光探測及光接收機

光探測及光接收機第一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日光發(fā)射機發(fā)射的光信號經(jīng)光纖傳輸損耗：信號幅度衰減色散：信號波形展寬光接收機作用檢測微弱光信號、放大、整形、還原成為輸入信號器件光電檢測器：利用光電效應把光信號轉變?yōu)殡娦盘柟怆姸O管：PIN管，雪崩二極管APD基本要求靈敏度高、響應快、成本低、可靠性高、耦合性能好第二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日5.1數(shù)字光接收機

強度調制的數(shù)字光信號，接收端采用直接檢測（DD）。

IM-DD數(shù)字光纖接收機(IM-DD:IntensityModulation-DirectDetection)光信號光電檢測器前置放大主放大均衡濾波判決器譯碼器時鐘恢復偏置控制輸出電信號碼型變換器解復用器告警電路AGC電路告警信號第三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日光電檢測器：光信號轉換成電信號

PIN－－半導體光電二極管

APD－－雪崩光電二極管2.前置放大器：低噪聲放大器減弱或防止電磁干擾抑制噪聲（熱噪聲和散粒噪聲）放大信號（1）帶寬和靈敏度：接收機中心問題（降低輸入噪聲，提高靈敏度）高輸入阻抗前置放大器：高輸入阻抗可減小熱噪聲，提高接收機靈敏度，但降低帶寬。第四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日

（2）帶寬與均衡濾波：均衡濾波技術消除碼間干擾，擴大帶寬。主放大器：（1）提供足夠大的增益，達到判決電路所需的信號電平；（2)增益受AGC電路控制。4.均衡濾波:慮除波形展寬，消除碼間干擾。5.判決器/時鐘恢復：對信號進行再生，包括調諧放大、限幅、整形、移相。6.解復用器:若發(fā)射端復用,則接收端需解復用。譯碼/碼型變換器：（1）若發(fā)射端進行了擾碼，需要譯碼；（2）HDB3、CMI碼等解碼。第五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日5.2光電檢測過程的基本原理(1)入射光子的能量hf超過禁帶能量Eg，進入耗盡層，在耗盡區(qū)吸收一個光子，將產生一個電子空穴對，發(fā)生受激吸收。

(2)在PN結施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子－空穴對在電場作用下，分別離開耗盡區(qū)，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，空穴和從負電極進入的電子復合，電子則離開N區(qū)進入正電極，從而形成在外電路中的光生電流Ip。（圖示）第六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日

光電效應必須滿足條件：hf>Eg入射光耗盡層IpRLwU電極P＋N－第七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日光電二極管：PINPIN二極管：在P+和N-之間加入一個Si中摻雜較少的I層，作為耗盡層，I層較寬，約有5um～50um，可吸收絕大部分光子。響應時間由光生載流子穿越耗盡層的寬度W所決定。增加W會使更多的光子被吸收，從而增加量子效率，但是載流子穿越W的時間增加，響應速變慢。第八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日響應波長——（截止波長）任何一種材料制作的光電二極管，都有第九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日

性能參數(shù)量子效率η

η=(hf/q)Rq:電荷響應度R

光電檢測器的響應度。暗電流Id，表示無光照時出現(xiàn)的反向電流，影響接收機的信噪比。響應速度：對光信號的反應速度。結電容Cd（pF）：影響響應速度。第十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日雪崩光電二極管

