暗电流噪声是当没有入射光时流过器件偏置电路的电流课件

光纤传输技术2012/2013学年第二学期Fiber-Optic Communication Technology 光纤传输技术2012/2013学年第二学期Fiber-Op 第二章 光源与光探测器 第二章 光源与光探测器 第一部分光源和光发射机第一部分光源和光发射机主要内容一、半导体中的光的发射和激射原理二、半导体发光二极管（LED）三、半导体激光二极管（LD）四、数字光发射机主要内容一、半导体中的光的发射和激射原理二、半导体发光二极管光纤通信系统对光源的要求合适的发射波长，光纤的低损耗窗口；足够大的输出功率，较长的传输距离；较窄的发光谱线，减少光纤色散的影响；易于与光纤耦合，提高耦合效率，确保更多的光功率进入光纤；易于调制，响应速度要快，调制失真小，带宽大；要求在室温下能连续工作，可靠性高，寿命至少在10万小时以上。光纤通信系统对光源的要求合适的发射波长，光纤的低损耗窗口；1能级2光与物质的相互作用3半导体材料的能带结构4半导体PN结光源5发光波长6直接带隙和间接带隙材料7异质结一、半导体中光的发射和激射原理 1能级2光与物质的相互作用3半导体材料的能带结构4半导体PN能级原子中的电子只能以一定的量子状态存在，也即只能在特定的轨道上运动，电子的能量不能为任意值，只能具有一系列的不连续的分立值。我们把这种电子的能量不连续的分立的内能称为能级。处于最低能级时称为基态基态，处于比基态高的能级时，称为激发态激发态。能级原子中的电子只能以一定的量子状态存在，也即只能在特定的轨光与物质的相互作用光与物质之间存在以下三种相互作用关系：光与物质之间存在以下三种相互作用关系：自发辐射受激辐射受激吸收光与物质的相互作用光与物质之间存在以下三种相互作用关系：自发自发辐射自发辐射电子无外界激励而从高能级自发跃迁到低能级，同时释放出光子。自发辐射电子无外界激励而从高能级自发跃迁到低能级，同时释受受激激辐辐射射高能级电子受到外来光子作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子同频同方向，为相干光。受激辐射高能级电子受到外来光子作用，被迫跃迁到低能级，同受受激激吸吸收收低能级电子在外来光子作用下吸收光能量而跃迁到高能级。受激吸收低能级电子在外来光子作用下吸收光能量而跃迁到高能半导体材料的能带结构半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体，其原子最外层电子轨道互相重叠，从而使其分立的能级形成了能级连续分布的能带。半导体材料的能带结构半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价带中电子在外界能量作用下，可以克服原子的束缚，被激发到能量更高的导带之中去，成为自由电子，可以参与导电。处在导带底Ec与价带顶Ev之间的能带不能为电子所占据，称为禁带，其能带宽度称为带隙Eg(Eg=Ec-Ev)。根据能带能量的高低，有导带、禁带和价带之分。价带中电子在外界能量作用下，可以克服原子的束缚，被激发到能费米能级通常情况下（热平衡条件下），处于低能级的粒子数较高能级的粒子数要多，称为粒子数正常分布。粒子在各能级间分布符合费米统计规律：f(E)是能量为E的能级被粒子占据的几率，称为费米分布函数。Ef为费米能级，与物质特性有关，不一定是一个为粒子占据的实际能级，只是一个表明粒子占据能级状况的标志。低于费米能级的能级被粒子占据的几率大，高于费米能级的能级被粒子占据的几率小。费米能级通常情况下（热平衡条件下），处于低能级的粒子数较高能半导体PN结光源发光二极管的工作原理：PN结在正向偏置时，N区的电子及P区的空穴会克服内建电场的阻挡作用，穿过结区(扩散运动超过漂移运动)，从P区到N区产生净电流。电子与空穴在扩散运动中产生复合作用，释放出光能，实现发光。这种发光是一种自发辐射，所以发出的是荧光。由于这种发光是正向偏置把电子注入到结区的，又称为电致发光。半导体PN结光源发光二极管的工作原理：PN结在正向偏置时半导体激光器产生激光原理半导体激光器产生激光原理发光波长 半导体光源发射的光子的能量、波长取决于半导体材料的带隙Eg，以电子伏特（eV）表示的带隙Eg发射波长为发光波长 半导体光源发射的光子的能量、波长取决于半导体材料的直接带隙和间接带隙材料由于半导体内光子与电子之间的相互作用所导致的电子的跃迁除需要满足能量守恒条件之外，还必须满足动量守恒条件。光子的动量与电子的动量相比可以忽略，因此，电子的跃迁前后应具有相同的动量，也即有相同的波矢量。