光纖通信4-光檢測器與光接收機資料課件

光檢測器光檢測器與光接收機第四章光檢測器光檢測器與光接收機第四章1主要內(nèi)容光檢測器工作原理光電二極管的工作特性光接收機光接收機的噪聲數(shù)字接收機的靈敏度主要內(nèi)容光檢測器工作原理2光電二極管（PD）光檢測器利用光電效應實現(xiàn)。PN勢壘耗盡層光子進入PN結(jié)，價帶的電子受激吸收將被激發(fā)到導帶，產(chǎn)生一對光生載流子，受內(nèi)建電場的作用，光生載流子的電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，載流子移動到外部電路形成光電流?！?.1光檢測器工作原理外光電效應內(nèi)光電效應真空光電二極管半導體光電二極管1、半導體光電二極管光生電流包括：漂移電流--耗盡區(qū)的光生載流子在電場作用下運動形成的電流擴散電流擴散電流----P區(qū)的光生載流子形成的電流N區(qū)的光生載流子形成的電流光檢測器:檢測通過光纖傳來的光信號將光功率轉(zhuǎn)換為電流輸出。光電二極管（PD）光檢測器利用光電效應實現(xiàn)。PN勢壘耗盡3空間電荷區(qū)擴散電流漂移電流增大漂移電流，減小擴散電流擴散電流，光電轉(zhuǎn)換效率低，響應速度慢漂移電流,光電轉(zhuǎn)換效率高，相應速度快空間電荷區(qū)擴散電流漂移電流增大漂移電流，減小擴散電流擴散電流4增加PN結(jié)的反偏耗盡層加偏置電壓的好處：加大耗盡區(qū)的寬度，加強漂移電流的影響，減少擴散電流的比例，提高響應速度。同時，提高了電光轉(zhuǎn)換效率。但增加有限。另一種加大耗盡層的方法是引入本征半導體（I型半導體）增大漂移電流的方法增加PN結(jié)的反偏耗盡層加偏置電壓的好處：加大耗盡區(qū)的寬度，另52、PIN光電二極管結(jié)構(gòu)：PN結(jié)之間加了一層本征半導體（I層）PIN特點：I區(qū)的耗盡區(qū)很寬，入射光很容易產(chǎn)生光生電子空穴對，形成漂移電流；提高了響應速度。另外，I區(qū)的吸收系數(shù)小，因而光電轉(zhuǎn)化效率高。一、結(jié)構(gòu)及特點在p區(qū)和n區(qū)之間插入I區(qū)，增加了耗盡區(qū)的寬度，使得大部分的入射光在耗盡區(qū)被吸收，因此大部分的載流子也在此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生。耗盡區(qū)的高電場使得電子-空穴對迅速分開并在反向偏置的結(jié)區(qū)中向兩端流動，然后在邊界處被收集，從而在外電路中形成電流。2、PIN光電二極管結(jié)構(gòu)：PN結(jié)之間加了一層本征半導體（I層6吸收系數(shù)被吸收的光功率產(chǎn)生的光電流光功率衰減w耗盡區(qū)寬度吸收系數(shù)被吸收的光功率產(chǎn)生的光電流光功率衰減w耗盡區(qū)寬度7由于吸收系數(shù)取決于光波長，因此，特定的半導體材料只能應用在有限的波長范圍內(nèi)。光吸收系數(shù)與波長的關(guān)系曲線?由于吸收系數(shù)取決于光波長，因此，特定的半導體材料只能應用在有81）雪崩光電二極管的的結(jié)構(gòu)3、雪崩光電二極管(APD)高摻雜的型半導體，為接觸層；I輕摻雜半導體層，為漂移區(qū)（光吸收區(qū)）；P型半導體，為倍增層（或稱雪崩區(qū)）；N+高摻雜的型半導體，為接觸層。1）雪崩光電二極管的的結(jié)構(gòu)3、雪崩光電二極管(APD)高9當外加的反向偏壓比PIN情況下高得多時，這個電壓幾乎都降到P結(jié)上。特別是在高阻的PN結(jié)附近，電場強度可高達105V/m，已經(jīng)高出碰撞電離的電場。2）雪崩光電二極管(APD)的工作原理約100V—150V高反向偏置電場分布當外加的反向偏壓比PIN情況下高得多時，這個10若光從P區(qū)照射，大部分光子將在較厚的I層被吸收，因而產(chǎn)生電子、空穴對，被勻強電場加速，運動到PN結(jié)強場區(qū)。若光從P區(qū)照射，大部分光子將在較厚的I層被吸收，因而產(chǎn)生電11入射光功率產(chǎn)生的電子空穴對經(jīng)過高場區(qū)時不斷被加速而獲得很高的能量，這些高能量的電子或空穴在運動過程中與價帶中的束縛電子碰撞，使晶格中的原子電離，產(chǎn)生新的電子空穴對。新的電子空穴對受到同樣加速運動，又與原子碰撞電離，產(chǎn)生電子空穴對，稱為二次電子空穴對。如此重復，使強電場區(qū)域中的電子和空穴成倍的增加，載流子和反向光生電流迅速增大，產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象,這個物理過程稱為雪崩倍增效應。入射光功率產(chǎn)生的電子空穴對經(jīng)過高場區(qū)時不斷被加速而12雪崩過程倍增了一次光生電流，因此，在雪崩光電二極管內(nèi)部就產(chǎn)生了放大作用。雪崩光電二極管就是這樣既可以檢測光信號，又能放大光信號電流。雪崩過程倍增了一次光生電流，因此，在雪崩光電二極管內(nèi)部就產(chǎn)生13高電場光一次電子高電場光一次電子14§4.2光電二極管的工作特性

