第四章 光接收機

第四章光接收機第1頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-1概述；§4-2半導(dǎo)體光電檢測器；§4-3光接收機的前端及噪聲；§4-4光接收機的靈敏度；§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)；本章思考題。第四章的主要內(nèi)容第2頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-1概述

光接收機的作用：探測經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減、波形被展寬的微弱光信號，并進行放大、再生，恢復(fù)原始信號。

光接收機的主要性能指標(biāo)：靈敏度和動態(tài)范圍，其中最主要的是靈敏度，光檢測器是光接收機的核心部件

；接收機理論中，中心問題就是如何降低輸入端的噪聲、提高接收靈敏度。處理電路電信號放大第3頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-1概述一、光纖通信對光電檢測器的要求1.波長響應(yīng)應(yīng)在光纖通信窗口，即對一定的光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；2.響應(yīng)度要高，光電轉(zhuǎn)換效率要高，輸出電流大；3.噪聲要盡可能低，能接收極微弱的光信號；4.響應(yīng)速度要快，常用對光脈沖的響應(yīng)的上升或下降沿表示，反應(yīng)了光信號的反應(yīng)能力；5.性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，功耗和體積小；6.對工作溫度的變化不敏感；7.具有良好的線性，保證光電轉(zhuǎn)換過程不失真。

第4頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-1概述二、數(shù)字光接收機的主要組成

數(shù)字光接收機可以分為圖中的8個部分，或者分為三大塊。1.光檢測器完成光電轉(zhuǎn)換，然后送入前置放大器，但是光電流非常小，在nA~μA量級。η↑，N↓，τ↓前端線性通道判決再生（數(shù)據(jù)恢復(fù)）第5頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-1概述

2.前置放大器低噪聲放大器，改善信噪比，其噪聲對整個放大器的輸出噪聲影響很大，影響光接收機的靈敏度。輸出毫伏級的電壓。3.主放大器把前端輸出的信號放大到后繼電路需要的電平，即保證增益/提供足夠的增益。第6頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-1概述

4.均衡濾波減小噪聲，克服、消除放大器及其他部件(光纖)引起的信號波形失真，使噪聲及碼間干擾降到最低，對失真的信號進行補償，使輸出信號波形供正確判決。5.判決器設(shè)置判決電平，使放大器送過來的輸入信號與判決門限電平比較。判決時刻，被判碼元的瞬時值最大，而相鄰碼元在此時刻的瞬時值為0。第7頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-1概述

6.譯碼器如果發(fā)射端進行線路編碼、擾碼，在接收端需要有相應(yīng)的譯碼/解擾電路。7.AGC電路通過AGC電路實現(xiàn)自動增益控制，使輸出信號在一定范圍內(nèi)不受輸入信號變化的影響，保證主放大器的動態(tài)范圍。8.時鐘提取/時鐘恢復(fù)同步脈沖提取，以供在準(zhǔn)確時刻抽樣判決。第8頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器

光電檢測器是光纖通信系統(tǒng)中接收端機中的第一個部件，由光纖傳輸來的光信號通過它轉(zhuǎn)換為電信號。它是利用材料的光電效應(yīng)實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。目前在光纖通信系統(tǒng)中，常用的半導(dǎo)體光電檢測器有兩種，一種是PIN光電二極管，另一種是APD（雪崩）光電二極管。第9頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5第10頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器一、光電二極管的工作原理光電二極管對應(yīng)受激吸收。在反向偏壓作用下半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)。

光電檢測器是外加反向偏壓的PN結(jié)，當(dāng)入射光作用時，若光子能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價帶的電子吸收光子的能量，從價帶越過禁帶到達導(dǎo)帶，發(fā)生受激吸收產(chǎn)生光生電子-空穴對（光生載流子），在導(dǎo)帶中出現(xiàn)光電子，在價帶中出現(xiàn)光空穴，這些電子-空穴對在耗盡層內(nèi)建電場作用下形成漂移電流，同時在耗盡層兩側(cè)部分電子-空穴對由于擴散運動進入耗盡層，在電場作用下形成擴散電流，這兩部分電流之和為光生電流。

第11頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器第12頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器二、光電二極管的波長響應(yīng)由光電效應(yīng)可知，當(dāng)入射光子能量hυ小于禁帶寬度Eg時，不論入射光有多強，光電效應(yīng)也不會發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足條件hυ≥Eg，即光頻υc＜Eg/υ的入射光不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，對應(yīng)的波長為λc=hc/Eg=1.24/Eg。即只有波長λ＜λc

的入射光，才能使這種材料產(chǎn)生光生載流子，故λc

為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長，又稱為截止波長，相應(yīng)的υc稱為截止頻率。第13頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器