根据能带结构的能量与波矢量关系，半导体材料可以分为光电性质完全不同的两类：直接带隙材料间接带隙材料直接带隙和间接带隙材料由于半导体内光子与电子之间的相互作用所不同半导体材料的带隙及发光波长不同半导体材料的带隙及发光波长合金化合物半导体AlxGa1-xAs（GaAs和 AlAs）经验公式Eg=1.424+1.266x+0.266x2合金化合物半导体AlxGa1-xAs（GaAs和 AlAs同质结同质结 PN结是由同一种半导体材料构成的，P区、N区具有相同的带隙、接近相同的折射率（掺杂后折射率稍有变化，但很小），这种PN结称为同质结。同质结导波作用很弱，光波在PN结两侧渗透较深，从而致使损耗增大，发光区域较宽。构成的光源有很大的缺点缺点：发光不集中，强度低，需要较大的注入电流。器件工作时发热非常严重，必须在低温环境下工作，不能在室温下连续工作。同质结 PN结是由同一种半导体材料构成的，P区、N区具有相同异质结 由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构成。利用不同折射率的材料来对光波进行限制，利用不同带隙的材料对载流子进行限制。加强结区的光波导作用及对载流子的限定作用，改善同质结发光不集中、强度低的不足。分类：单异质结（SH）双异质结（DH）异质结 由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构成。同质结、双异质结同质结、双异质结LD能级图及光子密度分布的比较能级图及光子密度分布的比较在双异质结构中，有三种材料，有源区被禁带宽度大、折射率较低的介质材料包围。同质结、双异质结LD能级图及光子密度分布的比较在双异质结构中1结构面发光边发光2工作特性光谱特性P-I特性发光效率二、半导体发光二极管（LED）调制特性1结构面发光边发光2工作特性光谱特性P-I特性发光效率二、半SLED的典型结构SLED的典型结构边发光二极管（ELED）的结构边发光二极管（ELED）的结构光谱特性自发辐射发光，没有谐振腔，发光谱线较宽 半最大值处的全宽度（FWHM）Dl=1.8kT(l2/ch)nm 线宽随有源区掺杂浓度的增加而增加随着温度的升高线宽加宽光谱特性自发辐射发光，没有谐振腔，发光谱线较宽 暗电流噪声是当没有入射光时流过器件偏置电路的电流课件P-I特性输出的光功率随注入电流的变化关系当注入电流较小时，线性度非常好；当注入电流比较大时，由于PN结的发热，发光效率降低，出现了饱和现象。温度对PI特性的影响，当温度升高时，同一电流下的发射功率要降低 P-I特性输出的光功率随注入电流的变化关系发光二极管的模拟调制原理图 发光二极管的模拟调制原理图 发光二极管的数字调制原理图发光二极管的数字调制原理图发光二极管的频率响应PN结存在结电容及杂散电容，发光二极管的调制特性随着调制的频率提高而变化。频率响应可表示为 t为载流子的寿命 随着调制频率的提高，输出光功率下降。要提高截止频率fc=1/(2pt)以增加调制带宽，要缩短载流子的寿命，可以通过有源区重掺杂以及高注入等方法来改进。发光二极管的频率响应PN结存在结电容及杂散电容，发光二极管的发光二极管的频率响应 发光二极管的频率响应 1结构激光器的基本工作原理条形结构2工作特性光谱特性P-I特性调制特性三、半导体激光二极管（LD）1结构激光器的基本工作原理条形结构2工作特性光谱特性P-I特半导体激光器（）的结构半导体激光器（）的结构激光器的一般工作原理激光器的一般工作原理 激光器的三个基本条件是合适的工作物质合适的工作物质（发光介质）泵浦源泵浦源光学谐振腔光学谐振腔 产生激光还必须满足阈值条件阈值条件 相位条件相位条件具有合适的能级分布，可以产生合适波长的光辐射可以进行方向和频率选择可以实现工作物质粒子数反转分布的激励能源激光器的一般工作原理 激光器的三个基本条件是具有合适的能级分阈值条件存在工作物质的吸收、介质不均匀引起的散射、反射镜的非理想性引起的透射及散射等损耗情况，只有光在谐振腔内往复一次的放大增益大于各种损耗引起的衰减，激光器才能建立起稳定的激光输出，其阈值条件（临界条件）为阈值条件存在工作物质的吸收、介质不均匀引起的散射、反射镜的非相位条件谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往复传播的，只有在满足特定相位关系的光波才能得到彼此加强，这种条件称为相位条件，有 q=1，2，激光器中振荡光频率只能取某些分立值，不同q的一系列取值对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁场分布状态，一种分布就是一个激光器的纵模纵模。