)處理部分。通常包括線路碼型反變換、輸出接口兩大部分。低中速率的光端機(jī)，則將這兩部分安裝在一塊機(jī)盤中，稱為輸出盤。在“光電合架”設(shè)備中，取消了輸出接口電路，則碼型反變換部分和光接收電路裝在同一塊機(jī)盤中。第四十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日454.2.3其他電路

告警電路倒換電路公務(wù)電路電源電路第四十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日46第四章光檢測(cè)與光接收機(jī)4.1半導(dǎo)體光檢測(cè)器件4.2光接收機(jī)4.3光接收機(jī)噪聲分析4.4光接收機(jī)的誤碼率4.5接收機(jī)靈敏度4.6光中繼機(jī)第四十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日474.3光接收機(jī)噪聲分析光接收機(jī)的作用是將接收到的微弱的數(shù)字光信號(hào)通過光電二極管轉(zhuǎn)換為光電流，并經(jīng)放大、整形、判決等信號(hào)處理，完成信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)。一個(gè)性能優(yōu)良的光接收機(jī)應(yīng)具有盡可能高的接收靈敏度。但靈敏度的提高受到了接收機(jī)中存在的噪聲的影響。噪聲的存在將會(huì)降低接收機(jī)的靈敏度。第四十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日484.3.1光接收機(jī)的主要噪聲光接收機(jī)中存在各種噪聲源，根據(jù)噪聲產(chǎn)生的不同機(jī)理，噪聲可分為兩類：散粒噪聲和熱噪聲。接收機(jī)中的噪聲源及其引入部位如圖4-20所示。第四十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日49圖4-20接收機(jī)噪聲及其分布第四十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日50光接收機(jī)的主要噪聲接收機(jī)中的噪聲源及其引入部位如圖4-20所示。其中散粒噪聲包括光檢測(cè)器的量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲和APD倍增噪聲；

熱噪聲主要指負(fù)載電阻產(chǎn)生的熱噪聲；

放大器噪聲（主要是前置放大器噪聲）中，既有熱噪聲，又有散粒噪聲。第五十頁，共七十四頁，2022年，8月28日514.3.2光檢測(cè)器的噪聲分析★

對(duì)于光檢測(cè)器的噪聲，采用的主要方法是從建立噪聲的數(shù)學(xué)模型著手進(jìn)行分析。（此處推導(dǎo)過程不作要求）如果規(guī)定誤碼率指標(biāo)為不超過Pe＝10-9，則最小必須接收的光脈沖能量應(yīng)為（4-26）如果量子效率η＝1，則最小檢測(cè)的光脈沖能量必須等于21hf，也就是說最小必須接收21個(gè)光子，才能保證誤碼率不大于10-9。如發(fā)送端發(fā)出的“1”碼和“0”碼等概率出現(xiàn)（數(shù)目相等）每位碼持續(xù)時(shí)間為T，那么平均檢測(cè)光功率必須至少為（4-27）這就是接收機(jī)靈敏度對(duì)規(guī)定誤碼率Pe＝10-9的基本極限，即所謂量子極限。第五十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日52第四章光檢測(cè)與光接收機(jī)4.1半導(dǎo)體光檢測(cè)器件4.2光接收機(jī)4.3光接收機(jī)噪聲分析4.4光接收機(jī)的誤碼率4.5接收機(jī)靈敏度4.6光中繼機(jī)第五十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日53導(dǎo)入:圖4-20接收機(jī)噪聲及其分布第五十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日544.4光接收機(jī)的誤碼率*光接收機(jī)的誤碼主要由散粒噪聲、倍增噪聲、熱噪聲等綜合的總噪聲引起。誤碼的多少及分布不僅和總噪聲的大小有關(guān)，還與總噪聲的分布有關(guān)。入射光子在PIN內(nèi)產(chǎn)生的電子或在APD內(nèi)產(chǎn)生的一次電子通常服從泊松分布。但經(jīng)過電子倍增(在APD中)，再經(jīng)放大、均衡后，噪聲分布變得很復(fù)雜。所以要精確計(jì)算誤碼率及靈敏度就比較困難。*詳見教材理論分析第五十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日55圖4-30誤碼率和Q值的關(guān)系Q值表示判決點(diǎn)門限值與噪聲電壓（電流）有效值的比值，稱為超擾比，含有信噪比的概念。不同的Q值對(duì)應(yīng)不同的誤碼率值。第五十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日56第四章光檢測(cè)與光接收機(jī)4.1半導(dǎo)體光檢測(cè)器件4.2光接收機(jī)4.3光接收機(jī)噪聲分析4.4光接收機(jī)的誤碼率4.5接收機(jī)靈敏度4.6光中繼機(jī)第五十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日574.5接收機(jī)靈敏度