光電二極管除了截止波長外，當(dāng)入射光波長太短時，光電轉(zhuǎn)換效率會大大下降。經(jīng)過x距離后光信號被吸收的光功率為入射光波長很短時，材料的吸收系數(shù)很大，結(jié)果使大量的入射光子在光電二極管的表面層就被吸收。半導(dǎo)體光電二極管的響應(yīng)波長：λmin<λ<λmax。Si光電二極管：0.5~1.0μm；Ge和InGaAs光電二極管：1.1~1.6μm；InGaAsP：0.8~1.6μm。第14頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器三、PIN光電二極管

PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、N型半導(dǎo)體之間加一層摻雜濃度非常低或不摻雜的N型本征半導(dǎo)體材料，稱為I（Intrinsic，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴散后形成一個很寬的耗盡層。第15頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器

此動畫為PIN光電二極管工作原理動畫。第16頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器1.PIN光電二極管工作原理

入射光從P側(cè)進入（P區(qū)非常薄，對入射光幾乎是透明的），在耗盡區(qū)光吸收產(chǎn)生的光生電子-空穴對在內(nèi)建電場作用下分別向左右兩側(cè)運動，形成光生電流。2.PIN光電二極管的特性參數(shù)（1）光電轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)度第17頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器入射功率為Pin時，光生電流可以表示為所以，光電轉(zhuǎn)換效率又可寫成也可直接用響應(yīng)度表示光電轉(zhuǎn)換效率那么，如何才能得到高量子效率呢？第18頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器得到高量子效率應(yīng)可以采取的措施：減小入射面的反射率；盡量減小光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)充分地被吸收。問題解決了嗎？為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區(qū)的寬度，使其可以吸收大部分的光子。但是，耗盡區(qū)越寬，光生載流子漂移渡越反向偏置結(jié)的時間就越長。由于載流子的漂移時間又決定了光電二極管的響應(yīng)速度/響應(yīng)時間，所以必須在響應(yīng)速度和量子效率之間采取折衷。第19頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器例1：一個PIN光電二極管，它的P接觸層厚1um。假設(shè)僅僅在耗盡區(qū)中（I層）吸收的光子才能有效地轉(zhuǎn)換成光電流。當(dāng)波長為0.9um時，α=5×104m-1，忽略反射損耗，求：①該光電二極管可以得到的最大量子效率？②為使量子效率達到80%，耗盡區(qū)厚度最小應(yīng)為多少？解：①②第20頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器（2）響應(yīng)速度/響應(yīng)時間響應(yīng)速度：半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號變化快慢的狀態(tài)，是光電二極管的另一重要參數(shù)，用響應(yīng)時間或響應(yīng)帶寬表示。定義：響應(yīng)時間是光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后延由90%下降到10%，分別用脈沖上升時間τr和脈沖下降時間τf表示。擴散引起拖尾10%高度90%高度第21頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器

如果脈沖上升時間τr和脈沖下降時間τf相同，則前后沿相同，光電二極管具有單一的時間常數(shù)τ0，且接近指數(shù)函數(shù)exp(t/τ0)或exp(-t/τ0)，所以有

如果從頻域角度看，響應(yīng)時間即意味這個器件的帶寬，響應(yīng)時間短，則帶寬寬。響應(yīng)帶寬定義：探測器帶寬通常定義為輸出信號下降到功率的3dB處的頻率。簡單的估算法：第22頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器

實際上，τr≠τf。影響響應(yīng)速度的因素有：光電二極管和它的負載電阻的RC時間常數(shù)，結(jié)電容與耗盡區(qū)的寬度w及結(jié)區(qū)面積A有關(guān)Cj越小越好。載流子在耗盡區(qū)里的渡越時間τd

涉及到時間和效率的問題，τd作為上升時間的一部分，是因為吸收光子后形成電流尚需一段時間。此時第23頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器

為減小τr

，可以減小耗盡層寬度，然而耗盡層的寬度過小將導(dǎo)致量子效率下降。因此，光電探測器的帶寬和響應(yīng)度/量子效率之間需要折中考慮，決定的帶寬實際情況是，工作速率不是很高，在1Gb/s左右或以下的τr和τRC的典型值都是100ps。耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子由于擴散而產(chǎn)生的時間延遲。第24頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器（3）暗電流理想條件下，當(dāng)沒有光照射時，光電檢測器應(yīng)無光電流輸出。但是實際上由于熱激勵、宇宙射線或放射性物質(zhì)的激勵，在無光情況下，光電檢測器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。嚴格地說，暗電流還應(yīng)包括器件表面的漏電流。暗電流是PIN光電二極管附加噪聲的主要來源，影響光接收機的靈敏度，所以暗電流越小越好，但是由于PIN光電二極管本身沒有光放大作用，加上其暗電流甚小，本身產(chǎn)生的附加噪聲很低，所以對光接收機靈敏度產(chǎn)生的影響并不顯著。第25頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器（4）噪聲噪聲是光電二極管很重要的參數(shù)，直接影響光接收機的靈敏度。噪聲包括由信號電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲（shotnoise），以及由負載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。噪聲的表示方法：噪聲通常用均方噪聲電流（在1Ω負載上消耗的噪聲功率）來描述?！β试肼暤刃Чβ蔔EP：是指產(chǎn)生等于探測器或接收機均方根噪聲的電流所需的輸入功率。定義為SNR=1時，每單位帶寬的最小光功率，并由NEP=Pin/(△f)1/2表示。第26頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器NEP是產(chǎn)生探測器平均噪聲所需的光功率，即直接將噪聲與光功率進行比較，衡量了可探測到的最小信號功率。均方散粒噪聲電流：入射光功率產(chǎn)生的光電二極管電流為