相位条件谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往复传播的，只有在满激光二极管的结构采用双异质结结构纵向的两个端面是晶体的解理面，相互平行且垂直于结平面，一个端面镀反射膜，另一个端面输出，构成了激光器的FP谐振腔。采用条形结构，在垂直于结平面方向受到限制，在平行于结平面的水平方向也有波导效应，使光子及载流子局限在一个较窄及较薄的条形区域内，提高光子及载流子浓度。称为条形激光器，与光纤耦合效率较高。两种结构：增益导引条形和折射率导引条形。激光二极管的结构采用双异质结结构P-I特性存在阈值电流Ith：当注入电流小于Ith时，自发辐射发光；当注入电流超过Ith时，受激辐射发光；输出功率与注入电流基本保持线性关系。对温度很敏感：随着温度的升高，阈值电流增大，发光功率降低。需进行温度控制。有 P-I特性存在阈值电流Ith：当注入电流小于Ith时，自发辐LD组件内部结构LD组件内部结构光谱特性主要由其纵模决定峰值波长谱宽：功率等于大于峰值波长功率50%的所有波长范围 线宽：某一纵模中功率等于大于最大功率一半的所有波长范围 边模抑制比(SMSR)：主模功率与最强边模功率之比(Side Mode Suppression Ratio)光谱特性主要由其纵模决定半导体激光器的光谱半导体激光器的光谱 半导体激光器的发光谱线较为复杂，会随着工作条件的变化而发生变化。当注入电流低于阈值电流时，激光器发出的是荧光荧光，光谱较宽；当电流增大到阈值电流时，光谱突然变窄，强度增强，出现激光激光；当注入电流进一步增大，主模的增益增加，而边模的增益减小，振荡模式减少，最后会出现单纵模单纵模。温度升高时激光器的发射谱的峰值波长向长波长方向移动 半导体激光器的发光谱线较为复杂，会随着工作条件的变化而发生变调制特性LD模拟调制调制特性LD模拟调制调制特性LD数字调制调制特性LD数字调制半导体激光器会出现许多复杂动态性质，会对系统传输速率和通信质量带来影响。电光延迟电光延迟张弛振荡张弛振荡码型效应码型效应 自脉动自脉动单纵模分裂为多纵模单纵模分裂为多纵模 半导体激光器会出现许多复杂动态性质，会对系统传输速率和通信质电光延迟和张弛振荡电光延迟电光延迟：输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在的时间延迟，一般为纳秒量级。张弛振荡张弛振荡：当电流脉冲注入后，输出光脉冲表现出的衰减式振荡。几百MHz2Ghz的量级。与有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。电光延迟和张弛振荡电光延迟：输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在码型效应 电光延迟时间与数字调制的码元持续时间为相同数量级时，使后一个光脉冲幅度受到前一个脉冲的影响的效应两个连“1”时，第一个脉冲过后，有源区的电子以指数形式衰减。调制速率很高，脉冲间隔小于衰减周期，使第二个脉冲到来时，前一电流脉冲注入的电子并没有完全复合消失，有源区电子密度较高，输出光脉冲幅度和宽度增大。消除：增加直流偏置电流。在阈值附近，脉冲持续时和脉冲过后有源区内电子密度变化不大，电子存储的时间大大减小，码型效应得到抑制。还可以采用在每一正脉冲后跟一负脉冲的双脉冲信号进行调制的方法，正脉冲产生光脉冲，负脉冲来消除有源区内的存储电子。单负脉冲的幅度不能过大，以免激光器PN结被反向击穿。码型效应 电光延迟时间与数字调制的码元持续时间为相同数量级时自脉动某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，输出光脉冲出现持续等幅的振荡，振荡的频率在几百MHz到2GHz激光器内部存在非线性增益而造成的 自脉动某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，输出光脉冲出现持续单纵模分裂为多纵模 直接调制使激光器的注入电流不断发生变化，有源区载流子浓度随之发生变化，导致折射率变化，谐振条件发生变化。随着调制频率的提高和调制深度的加大，会使主模的强度下降，邻近边模的强度增强，单纵模分裂为多纵模，而且线宽也增大，调制速率越高，调制深度越大，谱线展宽越多。单纵模分裂为多纵模 直接调制使激光器的注入电流不断发生变化，高速调制时激光器的输出谱线 高速调制时激光器的输出谱线 动态单纵模激光器 为降低光纤色散，希望光源的谱宽尽可能窄，要求激光器工作在单纵模状态。在高速调制下仍然可以工作在单纵模的半导体激光器称为动态单纵模激光器。实现动态单纵模的方法很多，应用最为广泛的是分布反馈式激光器分布反馈式激光器。