光電二極管的主要特性參數(shù)包括響應度、量子效率、響應帶寬、APD的倍增系數(shù)及噪聲等。1、量子效率式中e是電子電荷，h是普朗克常數(shù)。2、響應度：響應度表征了光電二極管的能量轉(zhuǎn)換效率R的單位為A／W。

§4.2光電二極管的工作特性光電二極管的主要特性參數(shù)包括15

波長λ的單位取μm響應度隨波長增加而增大。

波長λ的單16例InGaAs的量子效率大約為90％，波長為1300nm，求響應度。例InGaAs的量子效率大約為90％，波長為130173、APD光電二極管中所有載流子產(chǎn)生的倍增因子M雪崩增益后輸出電流的平均值未倍增時的初級光電流加在PN結(jié)的有效電壓雪崩電壓適配因子，與材料及結(jié)構(gòu)有關(guān)m3、APD光電二極管中所有載流子產(chǎn)生的倍增因子M雪崩增益后18例：一種硅APD在波長900nm時的量子效率為65％，假定0.5uW的光功率產(chǎn)生的倍增電流為10uA，試求倍增因子M。倍增因子M為：因此，初級光電流被放大了43倍。APD的性能是由它的響應度來表征。APD響應度定義為其中是pin二極管得響應度。初級光電流為：解：例：倍增因子M為：因此，初級光電流被放大了43倍。APD的194、光電檢測器的噪聲

暗電流噪聲

量子噪聲

熱噪聲

入射光子激發(fā)的電子空穴的隨機性產(chǎn)生的電流PIN在反偏情況下，沒有外來的光時產(chǎn)生的電流電阻的熱噪聲4、光電檢測器的噪聲暗電流噪聲量20