I(t)=Ip+is(t)其中，is(t)是散粒噪聲的電流起伏，與之有關(guān)的均方散粒噪聲電流為

<is2(t)>=2eIpB，B是放大器的帶寬當(dāng)暗電流Id的存在不可忽略時，均方散粒噪聲電流為

<is2(t)>=2e(Ip+Id)B第27頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器其中，2eIpB稱為量子噪聲，是由于入射光子所形成的電子-空穴對都具有離散性和隨機性而產(chǎn)生的。只要有光信號輸入就有量子噪聲。這是一種不可克服的本征噪聲，它決定了光接收機靈敏度的極限。2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲，暗電流與光電二極管的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，Si光電二極管的Id<1nA，而Ge光電二極管的Id約為100nA~幾百nA。第28頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器均方熱噪聲電流：

<iT2(t)>=4kTB/R，R是負載電阻與放大器輸入電阻的并聯(lián)（=RL∥Ri）。因此，光電二極管的總均方噪聲電流為：

<i2>=2e(Ip+Id)B+4kTB/R3.PIN光電二極管的特點優(yōu)點：噪聲小、工作電壓低（僅十幾伏）、工作壽命長，使用方便和價格便宜。缺點：沒有倍增效應(yīng)。即在同樣大小入射光的作用下僅產(chǎn)生較小的光電流，所以用它做成的光接收機的靈敏度不高；PIN光電二極管只能用于較短距離的光纖通信（小容量與大容量皆可）。第29頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器四、雪崩光電二極管(APD:avalanchephotodiode)1.工作原理

APD的工作原理也是基于光電效應(yīng)，但是PIN光電二極管的1個光子只產(chǎn)生一對電子-空穴對，無增益；APD利用電離碰撞，1個光子產(chǎn)生多對電子-空穴對，有增益，因此，APD不但具有光/電轉(zhuǎn)換作用，而且具有內(nèi)部放大作用，其內(nèi)部放大作用是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)而完成的。入射光—一對電子-空穴對(一次光生電流)—與晶格碰撞電離，產(chǎn)生雪崩增益多對電子-空穴對(二次光生電流）吸收外電場加速第30頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器

實際上，APD可看成一個二級器件：第一級是一個PIN光電二極管，光在其中產(chǎn)生一次光生載流子；第二級是一個基于雪崩增益的內(nèi)置放大級，在高電場作用下，載流子近似雪崩（幾十~200伏的偏置電壓）。第一級：耗盡層仍為I層，起產(chǎn)生一次電子－空穴對的作用。第二級：增加了一個附加層：高電場區(qū)(增益區(qū))，以實現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生二次電子－空穴對。N+PπP+電場E高電場區(qū)耗盡區(qū)+-雪崩區(qū)雪崩電離需要的最小電場第31頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器

此動畫為APD的場分布動畫：和PIN光電二極管相比，其存在一個雪崩電離的高電場區(qū)。第32頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器

此動畫為APD的場分布動畫：由于高電場區(qū)的雪崩電離，外電路形成倍增的光生電流。第33頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器2.APD的特性參數(shù)

除了PIN的特性參數(shù)必須考慮外，還必須考慮:（1）倍增因子雪崩增益的整個過程都是隨機的，倍增因子G是個平均量。

平均雪崩增益倍增因子：G=IM/Ip其中，Ip是雪崩之前的初始光生電流，IM是雪崩增益后輸出的平均光生電流。

APD的倍增因子G在40～100之間。PIN光電管因無雪崩倍增作用，所以G=1。

第34頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器倍增因子與反向偏壓的關(guān)系：式中，Rs是APD串聯(lián)電阻或APD的體電阻；n是材料的結(jié)構(gòu)系數(shù)，一般為3~6。對應(yīng)地，APD響應(yīng)度有GVVB(擊穿電壓)第35頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器（2）過剩噪聲/附加噪聲