APD:Avalanchephotodiode(1)速度高，增益大，廣泛應用于光通信系統(tǒng)中。

(2)能承受高的反向偏壓，從而在PN結內部形成一個高電場區(qū)，電子－空穴對經(jīng)過電場區(qū)時被加速，又可能碰到其他原子，多次碰撞電離的結構，使載流子迅速增加，反向電流迅速增大，形成雪崩倍增效應。第十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日APD就是利用雪崩倍增效應使光電流得到倍增的高靈敏度探測器平均雪崩效應，經(jīng)驗公式第十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日新型APD(1)采用InP材料作增益區(qū)的異質結——分別吸收和倍增APD:SAMAPD(SeparateAbsorptionandMultiplicationAPD),目的是使工作波長在1.3um～1.6um波長波段上。(2)分別吸收、漸變、倍增APD：SAGMAPD(SeparateAbsorptionGradingandMultiplicationAPD),在InCaAs、InP之間增加一層帶隙介于兩者之間的半導體材料，克服SAMAPD響應時間長的缺點。(3)多量子阱MQWAPD：MultipleQuantumWell,利用InCaAs、InP交替變化的結構，從而形成高低帶隙交替變化的半導體層.第十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日MSM光探測器：金屬－半導體－金屬光探測器（Metal－Semiconductor－Metal），基本原理一樣，入射光子產生電子－空穴對，電子－空穴對的波動產生光電流集成光學光電探測器為適應光電子集成電路（OEIC）的要求，研究適用于單片集成的各種光波探測器，光波導探測器，不采用光壓電方式，采用光電導和雪崩方式第十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日(1)外延生長InGaAs探測器采用外延生長的方式制作，通過控制材料中In的含量，可使器件在0.85～5.3um光波長范圍內工作;通過適當選擇InGaAs中的摻雜濃度，使耗盡層厚度正好等于波導厚度，并使InCaAs的橫截面大于波導的橫截面，有可能達到100%的量子效率。(2)電吸收光波導探測器入射光頻姐姐禁帶寬度時，光吸收的大小主要取決于外加電場的大小，電吸收效應

(3)離子注入探測器在CaAs襯底中注入高能離子，形成光波導。第十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日5.3光接收機的性能5.3.1信噪比產生噪聲原因（1）散粒噪聲：由檢測器本身引起入射光功率產生的光電流：第十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日熱噪聲：電子在光電二極管負載電阻上的隨機熱運動，即使外加電壓為零，也產生電流的隨機起伏。第十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日PIN光接收機：只對信號進行光電轉換，而無放大功能。第十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日APD光接收機

APD的內部增益使產生的電流擴大了M倍，即：

第十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日散粒噪聲第二十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日第二十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日5.3.2光接收機的靈敏度靈敏度是光接收機最重要的指標之一，指保證完成一定通信質量條件下所需要接收的最小信號功率Ps。Ps越小越好，受噪聲限制。

通過誤碼率判斷第二十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日影響光接收機靈敏度的因素：暗電流。倍增失調使靈敏度下降:(自動增益控制)。放大器的噪聲使靈敏度下降。接收機總電容C〔包括探測器電容、前置放大器輸入電容〕，C增大一倍，靈敏度下降一倍。第二十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日比特率對靈敏度影響：比特率越大，靈敏度下降越多。輸入波形脈沖對靈敏度影響：波形越寬，靈敏度下降越大。第二十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日5.3.3光接收機誤碼率比特誤碼率（BER）：最重要指標之一。定義為碼元在傳輸過程中出現(xiàn)差錯的概率，出錯碼元數(shù)、傳輸總碼元數(shù)。數(shù)字光接收機的要求：采用非歸零碼時：BER=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)第二十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日0、1的出現(xiàn)是等概率時，P(0)=P(1)=0.5，得BER＝0.5〔P(0/1)+P(1/0)]判決門限陰影區(qū)表示<或>概率概率分布第二十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日高斯隨機過程：第二十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日最佳判決電流第二十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日在實際系統(tǒng)中

I0=0I1=MPinR

第二十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日實際上，熱噪聲與信號電流無關，僅有熱噪聲或散粒噪聲很小時，散粒噪聲與信號電流有關時，最佳判決情況下：

第三十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日5.3.4最小平均接收光功率用來計算最小接收光功率：設定“0”碼時不發(fā)射光功率Io＝0Po＝0“1”碼功率為P1

第三十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日第三十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日第三十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日5.3.5光接收機的性能指標性能監(jiān)測：光譜儀，觀察接收信號的眼圖絕對最大額定值：正向電流反向電流反向電壓第三十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日光學和電學特性參數(shù)正向壓降量子效率