量子（散粒）噪聲的產(chǎn)生是由于光信號入射到光檢測器上時，光電子的產(chǎn)生和收集過程具有統(tǒng)計特性。光電效應產(chǎn)生的光生載流子數(shù)是隨機起伏的，該統(tǒng)計過程服從泊松分布。量子噪聲的譜密度為常數(shù)對于pin對于APDB：接收機帶寬（1）量子噪聲PINM2(過剩)噪聲系數(shù)量子（散粒）噪聲的產(chǎn)生是由于光信號入射到光檢測21（2）光電二極管的暗電流噪聲其中ID是初級（未倍增過的）光檢測器體暗電流。（2）光電二極管的暗電流噪聲其中ID是初級（未倍增過的）光檢22光檢測器電阻的均方熱噪聲電流為：K：玻耳茲曼常數(shù)T：絕對溫度（3）對于光電探測器電阻的熱噪聲光檢測器電阻的均方熱噪聲電流為：K：玻耳茲曼常數(shù)（3）對235、檢測器響應時間P(t)I(t)當檢測器受到階躍光脈沖照射時，響應時間可以用檢測器輸出脈沖的上升時間和下降時間來表示光電二極管光電流的響應時間主要取決于以下三個因素：1．耗盡區(qū)的光載流子的渡越時間；2．耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光載流子的擴散時間；3．光電二極管以及與其相關(guān)的電路的RC時間常數(shù)。渡越時間t由載流子漂移速度v和耗盡區(qū)寬度w決定一般情況下，耗盡區(qū)的電場足夠高，載流子都可以達到它們的散射極限速度。典型的Si光電二極管的耗盡區(qū)寬度為10um，極限響應時間為0.1ns。光脈沖照射PD下,光電流的響應時間。5、檢測器響應時間P(t)I(t)當檢測器受到階躍光脈沖照24快速反應分量源于耗盡區(qū)產(chǎn)生的載流子，而慢速分量則是源于距離耗盡區(qū)邊界處的載流子的擴散。耗盡區(qū)產(chǎn)生了快速分量，載流子擴散造成了一個很慢的延遲拖尾。如果w太小，結(jié)電容也會變得很大。結(jié)電容Cj為：這個電容增大，就會使RC時間常數(shù)變大，從而限制了檢測器的響應時間。在高頻響應和高量子效率之間有一個合理的吸收區(qū)寬度的選擇。A＝擴散層面積為了獲得較高的量子效率，耗盡區(qū)寬度必須大于1/（吸收系數(shù)的倒數(shù)）這樣才能吸收大部分的光。在脈沖上升沿，在脈沖下降沿，快速反應分量源于耗盡區(qū)產(chǎn)生的載流子，而慢速分量則是源于耗盡區(qū)25如果光電二極管的電容較大，那它的響應時間就會受到負載電阻RL和光電二極管結(jié)電容所構(gòu)成的RC時間常數(shù)所限制。如果耗盡區(qū)寬度太窄，則非耗盡材料產(chǎn)生的任何載流子在被吸收之前不得不擴散到耗盡區(qū)。所以窄耗盡區(qū)的器件會有明顯不同的慢速和快速響應分量。低電容、耗盡區(qū)寬度的光電二極管對矩形輸入脈沖的響應的上升與下降時間與輸入脈沖比較一致。如果光電二極管的電容較大，那它的響應時間就會受到負載電阻RL26光纖通信4-光檢測器與光接收機資料課件27

Si、Ge、InGaAspin光電二極管的通用工作特性參數(shù)參數(shù)符號單位SiGeInGaAs波長范圍響應度暗電流上升時間帶寬偏置電壓nmA/WnAnsGHzV400～11000.4～0.61～100.5～1.00.3～0.75800～16500.4～0.550～5000.1～0.50.5～3.05～101100～17000.75～0.950.5～2.00.05～0.51.0～2.05

Si、Ge、InGaAs雪崩光電二極管的通用工作特性參數(shù)M·B參數(shù)符號單位SiGeInGaAs波長范圍雪崩增益暗電流上升時間增益帶寬積偏置電壓nm－nAnsGHzV400～110020～4000.1～10.1～2100～400150~400800～165050～20050～5000.5～0.82～1020～401100～170010～4010～500.1～0.520～25020~30MSi、Ge、InGaAspin光電二極管的通用工作特性參數(shù)28應用APD：用于靈敏度要求較高的地方，但造價高PIN：靈敏度要求不高的地方，便宜應用APD：用于靈敏度要求較高的地方，但造價高PIN：靈29§4.3光接收機

光接收機的任務：從接收到帶有附加噪聲及失真的微弱光信號中恢復出攜帶的信息。光纖通信系統(tǒng)有模擬和數(shù)字兩大類光接收機也有數(shù)字接收機和模擬接收機兩種形式。光接收機的輸出特性綜合反映了整個光纖通信系統(tǒng)的性能?！?.3光接收機

光接收機的任務：光纖通信系統(tǒng)有模擬和數(shù)字兩301、數(shù)字光接收機組成光檢測器前置放大器主放大器均衡器數(shù)字信號恢復、時鐘線路譯碼接口偏置電路自動增益控制線性通道線性通道主要完成對信號的線性放大，以滿足判決電平的要求。接收機的前端包括反向偏壓下的光電二極管和前置放大器。數(shù)字信號和時鐘恢復電路。1、數(shù)字光接收機組成光檢測器前置放大器主放大器均衡器數(shù)字信號31

2、光接收機前端接收機前端等效電路：放大電路的輸入電容為Ca輸入電阻為Ra光電二極管的串聯(lián)電阻Rs，總電容Cd作用：是將光纖線路末端耦合到光電二極管的光比特流轉(zhuǎn)換為時變電流，然后進行預放大，以便后級作進一步處理。要求：一臺性能優(yōu)良的光接收機，應具有無失真地檢測和恢復微弱信號的能力，這首先要求光接收機具有：