动态单纵模激光器 为降低光纤色散，希望光源的谱宽尽可能窄，要分布反馈式激光器结构与FP激光器不同，不靠解理面形成的谐振腔工作，而是依赖沿纵向分布的光栅工作。分类：分布反馈激光器(DFB-LD)分布布拉格反射激光器(DBR-LD)分布反馈式激光器结构与FP激光器不同，不靠解理面形成的LED与LD的比较LED LD 结构 异质结、无谐振腔 异质结、谐振腔发光 自发辐射、荧光、功率低 受激辐射、激光、功率高 P-I特性 线性好 有阈值，线性差 光谱特性 谱宽较宽，单色性较差 谱宽窄，单色性好 温度特性 影响小，不需温度控制影响大，需温度控制LED与LD的比较LED LD 结构 异质结、无谐振腔 异质普通LDLD 外形图普通LDLD 外形图四、数字光发射机四、数字光发射机光发射机的基本功能是将携带信息的电信号转换成光信号，并将光信号送入光纤中。光发射机除了半导体光源及其驱动电路之外还包括使系统正常、可靠工作的一些辅助控制电路部分。四、数字光发射机光发射机的基本功能是将携带信息的电信号转换成数字光发射机结构图 线路编码驱动电路保护光源温度控制功率控制电数字信号光信号输出接口部分驱动部分控制部分数字光发射机结构图 线路编码驱动电路保护光源温度控制电数字信光源的驱动 光源的驱动就是根据输入的电信号产生相应的光信号的过程。采用的器件不同、调制方式的不同、输入信号类型的不同都有不同的驱动方式。光源的驱动 光源的驱动就是根据输入的电信号产生相应的光信号的LED的模拟驱动LED的模拟驱动LED的数字驱动LED的数字驱动LEDLED的驱动的驱动 LED的驱动 LDLD的驱动的驱动 与LED相比，LD的驱动要复杂的多。n增大直流预偏置电流使其逼近阈值，可以减小电光延迟时间，抑制张迟振荡；n当激光器偏置在阈值附近，较小的调制脉冲电流就能得到足够的输出光脉冲，可以大大减小码型效应；n加大直流偏置电流使激光器在发“0”与发“1”时的光功率之比（即消光比）增大，影响接收机的灵敏度。因此，偏置电流的选择要兼顾电光延迟、张迟振荡、码型效应以及消光比等各种因素，根据器件的性能，系统的具体要求，适当选择。LD的驱动 与LED相比，LD的驱动要复杂的多。光源的自动温度控制（ATC）随着温度的升高，半导体光源（特别是LD）的特性要发生劣化（发光功率降低、波长漂移、阈值增加等）。温度控制采用微型制冷器、热敏元件及控制电路组成。热敏元件监测激光器的结温，与设定的基准温度比较，根据温度差异的情况，驱动制冷器的控制电路，改变制冷效果，从而使激光器在恒定的温度下工作。微型制冷器多采用利用半导体材料的珀尔帖效应制成的半导体制冷器。珀尔帖效应是当直流电流通过P型和N型两种半导体组成的电偶时，可以使一端吸热而使另一端放热的一种现象。光源的自动温度控制（ATC）随着温度的升高，半导体光源（自动温度控制方框图 激光器制冷器热敏电阻控制电路自动温度控制方框图 激光器制冷器热敏电阻控制电路光源的自动功率控制（APC）LD的输出功率与温度变化有关，与器件的老化有关。随着老化，LD的阈值上升，输出光功率下降。采取自动功率控制稳定输出光功率。光源的自动功率控制（APC）LD的输出功率与温度变化有关，光源的保护和告警 光源特别是LD是易损器件，必须采取措施使不受外界因素的损害。包括：温度和电流。电流保护是要防止通过光源的电流过大。包括电流接通时的保护、工作过程中的过流保护以及反向冲击电流保护等。还应包括告警电路，在系统出现故障或工作不正常时的及时发送告警信号，提醒设备维护人员及时进行相应的处理。一般包括无光告警、寿命告警、温度告警等。光源的保护和告警 光源特别是LD是易损器件，必须采取措施使不光源与光纤的耦合 耦合效率与光源的类型和光纤的类型有关。影响耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径。发散角大，耦合效率低；数值孔径大，耦合效率高。光源发光面和光纤端面的尺寸、形状及两者之间的距离都会影响到耦合效率。光源与光纤的耦合 耦合效率与光源的类型和光纤的类型有关。光源与光纤的透镜耦合 柱透镜柱透镜 球面透镜 自聚焦透镜光源与光纤的透镜耦合 柱透镜柱透镜 自聚焦透镜第二部分光检测器及光接收机 第二部分光检测器及光接收机 主要内容一、光检测器原理二、PIN三、APD四、数字光接收机主要内容一、光检测器原理二、PIN三、APD四、数字光接收机光接收机组成框图 把接收到的光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复原传输的信号。适用于数字系统也适用于模拟系统。