PIN光電二極管的噪聲主要是量子噪聲和暗電流噪聲，APD管還有過剩噪聲。雪崩過程的復(fù)雜隨機性對噪聲電流同樣也起放大作用（每個光生載流子不會經(jīng)歷相同的倍增過程，具有隨機性，這將導(dǎo)致倍增增益的波動），使得總噪聲增加，這種隨機性的電流起伏將帶來附加噪聲，一般稱為過剩噪聲/附加噪聲。過剩噪聲可以用過剩噪聲系數(shù)F(G)來描述。第36頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器APD過剩噪聲系數(shù)的定義：其中，符號“<>”表示平均值，g是每個載流子產(chǎn)生倍增的隨機倍增數(shù)，因此<g>=G；<g2>是均方值，表示的是功率，所以噪聲功率<g2>=F(G)·G2。

G有一個最佳值，此時信噪比最高。在工程上，為簡化計算，常用過剩噪聲指數(shù)x表示過剩噪聲系數(shù)第37頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器對于Si光電二極管：x=0.3~0.5；

Ge光電二極管：x=0.8~1.0；

InGaAs的APD：x=0.5~0.7。第38頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測器例2：已知Si-PIN光電二極管的耗盡區(qū)寬度為40um，InGaAs-PIN光電二極管的耗盡區(qū)寬度為4um，兩者的光生載流子漂移速度為105m/s，結(jié)電容為1pF，負載電阻為100Ω。求：這兩種光電二極管的帶寬各是多少？解：第39頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機的前端及噪聲光接收機的前端：光檢測器+前置放大器前置放大器：

低噪聲放大器，是為了改善信噪比而設(shè)計，其噪聲對整個放大器的輸出噪聲影響很大，直接關(guān)系到光接收機的靈敏度。光接收機不是對任何微弱光信號都能正確接收的，這是因為信號在檢測和放大的過程中總會受到一些干擾，不可避免地引進一些噪聲。第40頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機的前端及噪聲引進的噪聲可以分為兩部分：一部分是來自空間的無線電波以及周圍的電器設(shè)備的電磁干擾，這部分可以通過屏蔽等方法加以減弱或防止；另外一部分噪聲是隨機的，在信號檢測和放大過程中引進，對于這部分噪聲只能通過電路設(shè)計和制造工藝盡可能地減小。由于噪聲的存在，限制了光接收機接收微弱信號的能力，雖然放大器的增益可以做的足夠大，但微弱信號被放大的同時，噪聲也被放大。――→前置放大器第41頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機的前端及噪聲一、輸入端噪聲等效模型1.輸入端等效電路前置放大器：分解為理想放大器A和等效到輸入端的噪聲源(等效噪聲電流源ia和等效噪聲電壓源ea)。isiTiaipCaCbCjRbRaA檢測電路偏置電路放大電路eaPD的噪聲(散粒噪聲)電阻熱噪聲放大器等效到輸入端的噪聲第42頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機的前端及噪聲輸入端等效電路的簡單說明：Rb：等于RL∥Rb’；Cb：偏置電路的雜散電容；Ra：放大器的輸入電阻；Ca：放大器的輸入電容。電路中的噪聲：光檢測器等效為電流源ip和并聯(lián)的散粒噪聲電流源is(t)；帶有熱噪聲的電阻等效為一個無噪聲的電阻和一個并聯(lián)的噪聲電流源iT(t)；放大器有源器件（三極管或場效應(yīng)管）也會引起噪聲。將有源器件的各種噪聲都等效到輸入端，等效為輸入端并聯(lián)的噪聲電流源ia(t)以及輸入端串聯(lián)的噪聲電壓源ea(t)。第43頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機的前端及噪聲所以，光接收機前端的噪聲源有：散粒噪聲is(t)；熱噪聲iT(t)；放大器的噪聲ia(t)和ea(t)。二、光接收機的噪聲與信噪比噪聲是光電二極管的重要參數(shù)，直接影響光接收機的靈敏度。1.光接收機的噪聲（1）散粒噪聲is(t)均方散粒噪聲電流：第44頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機的前端及噪聲所以，當(dāng)暗電流Id的存在不可忽略時，（2）熱噪聲iT(t)熱噪聲也是用均方噪聲電流（即功率）表示：第45頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機的前端及噪聲（3）放大器的熱噪聲放大器的熱噪聲用放大器噪聲指數(shù)Fn表示：因此，前端的總噪聲為2.光接收機的信噪比

電功率與電流的平方成正比。第46頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機的前端及噪聲（1）對PIN光電二極管當(dāng)光功率很小時，光接收機是熱噪聲限制光接收機噪聲主要是熱噪聲σT，σs2<<σT

2，此時有第47頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機的前端及噪聲（2）對APD光電二極管當(dāng)光功率很小時，光接收機是熱噪聲限制光接收機噪聲主要是熱噪聲σT，σs2<<σT

2，此時有(APD)當(dāng)功率比較大時，光接收機是散粒噪聲限制接收機，噪聲主要是σs，σs2>>σT

2

。(PIN)第48頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機的前端及噪聲三、前置放大器的設(shè)計問題前置放大器是典型的小信號放大器。由前端噪聲與SNR的分析可知，輸入端的電阻越大，SNR越好，但輸入電阻的加大勢必造成輸入端RC時間常數(shù)加大，3dB帶寬減小。前置放大器主要的三種類型：1.低阻型前置放大器這種前置放大器從頻帶角度出發(fā)，選擇偏置電阻。