前端應有低噪聲；高靈敏度；足夠的帶寬。2、光接收機前端接收機前端等效電路：放大電路的輸入電容為Ca32前端的設計有3種不同的方案低阻抗前端高阻抗前端跨阻抗前端低（高）阻抗前端跨阻抗前端低阻抗前端從頻帶要求出發(fā)選擇光檢測器的負載電阻RL，使其滿足Δf為碼速率所要求的前端帶寬；Ct=Cj+Cs+Ca；Cj---為光電二極管的結(jié)電容；Cs---為光電二極管和前置放大器引線的雜散電容；Ca---為前置放大器的輸入電容。低阻抗前端優(yōu)點：電路簡單，不需要或只需要很少的均衡，前置級的動態(tài)范圍也較大。低阻抗前端缺點：靈敏度較低，噪聲比較高。

前端的設計有3種不同的方案低阻抗前端低（高）阻抗前端跨阻抗33

（2）高阻抗前端

高阻抗前端優(yōu)點：

噪聲低，靈敏度高。

高阻抗前端缺點：帶寬窄，需要增加均衡網(wǎng)絡，對頻響特性進行補償，電路結(jié)構(gòu)復雜，動態(tài)范圍小。（2）高阻抗前端高阻抗前端優(yōu)點：34（3）跨(互)阻抗前端

這種前端將負載電阻連接為反相放大器的反饋電阻，因而又稱互阻抗前端。互阻抗前端是一個性能優(yōu)良的電流—電壓轉(zhuǎn)換器，即使RL很高，而負反饋使有效輸入阻抗降低了G倍，G是前置放大器增益，從而使其帶寬比高阻抗前端增加了G倍.優(yōu)點：動態(tài)范圍大，頻帶寬、噪聲低、靈敏度高。（3）跨(互)阻抗前端這種前端將負載電阻連接為反相放大器的353、光接收機的線性通道

光接收機的線性通道由一個高增益放大器和一個低通濾波器（或均衡器

）組成。自動增益控制(AGC)放大器：將放大器的平均輸出電壓限制在固定電平而不隨輸入平均光功率而變。低通濾波器（或均衡器

）：使電壓脈沖整形，降低噪聲，控制可能出現(xiàn)的碼間串擾(ISI)。接收機噪聲正比于接收機帶寬，為降低噪聲，采用帶寬Δf小于比特率B的低通濾波器。在接收機設計中其他部件的帶寬均大于濾波器帶寬，因此接收機帶寬主要由線性通道的低通濾波器決定。

3、光接收機的線性通道36

當Δf＜B時，電脈沖展寬超過了規(guī)定的比特時隙，將可能干擾相鄰比特時隙的檢測，引起碼間串擾，濾波器設計時應避免產(chǎn)生這種現(xiàn)象。均衡器的作用是消除放大器、光纖等部件引起的信號波形失真，經(jīng)過均衡器以后的波形成為有利于判決的波形，使碼間干擾減小到最小。經(jīng)過均衡以后的波形，在本碼判決時刻，波形的瞬時值應為最大值。而這個本碼波形的拖尾在鄰碼判決時刻的瞬時值應為零。信道特性均衡當Δf＜B時，電脈沖展寬超過了規(guī)定的比特時隙，將可能37多級網(wǎng)絡的噪聲噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù)多級網(wǎng)絡的噪聲噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù)384、數(shù)據(jù)恢復電路

光接收機的數(shù)據(jù)恢復部分的任務是把線性通道輸出的模擬信號恢復成數(shù)字信號。由三部分組成：時鐘提取電路取樣判決電路數(shù)字信號波形成型電路取樣判決電路4、數(shù)據(jù)恢復電路光接收機的數(shù)據(jù)恢復部分的任務是把線39為了重建數(shù)字信號，則要判定每個碼元是“0”還是“1”，這首先要確定判決時刻。為此，要從升余弦信號中提取準確的時鐘信號，并經(jīng)過適當移相后，在最佳時刻對升余弦信號取樣，然后將取樣幅度與判決閾值進行比較，確定碼元是“0”還是“1”，從而把升余弦波形恢復重建成原傳輸?shù)臄?shù)字信號。最佳取樣時間相應于在“1”和“0”信號電平相差最大的位置，可由眼圖決定，它由不同比特電脈沖頂部疊加而成。為了重建數(shù)字信號，則要判定每個碼元是“0”還是“1”40非歸零碼(NRZ)數(shù)字光接收的眼圖噪聲和時間抖動導致的半張半閉退化眼圖，最佳取樣時間相應于眼睛睜開最大處的時間。