光检测器前置放大器主放大器均衡器滤波器光信号电信号光接收机组成框图 把接收到的光发射机发送的携带有信息的光信号光接收机光电转换原理示意图光接收机光电转换原理示意图对光检测器的基本要求在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；具有良好的线性关系，保证信号转换过程中的不失真；具有较小的体积、较长的工作寿命等。对光检测器的基本要求在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即半导体光检测器 光纤通信用光检测器有PIN和APD。核心是结半导体PN以PN结的光电效应为基础 半导体光检测器 光纤通信用光检测器有PIN和APD。PN结的光电效应 当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近载流子基本上耗尽形成耗尽区。当光束入射到PN结上，且光子能量hv大于半导体材料的带隙Eg时，价带电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子空穴对。在耗尽区，电子在内建电场的作用下向N区漂移，空穴向P区漂移，如果PN结外电路构成回路，就会形成光电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电流信号。PN结的光电效应 当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结截止波长当入射光子能量小于Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即光电效应必须满足hvEg截止波长：产生光电效应的入射光的最大波长。lc=hc/EgSi为材料的光电二极管lc=1.06mmGe为材料的光电二极管lc=1.60mm 截止波长当入射光子能量小于Eg时，不论入射光有多强，光电效应利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极管。但简单结构，无法减低暗电流和提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合做光纤通信的检测器。利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极管。但简单结构，无二、PIN光电二极管 结构：PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。电极电极电场光增透膜INP二、PIN光电二极管 结构：PIN光电二极管是在掺杂浓度很高在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。I层吸收系数很小，入射光可以很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子空穴对，因而大幅提高了光电转换效率。I层两侧的P层、N层很薄，光生载流子的漂移时间很短，大大提高了器件的响应速度。在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。I层吸收PIN光电二极管结构及场强分布PIN光电二极管结构及场强分布PIN光电二极管光电转换原理PIN光电二极管光电转换原理PIN光电二极管的特性 响应波长响应度量子效率响应速度噪声特性PIN光电二极管的特性 响应波长响应度量子效率响应速度噪声特响应波长波长响应范围：光检测器只可以对一定波长范围的光信号进行有效的光电转换上限波长：即截止波长下限波长：当波长很短时，材料的吸收系数很大。光在半导体材料表层即被吸收殆尽。在表层产生的光生载流子要扩散到耗尽层才能产生光生电流，而在表层为零电场扩散区，扩散速度很慢，在光生载流子还没有到达耗尽层时就大量被复合掉了，使得光电转换效率在波长很短时大大下降。响应波长波长响应范围：光检测器只可以对一定波长范围的光信号进材料的吸收系数随波长的变化半导体的吸收作用随波长减小而迅速增强 材料的吸收系数随波长的变化半导体的吸收作用随波长减小而迅速增总结检测某波长的光时要选择适当材料的光检测器。材料的带隙决定的截止波长要大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。SiPIN光电二极管的波长响应范围为0.51mm，GePIN和InGaAsPIN光电二极管的波长响应范围约为11.7mrn。总结检测某波长的光时要选择适当材料的光检测器。材料的带隙决定响应度描述光检测器能量转换效率的一个参量Pin为入射到光电二极管上的光功率，Ip为所产生的光电流。它的单位为A/W。