3dB帶寬=1/(2πRC)通過減小偏置電阻設(shè)計前置放大器，從而保證接收機的帶寬。第49頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機的前端及噪聲優(yōu)點：帶寬大，電路簡單，不需要或只需要很少的均衡，動態(tài)范圍較大；缺點：靈敏度低，噪聲較高，SNR較低。低阻型前置放大器在高碼速光通信中用得多，低碼速中一般不采用，而是采用高阻型前置放大器。低阻抗前端第50頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機的前端及噪聲2.高阻型前置放大器這種前置放大器的設(shè)計思想是盡量加大偏置電阻，盡可能提高信噪比。通過增加偏置電阻設(shè)計前置放大器，從而保證接收機的信噪比。SNR雖很好，但是帶寬較小，只適用于低速率通信系統(tǒng)中。優(yōu)點：噪聲較低；缺點：動態(tài)范圍小、高頻分量損失太大,對均衡電路提出很高要求。高阻抗前端第51頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機的前端及噪聲3.跨阻型前置放大器這種前置放大器的設(shè)計宗旨是光接收機具有好的信噪比和足夠的帶寬。它實際上是電壓并聯(lián)負反饋放大器(電流電壓轉(zhuǎn)換器)。

3dB帶寬=1/(2πRiCt)，Ct是輸入端的總電容；Ri是跨阻型前置放大器等效到輸入端的電阻?？缱杩骨岸薘b第52頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機的前端及噪聲式中，A是放大器的增益，也就是說跨阻型的輸入電阻很小，Δf很寬?？缱栊偷腞b(有時也可以忽略，直接用反饋電阻做偏置)和負反饋電阻Rf都取得很大，從而使熱噪聲大大減小，提高信噪比。優(yōu)點：寬頻帶(等效輸入電阻很小)、低噪聲(高SNR)、靈敏度高、動態(tài)范圍大等綜合優(yōu)點，被廣泛采用。第53頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機的前端及噪聲

因此，跨阻型前置放大器具有高阻放大器的低噪聲，又具有低阻放大器的寬帶寬Δf

?？缱栊颓爸梅糯笃鞯脑O(shè)計問題：

跨阻型前置放大器適合高碼速通信系統(tǒng)（從數(shù)Gb/s到幾十Gb/s的高速系統(tǒng)），其設(shè)計問題是反饋環(huán)路的穩(wěn)定性。第54頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機的靈敏度

靈敏度是光接收機最重要的性能參數(shù)！靈敏度的概念和誤碼率聯(lián)系在一起。（判決電路）

信號再生：（判決電路）

判決是通過時鐘信號的上升沿在最佳時刻對接收的數(shù)字信號進行采樣，然后將取樣值與判決閾值進行比較，若取樣幅度大于判決閾值，則判為“1”，反之判為“0”，從而使信號得到再生。一、靈敏度的定義在限定的誤碼率條件下（在保證達到給定的誤碼率條件下），光接收機所需要輸入的最小平均光功率<P>min，單位是W或dBm（分貝毫瓦），Pr=10lg(<P>min/1mW)。第55頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機的靈敏度二、誤碼率BER(biterrorrate)

為什么會產(chǎn)生誤碼？如果有噪聲，則可能導(dǎo)致對碼元“1”或“0”的誤判，要確定誤碼率BER，那么必須知道噪聲的概率分布。

SNR決定BER。噪聲的概率分布很復(fù)雜，一般假設(shè)噪聲電流/噪聲電壓瞬時值服從高斯分布(近似計算)，其概率密度函數(shù)為式中，x是噪聲隨機變量的取值，平均值為0；σ2是均方差。第56頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機的靈敏度

為什么會要采用高斯近似計算？

利用數(shù)值計算技術(shù)求得誤碼率的方法非常費時，而且不能對光接收機的設(shè)計提供多少幫助。所以，為了簡化計算，一般均將概率密度函數(shù)近似成高斯函數(shù)來進行相應(yīng)的分析。

光接收機靈敏度的精確計算：

從光電檢測過程實際的概率密度函數(shù)出發(fā)，通過放大器和光電檢測器概率密度函數(shù)的卷積計算求出總噪聲的概率密度函數(shù)，進而計算接收機的靈敏度。第57頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機的靈敏度IID“0”碼t“1”碼I1I0P(0→1)P(1→0)P/概率密度圖中的I1：“1”碼的電流；

ID：判決閾值的電流（類似比較器）；

I0：“0”碼的電流。第58頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機的靈敏度

如果忽略暗電流的影響，“0”碼時平均噪聲功率為σ02，當(dāng)I0超過ID時有可能發(fā)生碼元誤判，此時把“0”碼判為“1”碼的概率為

“1”碼時平均噪聲功率為σ12，噪聲電流為(I-I1)，當(dāng)(I-I1)<(ID-I1)時，把“1”碼判為“0”碼的概率為第59頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機的靈敏度