接收機(jī)靈敏度是光接收機(jī)最主要的性能指標(biāo)之一，可以直觀地衡量接收機(jī)在一定條件下接收微弱信號(hào)的能力。第五十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日584.5.1靈敏度定義和表示方法★光接收機(jī)靈敏度是表征光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，接收微弱光信號(hào)的能力。它可用下列三種物理量表示。在保證達(dá)到所要求的誤碼率（或信噪比）條件下，接收機(jī)所需的：輸入的最小平均光功率PR；每個(gè)光脈沖的最低平均光子數(shù)n0；每個(gè)光脈沖的最低平均能量Ed。第五十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日59三種表示方法之間的關(guān)系★（4-61）式中：T為脈沖碼元時(shí)隙，T=1/fbhf是一個(gè)光子能量PR的單位為W，常用mW。若用dBm來表示靈敏度Sr，則可寫為：（4-62）第五十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日60靈敏度換算示例例如，某接收機(jī)在保證誤碼率Pe=10-9的條件下，所需接收的最小光功率為15.8nW，則靈敏度為：

（4-63）對(duì)于不同的誤碼率要求，接收機(jī)的靈敏度也不同。產(chǎn)生誤碼的主要原因是噪聲。光信號(hào)通過接收機(jī)時(shí)，受到各種噪聲影響，降低接收機(jī)的靈敏度。因此，對(duì)接收機(jī)噪聲的研究分析是光接收機(jī)的主要課題。第六十頁，共七十四頁，2022年，8月28日61接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍★定義:動(dòng)態(tài)范圍表征的是光接收機(jī)適應(yīng)輸入信號(hào)變化的能力，也即光接收機(jī)靈敏度和過載功率之間的差值。即如對(duì)于某接收機(jī)在保證Pe=10-9的條件下，所需接受的最小光功率為15.8nW，而正常工作時(shí)最大接收功率為1μW，則其動(dòng)態(tài)范圍第六十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日62長波長接收機(jī)的典型動(dòng)態(tài)范圍第六十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日634.5.2靈敏度計(jì)算理想接收機(jī)靈敏度所謂理想光纖通信系統(tǒng)，即是假設(shè)系統(tǒng)的頻帶無限寬，系統(tǒng)無噪聲。對(duì)這樣的系統(tǒng)，我們可認(rèn)為，發(fā)送端調(diào)制信號(hào)是矩形脈沖，光脈沖信號(hào)經(jīng)過光纖傳輸?shù)浇邮斩?，?jīng)過光電檢測(cè)器檢測(cè)得到的電信號(hào)還是矩形脈沖。那在這種系統(tǒng)中，接收機(jī)的靈敏度將受到什么限制呢？最大可能的值是多少呢？第六十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日641.理想接收機(jī)靈敏度的計(jì)算根據(jù)（4-64）在誤碼率要求為Pe=10-9時(shí)，即可求出Ed，即為理想光纖通信系統(tǒng)接收靈敏度（4-65）由上式可見，理想光纖通信系統(tǒng)的靈敏度（Pe=10-9時(shí)）為21個(gè)光子的能量?；蛘哂闷骄夤β?下式表示（4-67）由此可知，理想接收機(jī)的靈敏度僅與光信號(hào)速率、光波頻率（或波長）、檢測(cè)器的量子效率η有關(guān)。第六十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日654.工程中靈敏度的計(jì)算在實(shí)際工程應(yīng)用中，接收機(jī)所需的最小接收光功率可按如下近似公式計(jì)算。當(dāng)光電檢測(cè)器為PIN時(shí)：

（W）（4-71）當(dāng)光電檢測(cè)器為APD時(shí)：（W）（4-72）式中fb為系統(tǒng)碼速M(fèi)bit/s，fb0為基準(zhǔn)計(jì)算碼速，fb0=25Mbit/s。第六十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日664.5.3影響靈敏度的因素由上述計(jì)算接收機(jī)最小接收光功率的公式中看出，在一定誤碼率條件下，影響接收機(jī)靈敏度的因素有：碼間干擾、消光比、暗電流、量子效率、光波波