响应度描述光检测器能量转换效率的一个参量Pin为入射到光电二量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比。量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。定义为单位时间内产生响应速度响应速度用响应时间（上升时间和下降时间）来表示用响应时间（上升时间和下降时间）来表示 tt光光脉脉冲冲检检波波输输出出RLhn nhn nRLRsRACACd输出输出输出输出响应速度用响应时间（上升时间和下降时间）来表示 tt光脉冲检影响响应速度的主要因素 完整的响响应应过过程程：从输入光信号开始到转换成的电信号被检测n载流子漂移通过耗尽区的渡渡越越时时间间：与电场强度有关，电场强度较低时，漂移速度正比与电场强度，当电场强度达到某一值后，漂移速度不再变化。n耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟扩散引起的延迟n检测器和它的负载的RCRC时时间间常常数数：对检测器来说，就要尽可能降低结电容 影响响应速度的主要因素 完整的响应过程：从输入光信号开始到转噪声特性除负载电阻的热噪声以外，其它都为散弹噪声。散弹噪声是由于带电粒子产生和运动的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白噪声。量子噪声暗电流噪声漏电流噪声负载电阻的热噪声噪声特性除负载电阻的热噪声以外，其它都为散弹噪声。散弹噪声量子噪声是由于光电子产生和收集的统统计特性计特性造成的，与平均光电流Ip成正比。来自噪声电流的均方值可表示为暗电流噪声是当没有入射光时没有入射光时流过器件偏置电路的电流，它是由于PN结内热效应产生的电子空穴对形成的，是PIN的主主要噪声源要噪声源。暗电流的均方值可表示为量子噪声是由于光电子产生和收集的统计特性造成的，与平均光电流表面漏电流是由于器件表面物理特性的不完善，如表面缺陷、不清洁、表面积大小和加有偏置电压而引起的。漏电流的均方值可表示为任何电阻都具有热噪声，只要温度高于绝对零度，电阻中大量的电子就会在热激励下作无规则运动，由此在电阻上形成无规则弱电流，造成电阻的热噪声。均方热噪声电流为 表面漏电流是由于器件表面物理特性的不完善，如表面缺陷、不清洁三、雪崩光电二极管（APD）Avalanche Photodiode当耗尽区中的场场强强达达到到足足够够高高时，入射光产生的电子或空穴将不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子和空穴在运动过程中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，激发出新的电子空穴对。这些碰撞电离产生的电子和空穴在场中也被加速，也可以电离其它的原子，重复着这一过程。经过多次后电离，载流子迅速增加，形成雪崩倍增效应。三、雪崩光电二极管（APD）Avalanche Photo结构结构 结构 RAPD的结构RAPD的结构RAPD管工作原理示意图RAPD管工作原理示意图RAM-APD的结构RAM-APD的结构SAM-APD管的结构SAM-APD管的结构SAM-APD管的场分布SAM-APD管的场分布特性包括波长响应范围、量子效率、响应度、响应速度等。除此之外，由于APD中存在雪崩倍增效应，APD的特性还包括雪崩倍增特性、倍增噪声、温度特性等。倍增因子g：APD输出光电流Io和一次光生电流Ip的比值。随反向偏压、波长和温度而变化。现在g值已达到几十甚至上百。特性包括波长响应范围、量子效率、响应度、响应速度等。除此之外噪声特性：除了量子噪声、暗电流、漏电流噪声之外，还有附加的倍增噪声。雪崩倍增效应不仅对信号电流有放大作用，而且对噪声电流也有放大作用。雪崩效应产生的载流子也是随机的，会引入新的噪声成分。噪声特性：除了量子噪声、暗电流、漏电流噪声之外，还有附加的倍附加噪声因子F=gx描述雪崩效应的随机性能够引起的噪声增加的倍数。x：附加噪声指数，Si：x=0.30.5；Ge：x=0.61.0；InGaAsP：x=0.50.7。APD中表面漏电流不被倍增，热噪声与PIN的特性相同。量子噪声为暗电流噪声为 附加噪声因子F=gx描述雪崩效应的随机性能够引起的噪声增加的温度特性：当温度变化时，原子的热运动状态发生变化，从而引起电子、空穴电离系数的变化，使得APD的增益也随温度而变化。随着温度的升高，倍增增益下降。为保持稳定的增益，需要在温度变化的情况下进行温度补偿。温度特性：当温度变化时，原子的热运动状态发生变化，从而引起电四、数字光接收机 包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。