“0”碼和“1”碼的誤碼率BER一般是不相等的，但對于PCM編碼而言，“1”碼出現(xiàn)的概率P(1)等于“0”碼出現(xiàn)的概率P(0)，總BER=[P(0→1)+P(0→1)]/2，通常認為P(0→1)=P(0→1)時可以使BER達到最小，總的誤碼率可以表示為（Q值和BER的關(guān)系）

第60頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機的靈敏度式中，要使誤碼率達到最小，則要求P(0→1)=P(0→1)，使Q=ID/σ0=(I1-ID)/σ1；或者Q=I1/(σ0+σ1)。

Q參數(shù)，含有信噪比SNR的信息，知道系統(tǒng)的Q參數(shù)，就可求出其誤碼率。Q參數(shù)被廣泛用來說明接收機的特性;Q=6，BER=10-9，Q>7，BER<10-12通常：2.5Gb/s系統(tǒng)的接收靈敏度對應(yīng)于BER=10-9；10Gb/s系統(tǒng)的接收靈敏度對應(yīng)于BER=10-10。第61頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機的靈敏度接收機靈敏度-70-20-30-40-40-50-6010-1100101比特率(dBm)(Gb/s)量子極限通?？梢赃_到的值1.3mm1.5mm第62頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機的靈敏度三、靈敏度靈敏度表示光接收機調(diào)整到最佳狀態(tài)時，能夠接收微弱光信號的能力。Pr↑，則光接收機能夠接收更微弱的光信號。1.理想光接收機的靈敏度

理想光接收機：暗電流為0，放大器沒有噪聲，系統(tǒng)可以檢測出單個光子形成的電子-空穴對所產(chǎn)生的光電流。理想光接收機的靈敏度只受到光檢測器量子噪聲（本征噪聲）的限制。第63頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機的靈敏度2.實際光接收機的靈敏度（高斯近似計算）假設(shè)EXT=0，“0”碼時，入射信號光功率P0=0，輸出光電流I0=0；“1”碼時，入射信號的光功率P1和光電流Ip的關(guān)系為式中，<P>in=(P1+P0)/2。放大器輸出端“1”碼的電流I1=Ip·A，A是放大器的增益，所以根據(jù)Q參數(shù)有第64頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機的靈敏度

因此，對于一給定Q值，便可得到限定誤碼率的最小平均接收光功率：對于PIN-PD，σs2<<σT2，σs2可忽略，此時∴Δf↑，碼速越高，靈敏度越低。第65頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機的靈敏度3.靈敏度下降機理以上對于靈敏度的分析，只考慮了接收機噪聲的情況，并且假定是理想的接收，即“1”碼為恒定能量的光脈沖，“0”碼的能量為零。但實際上，光發(fā)射機發(fā)射的光信號偏離理想情況，可能導(dǎo)致最小接收平均光功率的增加，這種增加稱為“功率代價”。（1）發(fā)射“0”碼時接收光功率不為零引入的功率代價假定發(fā)射“0”碼時，接收光功率P0=0，所以對于理想情況有

消光比：EXT=P0/P1=0第66頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機的靈敏度

實際上，P0取決于偏置電流Ib和閾值電流Ith（假設(shè)Ib<Ith

，則P0<<P1），P0≠0，所以引起功率代價。對于光接收機，功率代價為實際情況，通常PIN-PD的EXT<0.05，功率代價小于0.4dB，可以忽略；但是對于APD，功率代價是PIN-PD的3倍，不能忽略。第67頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機的靈敏度（2）激光器強度噪聲引入的功率代價噪聲分析中，假定入射到接收機的光功率代價沒有波動，實際上，任何光發(fā)射機均有功率波動，光接收機把這種功率的波動轉(zhuǎn)換成電流的起伏，這就是強度噪聲，其值為引起的功率代價：對于數(shù)字光接收機，通常γI<0.01，δI<0.02dB，可忽略；但是對于模擬光纖系統(tǒng)，γI是一個限制因素。第68頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機的靈敏度（3）光源、光纖系統(tǒng)噪聲引起的功率代價模式噪聲（多模光纖系統(tǒng)）、色散引起脈沖展寬、LD的頻率啁啾、反射噪聲都將引起功率代價。（4）時鐘抖動引起的功率代價靈敏度的計算是假定在電壓脈沖峰值對信號取樣，時鐘的抖動會使取樣偏離最佳時間，增加誤碼率，引入功率代價。第69頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機的靈敏度（5）輸入和輸出信號波形的影響