理想眼圖非歸零碼(NRZ)數(shù)字光接收的眼圖噪聲和時間抖動導致的半張414.4光接收機的信噪比在光纖通信系統(tǒng)中，通常要求光電二極管能檢測出微弱的光信號。為了得到較高的信噪比，可以采取以下措施：為了檢測到最小可能的信號，必須對光檢測器和它隨后的放大器電路進行最優(yōu)化設計，以此來保證一定的信噪比。光接收機輸出端的信噪比S/N定義為光檢測器必須要有很高的量子效率，以產(chǎn)生較大的信號功率；使光檢測器和放大器噪聲保持盡可能低的值。4.4光接收機的信噪比在光纖通信系統(tǒng)中，通常要求光電二極管42放大器輸入端的信噪比為：光檢測器前置放大器主放大器均衡器數(shù)字信號恢復、時鐘線路譯碼接口放大器輸入端的信噪比為：光檢測器前置放大器主放大器均衡器數(shù)字43取樣判決器輸入端的信噪比放大器增益G噪聲系數(shù)NF取樣判決器放大器增益G噪聲系數(shù)NF=1取樣判決器取樣判決器輸入端的噪聲功率取樣判決器輸入端的噪聲功率取樣判決器輸入端的信噪比放大器取樣判決器放大器取樣判決器取樣444.5數(shù)字接收機的靈敏度數(shù)字接收機的靈敏度是指當數(shù)字接收機的輸出信號質(zhì)量-----誤碼率達到質(zhì)量要求時，數(shù)字接收機接收的最小光功率靈敏度和誤碼率有關(guān)誤碼率和信號的失真和信號中的噪聲有關(guān)誤碼率（BER：biterror）:誤碼率=傳輸中的誤碼/所傳輸?shù)目偞a數(shù)是衡量通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)精確性的指標。4.5數(shù)字接收機的靈敏度數(shù)字接收機的靈敏度是指靈敏度和45

誤碼率與通話質(zhì)量誤碼率通話質(zhì)量10－6感覺不到干擾10－5在低話音電平范圍內(nèi)感覺輕微干擾10－4在低話音電平范圍內(nèi)有個別“咯咯”聲10－3在低話音電平范圍內(nèi)都感覺有干擾10－2強烈干擾，聽懂程度明顯下降0.5幾乎聽不懂誤碼率與通話質(zhì)量通話質(zhì)量10－6感覺不到干擾10－5在低話46“1”碼出現(xiàn)的概率為P(1);“0”碼出現(xiàn)的概率為P(0);接收機把“0”碼誤判為“1”碼的概率為P(1/0);接收機把“1”碼誤判為“0”碼的概率為P(0/1);那么誤碼率為：BER=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)經(jīng)過線路編碼，數(shù)字信號序列中“0”碼和“1”碼出現(xiàn)的概率各為1/2一、接收機誤碼率BER={P(1/0)+P(0/1)}/2設光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)字序列中，“1”碼出現(xiàn)的概率為P(1);“0”碼出現(xiàn)的概率為P(0);47100BER={P(1/0)+P(0/1)}/2P(1/0)?P(0/1)?理想無噪聲時：實際有噪聲時：如果“0”碼出現(xiàn)時，信號電流的概率密度為如果“1”碼出現(xiàn)時，信號電流的概率密度為設判決門限電流為100BER={P(1/0)+P(0/1)}/2P(1/0)48BER={P(1/0)+P(0/1)}/2對于噪聲方差為，均值為的高斯白噪聲，概率密度函數(shù)為誤差函數(shù)BER={P(1/0)+P(0/1)}/2BER={P(1/0)+P(0/1)}/2對于噪聲方差為4910010050一般“0”信號對應于二、靈敏度一般“0”信號對應于二、靈敏度51例：一光接收機采用PIN-PD要使誤碼率求靈敏度。解：Q=6例：一光接收機采用PIN-PD要使誤碼率求靈敏度。解：Q=652例：一光接收機采用PIN-PD數(shù)字信號速率只考慮熱噪聲，求靈敏度。要使誤碼率解：Q=6.5例：一光接收機采用PIN-PD數(shù)字信號速率只考慮熱噪聲，求靈53靈敏度的量子極限在這樣的