光信号再生码流光检测器前置放大器主放大器均衡器判决器AGC电路时钟提取四、数字光接收机 包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器前置放大器、主放大器前置放大器是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型。主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。前置放大器、主放大器前置放大器是低噪声放大器，它的噪声对光接均衡、判决、再生均衡的目的是对经光纤传输、光电转换和放大后已产生畸变（失真）的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决（一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形），以消除码间干扰，减小误码率。再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。均衡、判决、再生均衡的目的是对经光纤传输、光电转换和放大后数字光接收机的噪声源 影响接收机灵敏度的主要因素是信号检测和放大系统中的各种噪声。各种噪声可分为散弹噪声和热噪声两大类。散弹噪声包括光检测器的量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD的倍增噪声；热噪声包括负载电阻上的热噪声和放大电路中产生的噪声。方值形式类似于PIN噪声特性中的各种表示。数字光接收机的噪声源 影响接收机灵敏度的主要因素是信号检测和光检测器放大器入射光子偏置电阻量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声光检测器放大器入射偏置量子暗电流噪声热噪声放大器噪声is id CPN RL iL Cs ia Ra Caea光检光检 偏置偏置 前前 置置 主放主放 均衡均衡 滤波滤波测器测器 电路电路 放大器放大器 大器大器 器器 器器A1 A2 E F 输出输出is id CPN RL iL Cs ia 数字光接收机的噪声特性的分析方法噪声是一种随机过程，应采取随机过程的分析方法。用概率密度和概率分布函数来表示随机过程的统计特性。接收机可以等效为叠加有噪声的理想电路。根据输入（包括噪声）利用各部分的响应函数就可以获得系统的输出，获得系统输出由于各种噪声影响的统计平均特性。确定系统的噪声特性后，就可以进行灵敏度的计算。数字光接收机的噪声特性的分析方法噪声是一种随机过程，应采取随由于噪声的存在，使接收机可能出现误码，将“1”码误判为“0”码、“0”码误判为“1”码。“0”码误判为“1”码的概率为“1”码误判为“0”码的概率为总误码率BER为 f0(x)、f1(x)：“1”码、“0”码取值的概率密度 P(0)、P(1)：码流中“0”、“1”码出现的概率 D：判决电平 由于噪声的存在，使接收机可能出现误码，将“1”码误判为“0”数字光接收机的灵敏度 灵敏度是指在给定误码率条件下，能够检测到的最小信号光功率，通常用dBm表示。表示接收机检测微弱信号的能力。是光接收机最重要的性能指标。影响光接收机的灵敏度的主要因素是光检测器和前置放大器的噪声特性。根据要达到的误码率，利用噪声特性，确定入射光功率，从而确定灵敏度。数字光接收机的灵敏度 灵敏度是指在给定误码率条件下，能够检测“0”码码 “1”码码f1(x)f0(x)E01E10 V0 D V1V“0”码 “1”码f1(x)f0(x)E0前置放大器由于前置放大器的噪声特性是影响光接收机的灵敏度的主要因素之一，所以前置放大器必须有良好的噪声特性，同时还必须考虑带宽特性。分类：低阻抗前置放大器电路高阻抗前置放大器电路互阻抗前置放大器电路前置放大器由于前置放大器的噪声特性是影响光接收机的灵敏度的主动态范围实际中，光接收机的输入光脉冲信号的功率由于中继距离的不同、线路衰减随温度的变化及发送光功率的变化等会发生不同程度的变化。光接收机要保证可以在不同输入条件下都可以正常工作。这种光接收机能适应的输入光功率的变化范围称为动态范围。用dB表示动态范围实际中，光接收机的输入光脉冲信号的功率由于中继距离的自动增益控制（AGC）接收机放大器输出的信号，还需要经过定时再生处理，要求光接收机在不同的输入光功率信号下，经过放大器自动增益控制，使输出信号幅度恒定不变，即大的光信号功率输入时，减小其放大器的增益，反之增大放大的增益，使输出达到恒定，以利于后续电路的处理。自动增益控制（AGC）接收机放大器输出的信号，还需要经过定时