在光纖通信系統(tǒng)中，光接收機接收到的光信號波形是被光纖線路展寬了的信號波形，這種波形將會存在碼間干擾。為了減少碼間干擾的影響，必須對接收的信號波形進行濾波均衡，變成沒有碼間干擾的信號波形(實際中多采用升余弦波)。第70頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)一、線性通道提供足夠增益的主放，同時保證光接收機的動態(tài)范圍；均衡濾波器，減小噪聲，降低碼間干擾。1.主放大器：高增益放大器和AGC

作用：（1）提供足夠的增益A；（2）保證動態(tài)范圍的AGC電路。（1）主放大器的增益A

放大器輸出端“1”碼的電流I1=Ip·A第71頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)（2）動態(tài)范圍

光接收機能適應(yīng)輸入信號在一定范圍內(nèi)變化的能力稱為光接收機的動態(tài)范圍。為什么要設(shè)計AGC來滿足光接收機的動態(tài)范圍？中繼距離較短時，光接收機的輸入功率會增加；新建線路，新器件和系統(tǒng)設(shè)計時考慮了富余量，這也將使光接收機的輸入功率增加；其他原因?qū)е碌墓饨邮諜C輸入功率的增加。第72頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)①動態(tài)范圍的定義

在限定誤碼率的條件下，光接收機所能承受的最大信號平均接收光功率<P>max和所需要最小信號平均接收光功率<P>min的比值，表示為對于我國，動態(tài)范圍要求DR≥18dB，設(shè)計時動態(tài)范圍的考慮：第73頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)式中，LP—光源可能超過設(shè)計要求的光功率，一般在1~2dB；

Mc—光纖線路每公里的富余度，它應(yīng)考慮在線路的設(shè)計壽命時間內(nèi)，因維修增加接頭的損耗、因環(huán)境條件變化增加的損耗、以及因連接器增加的損耗，一般在0.02~0.4dB/km取值;lmax—光纖線路最大的中繼距離；

ME—設(shè)備的富余度，它應(yīng)考慮在設(shè)計壽命時間內(nèi)接收機靈敏度降低和光源發(fā)送光功率的減小等因素的影響，一般在3~6dB。

第74頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)②動態(tài)范圍的實現(xiàn)：AGCPIN-PD光接收機，PD無倍增，AGC只控制主放大器的放大倍數(shù)，電路實現(xiàn)較簡單。APD光接收機，AGC通過對APD倍增因子（即控制APD的偏壓）和主放大器增益的控制來擴大光接收機的動態(tài)范圍。第75頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)APD光接收機模塊電路：

峰值檢波輸出的直流信號送到AGC放大器進行比較放大產(chǎn)生一個AGC電壓，該電壓控制APD的反向偏置電壓和主放的工作點（目的是控制主放的增益），從而使均衡器輸出幅度是穩(wěn)定的升余弦波。主放前放均衡濾波判決器AGC運放高壓偏置電路峰值檢波時鐘APDRb參考第76頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)

高壓偏置電路實際上是一個直流變壓器，將AGC輸出的直流電壓變換成100~200V的直流高壓，供APD做直流偏壓，直流變壓器的輸出電壓可調(diào)節(jié)，從而控制APD增益的目的。主放前放均衡濾波判決器AGC運放高壓偏置電路峰值檢波時鐘APDRb參考第77頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5

實際設(shè)備中，可采用分級控制的方法。當(dāng)輸入光功率增加時，先控制APD的倍增因子，使放大器的放大倍數(shù)保持不變，當(dāng)倍增因子降低到最小時，使之保持最小值，而后對主放的放大倍數(shù)進行控制，最終使之適合正確判決。APD的G的最小值一般不低于3。主放前放均衡濾波判決器AGC運放高壓偏置電路峰值檢波時鐘APDRb參考§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)第78頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5

在某些特殊的情況下，如果光接收機的輸入信號超過它的動態(tài)范圍時，此時AGC不能解決問題，必須在通信線路中加光衰減器才能使系統(tǒng)正常工作。主放前放均衡濾波判決器AGC運放高壓偏置電路峰值檢波時鐘APDRb參考§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)第79頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)2.均衡濾波

低通濾波器，減小噪聲、降低碼間干擾。通信系統(tǒng)是頻率受限系統(tǒng)（即帶寬不是無窮的），它的時域響應(yīng)將是無限的，也就是說它的輸出波形在時域上有很長的拖尾，使前后碼元在波形上互相重疊而產(chǎn)生碼間干擾，影響接收機的靈敏度。光纖通信中，輸出波形常常被均衡成升余弦頻譜（相頻特性為線性）。均衡低通濾波器的作用就是將主放輸出的失真數(shù)字脈沖進行整形，使之均衡成有利于判決的升余弦頻譜函數(shù)特性的波形，做到判決時無碼間干擾/碼間干擾最小。第80頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)(1)升余弦頻譜函數(shù)

