光电检测器与光接收机

第六章 光电检测器与光接收机 6.1 光电检测器 6.2 光电检测器的特性指标 6.3 光 接 收 机 6.4 光接收机的噪声 6.5 光接收机的灵敏度 6.1 光电检测器 6.1.1 PIN 由于受激辐射仅仅发生在 PN结附近 ， 远离 PN结的地方没有电场存在 ， 因此就决 定了 PN 光电二极管 ( PN Photodiode， PNPD)或 PN光电检测器的光电变换效率非 常低下及响应速度很慢 。 1. PIN PIN光电二极管 (PINPD)的结构如图 6.1所示 。 图 6.1 PIN光电二极管的结构 2. PIN 当光照射到 PIN光电二极管的光敏面 上时 ， 会在整个耗尽区 （ 高场区 ） 及耗尽 区附近产生受激辐射现象 ， 从而产生电子 空穴对 。 6.1.2 雪崩光电二极管应用光生载流子在其 耗尽区 (高场区 )内的碰撞电离效应而获得 光生电流的雪崩倍增 。 1. 常用的 APD结构包括拉通型 APD和保 护环型 APD， 如图 6.2所示 。 由于要实现电 流放大作用需要很高的电场 ， 因此只能在 图中所示的高场区发生雪崩倍增效应 。 图 6.2 APD的结构 2. APD的雪崩倍增原理为：当入射光照 射在 APD的光敏面上时 ， 由于受激吸收原 理会产生电子空穴对 (这里我们称之为一次 电子空穴对 )。 3. APD 当光照射到 APD的光敏面上时 ， 由于 受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴 对 。 6.2 光电检测器的特性指标 6.2.1 光电检测器的工作特性 1. 在一定波长的光照射下 ， 光电检测器 的平均输出电流与入射的平均光功率之比 称为响应度 (或响应率 )。 响应度可以表示 如下： 式中： Ip为光生电流的平均值 (单位： A)； P为平均入射光功率值 (单位： W)。 2. 响应度是器件在外部电路中呈现的宏 观灵敏特性 ， 而量子效率是器件在内部呈 现的微观灵敏特性 。 量子效率定义为通过 结区的载流子数与入射的光子数之比 ， 常 用符号 表示： 式中： e 是电子电荷 ， 其值约为 1.6 10-19G； 为光频 。 与 关系可以表示 为： 式中： h是普朗克常数 ， c是光在真空 中的速度 ,是光电检测器的工作波长 。 代 入相应数值后 ， 可以得到： 从式 (6-4)中可以看出：在工作波长一 定时 ， 与 具有定量的关系 。 3. 光电二极管的响应速度是指它的光电 转换速度 。 4. 暗电流主要由体内暗电流和表面暗电 流组成 。 5. APD APD的电流增益 ， 即平均倍增因子 M 可表示为： 式中： Ip为 APD倍增后的光生电流； Ip0是 未倍增时的原始光生电流 。 若无倍增时和 倍增时的总电流分别为 I1和 I2， 则应扣除当 时的暗电流 Id1和 Id2后才能求出 M。 6. 光电检测器的噪声包括量子噪声 、 暗 电流噪声和由倍增过程产生的倍增噪声 。 (1) PINPD PINPD的总均方噪声电流可以表述如 下： i2 =2e(Ip+Id)B 式中： e为电子电荷量； Ip为光生电流； Id 为 PINPD的暗电流 ， B为噪声带宽 。 (2) APD APD的量子噪声和暗电流噪声 (要考 虑倍增作用 )与 PINPD机理类似 ， 计算方法 也基本相同 。 (3) 虽然 APD的倍增作用对信号有放大作 用 ， 但是由于倍增噪声的存在也使得总噪 声增加 。 6.2.2 光电检测器的典型指标 1. 表 6.1中列出了富士通公司生产的两种 光电检测器的典型指标 。 2. 与光源器件一样 ， 在没有测试条件的 情况下 ， 使用人员也可以借助于指针式万 用表对光电检测器件进行简易的测试 。 这 种测试方法主要是检查光电检测器件 PN结 的好坏： PN结好不能保证器件具有好的特 性 ， 而 PN不好的器件其质量绝对不会好 。 常用光电检测器件的参考数据如表 6.2所示 。 6.3 光 接 收 机 6.3.1 1. 常用的非相干检测方式就是直接功率 检测方式 。 直接功率检测方式是通过光电 二极管直接将接收的光信号恢复成基本调 制信号的过程 。 2. 就像普通的无线电收音机一样 ， 首先 接收光信号要与一个光本地振荡器在光混 频器混频之后 ， 再被光电检测器变换成一 定要求的电信号 ， 如图 6.5所示 。 图 6.5 相干检测原理 6.3.2 光接收机的构成与指标 1. 在实用的直接功率检测光接收机中 ， 光电检测器直接从接收光信号中将基本调 制信号恢复出来 。 2. 对于不同的光纤通信系统 ， 有着不同 的光接收机质量指标 。 (1) 所谓光接收机灵敏度 ， 就是指在一定 误码率或信噪比 (有时还要加上信号波形失 真量 )条件下光接收机需要接收的最小平均 光功率 (有时也称为平均最小输入光功率 )。 (2) 所谓光接收机动态范围 ， 就是指在一 定误码率或信噪比 (有时还要加上信号波形 失真量 )条件下光接收机允许的光信号平均 光功率的变化范围 。 6.4 光接收机的噪声 6.4.1 1. 光电检测器上的噪声包括光检测噪声 (有可能与信号强度相关的噪声 )、 暗电流 噪声及背景辐射噪声 。 (1) PINPD 由于光的量子性 ， PINPD的光检测噪 声属于光量子噪声 。 PINPD的光检测噪声 可以由下式决定： 式中： 为光电检测器的量子效率； e为电 子电荷量； P为平均接收光功率； B为系 统带宽； h为普朗克常数； 为光子的频率 。 (2) APD 由于 APD雪崩倍增过程的随机性 ， 使 得 APD的光检测噪声更多的表现为倍增噪 声 。 APD的光检测噪声可以表述如下： 式中： 为光电检测器的量子效率； e为电 子电荷量； P为输入光电检测器的平均光 功率； M为 APD的平均倍增因子； F为 APD的倍增噪声系数； B为系统带宽 。 2. 不管前置放大器的具体结构如何 ， 从 低噪声角度出发第一级采用共射极 (或共源 极 )则是公认的 。 关于第一级器件的应用 ， 无非是晶体三极管 (Bi-junction Transistor， BJT)或场效应管 (Field Effect Transistor， FET)两类 。 (1) FET FET前置放大器的输入等效噪声可以 用下式表示： (2) BJT BJT前置放大器的输入等效噪声可以 表示为： 3. 光接收机的输入等效总噪声可以表示 为： ntot=nPD+nA 在 PINPD光接收机中 ， nPD要远远小 于 nA。 6.4.2 1. PINPD 根据信噪比定义 ， PINPD光接收机判 决点上的信噪比为： 2. APD 同理 ， 可以得到 APD光接收机在判决 6.5 光接收机的灵敏度 6.5.1 数字光接收机的误码率 根据通信系统理论 ， 二进制数字传输 系统的误码率可以表示为： 式中： p(0)和 p(1)分别表示二进制数字 码流中 “ 0” 、 “ 1” 出现的概率； p0(i)和 p1(i)分别表示 “ 0” 、 “ 1” 码的概率密度 函数； i表示信号电流的瞬时值； D0是 p0(i) 和 p1(i)相等时对应的信号电流 。 利用数值计算技术求得误码率的方法 非常费时 ， 而且不能对光接收机的设计提 供多少帮助 。 所以 ， 为了简化计算 ， 一般 均将概率密度函数近似成高斯函数来进行 相应的分析 。 于是 ， 误码率又可表示成： 式中 Q可以表示为： 6.5.2 光接收机的灵敏度极限 光接收机的灵敏度极限也称为理想光 接收机的灵敏度 。 由于这种光接收机完全 是理想的：光电检测器暗电流为零 ， 放大 器无噪声 ， 系统的带宽无限大 。 当码流中 “ 0” 、 “ 1” 等概时 ， 系统 的误码率就等于 “ 1” 码发生差错概率的一 半 ， 即 式中： n表示一个码元的平均光子数 。 6.5.3 根据式 (6-23)， 可以得到如下公式： 在这里不考虑暗电流和光源直流光影响 (Iop0=0)， 并且有 Iop1可以表示为： 式中： M为 APD的倍增因子 (对 PINPD， M=1)； P1为 “ 1” 码时的光功率； A为放大 器的放大倍数 。 6.5.4 影响光接收机灵敏度的 1. 在光纤通信系统中 ， 光接收机接收到 的光信号波形是被光纤线路展宽了的信号 波形 ， 这种波形将会存在码间干扰 。 为了减少码间干扰的影响 ， 必须对接 收的信号波形进行滤波均衡 ， 变成没有码 间干扰的信号波形 (实际中多采用升余弦 波 )。 经过均衡后 ， 光接收机的带宽可以用 如下公式表示： 式中： 是输出波形的滚降因子 。 从上式可 以看出 ， 光接收机的带宽将大于奈奎斯特 带宽 。 2. 为了有利于判决 ， 我们希望光接收机 输出的信号波形为升余弦波 。 3. 由于光源是在一定正向偏置电压下工 作的 ， 因此无信号时光接收机仍然能够接 收到一定的光功率 ， 这种光信号称为直流 光 。 4. 为了将升余弦波信号恢复为 标准数字信号 ， 在均衡滤波电路之 后还设置了再生判决电路 。 判决电 路的作用为：当信号在判决时刻大 于判决阈值时 ， 判决电路输出 “ 1” ；当信号在判决时刻小于判 决阈值时 ， 判决电路输出 “ 0” 。 一般地 ， 我们将相对判决阈值定义 为： 式中： D0为判决阈值； Am为信号 幅度 。