式中，濾波器帶寬f=w/2π，取值為0.6~0.8B，B是比特率。對頻譜函數(shù)進行傅里葉變換，得到時域上的信號：第81頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)均衡器后的輸出波形(當(dāng)t=m/B時，hout(t)=0)：

hout(t)的時域圖對應(yīng)著判決電路接收到的電壓脈沖Vout(t)形狀。在t=0時刻，信號最大，在t=m/B（m為整數(shù)）時，hout(t)=0。t=m/B對應(yīng)相鄰碼元的判決時刻，此時電壓脈沖不會對其他碼元造成干擾。因此，雖不能消除碼間干擾及相互影響，但可以做到不管輸入波形如何變化，只要經(jīng)過均衡濾波器后，在某些特定點上干擾為零，故可用于正確判決。hout(t)t01/B2/B3/B-1/B-2/B-3/B第82頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)未經(jīng)均衡濾波器出現(xiàn)的脈沖拖尾現(xiàn)象：圖中，TB=1/B。

hout(t)第83頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)單個脈沖均衡前后波形的比較：所以，如果信號具有升余弦頻譜，碼間干擾最小，理論上可達到零。故對主放輸出的信號進行變換，→升余弦頻譜。

第84頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)

對于均衡濾波器，設(shè)計時須考慮線性通道的傳遞函數(shù)HT(f)：Hout(f)和Hin(f)分別是與輸出和輸入脈沖形狀有關(guān)的傅立葉變換標(biāo)準(zhǔn)頻譜函數(shù)。

均衡電路的設(shè)計，原則上是一個均衡網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，實際工程中很少完全按理論上設(shè)計，通常是選取一個特性近似的網(wǎng)絡(luò)代替，再通過實驗的方法進行調(diào)整。第85頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)二、數(shù)據(jù)恢復(fù)（將均衡器輸出的信號恢復(fù)成理想的數(shù)字信號）

—帶選通的比較器，與判決門限電平進行比較

選通時刻由同步脈沖提取。鎖相電路聲表面波濾波器A信號參考時鐘提?。号袥Q器：第86頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)

數(shù)據(jù)恢復(fù)的結(jié)果在實驗室里觀察最簡單、最直觀的方法是眼圖分析法。（觀察碼間干擾）一、獲得眼圖的方法

將均衡濾波器輸出的隨機脈沖序列輸入到示波器的y軸，用時鐘信號作為外觸發(fā)信號，使與其碼元周期同步，示波器上將顯示隨機信號在反復(fù)掃描過程中疊加在一起的綜合、像人眼的圖形，即眼圖。第87頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)1.眼圖的形成閾值1電平0電平第88頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)眼圖測量是判斷數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中有無碼間干擾、接收機性能好壞的最直觀最簡單的方法，誤碼率是最終結(jié)果，眼圖可用于分析形成誤碼的原因；如果接收的信號沒有碼間干擾及波形畸變，各段波形完全重合，恰似張開的眼睛，示波器既細又清晰；如果碼間有干擾、波形畸變和噪聲時，掃描示波線不能完全重合，眼圖線跡將變得既不細又不清晰，眼圖睜開也將減小。第89頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)2.顯示基本測量參數(shù)的眼圖的一般結(jié)構(gòu)第90頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)二、眼圖分析法模型化眼圖過門限失真：信號剛過門限電平時產(chǎn)生的抖動失真；峰值干擾：采樣時刻的失真（噪聲）；t2：可進行信號采樣的時間。最佳判決時刻第91頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)眼圖分析的結(jié)果：1.眼睛睜開最大處為最佳判決時刻；2.眼睛睜開度（垂直張開度）表征噪聲容限：E┷=V1/V2，表示系統(tǒng)抵抗噪聲的能力，也稱為SNR邊際；3.眼睛展開度（水平張開度）減小表征過門限失真量的大?。篍//=t1/t2，E//減小表示時鐘抖動增加；4.眼皮厚度體現(xiàn)噪聲大小及碼間干擾；5.眼圖斜率：體現(xiàn)系統(tǒng)對定時誤差的敏感性，斜率愈大愈敏感；6.非線性傳輸特性會產(chǎn)生眼圖的不對稱性。第92頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)

眼圖的張開度受噪聲和碼間干擾的影響。當(dāng)輸出端SNR很大時，張開度主要受碼間干擾的影響，因此，觀測眼圖的張開度就可以估計碼間干擾的大小，這給均衡濾波電路的調(diào)整提供了簡單而適用的觀測手段。背對背傳輸80km典型的10Gb/s光發(fā)射及傳輸后的眼圖第93頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5電子載流子（UTC）光接收機2信道雙PD芯片(4PD陣列)平衡接收模塊電子載流子（UTC）光電探測器，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信道平衡接收模塊第94頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5

陣列波導(dǎo)光柵(AWG)PIC多信道光接收機單片集成了AWG路由（WGR）波長解復(fù)用器和陣列PIN光電探測器并且在PIN之后又集成了異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）作為前置放大器

第95頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5

平面波導(dǎo)集成電路（PIC）

多信道光接收機