光探测及光接收机

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 光探测及光接收机,5.1 数字光接收机,5.2 光电检测过程的基本原理,5.3 光接收机的性能,5.3.1 光接收机的信噪比,5.3.2 光接收机的灵敏度,5.3.3 光接收机的误码率,5.3.4 最小平均接收光功率,光接收机的性能指标,光发射机发射的光信号经光纤传输,损耗：信号幅度衰减,色散：信号波形展宽,光接收机作用,检测微弱光信号、放大、整形、还原成为输入信号,器件,光电检测器：利用光电效应把光信号转变为电信号,光电二极管：,PIN管，雪崩二极管APD,基本要求,灵敏度高、响应快、成本低、可靠性高、耦合性能好,5.1 数字光接收机,强度调制的数字光信号，接收端采用直接检测（DD）。,IM-DD 数字光纤接收机,(IM-DD:Intensity Modulation-Direct Detection),光信号,光电检测器,前,置,放,大,主,放,大,均,衡,滤,波,判,决,器,译,码,器,时钟恢复,偏置控制,输出,电信号,码,型,变,换,器,解,复,用,器,告警电路,AGC,电路,告警信号,光电检测器：光信号转换成电信号,PIN,半导体光电二极管,APD,雪崩光电二极管,2.,前置放大器：,低噪声放大器,减弱或防止电磁干扰,抑制噪声（热噪声和散粒噪声）,放大信号,（,1,）带宽和灵敏度：接收机中心问题（降低输入噪声，提高灵敏度）,高输入阻抗前置放大器：高输入阻抗可减小热噪声，提高接收机灵敏度，但降低带宽。,（,2,）带宽与均衡滤波：均衡滤波技术消除码间干扰，扩大带宽。,主放大器：,（,1,）,提供足够大的增益，达到判决电路所需的信号电平；,（,2),增益受,AGC,电路控制。,4.,均衡滤波,:,虑除波形展宽，消除码间干扰。,5.,判决器/时钟恢复：对信号进行再生，包括调谐放大、限幅、整形、移相。,6.,解复用器,:,若发射端复用,则接收端需解复用。,译码,/,码型变换器：,（,1,）若发射端进行了扰码，需要译码；,（,2,）,HDB3,、,CMI,码等解码。,5.2 光电检测过程的基本原理,(1)入射光子的能量,hf,超过禁带能量,E,g,，进入耗尽层，在耗尽区吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生,受激吸收,。,(2)在PN结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子空穴对在电场作用下，分别离开耗尽区，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N区进入正电极，从而形成在外电路中的光生电流,I,p,。（图示）,光电效应必须满足条件：,hfE,g,入射光,耗尽层,Ip,R,L,w,U,电极,P,N,光电二极管：,PIN,PIN,二极管：,在,P+,和,N-,之间加入一个,Si,中掺杂较少的,I,层，作为耗尽层，,I,层较宽，约有,5um50um，,可吸收绝大部分光子。响应时间由光生载流子穿越耗尽层的宽度,W,所决定。增加,W,会使更多的光子被吸收，从而增加量子效率，但是载流子穿越,W,的时间增加，响应速变慢。,响应波长,（截止波长）,任何一种材料制作的光电二极管，都有,性能参数,量子效率,=(hf/q)R,q,:,电荷,响应度,R,光电检测器的响应度。,暗电流,I,d,，表示无光照时出现的反向电流，影响接收机的信噪比。,响应速度：对光信号的反应速度。,结电容Cd（pF）：影响响应速度。,雪崩光电二极管,APD:Avalanche photodiode,(1),速度高，增益大，广泛应用于光通信系统中。,(2),能承受高的反向偏压，从而在,PN,结内部形成一个高电场区，电子空穴对经过电场区时被加速，又可能碰到其他原子，多次碰撞电离的结构，使载流子迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪崩倍增效应。,APD,就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器,平均雪崩效应，经验公式,新型,APD,(1),采用,InP,材料作增益区的异质结,分别吸收和倍增,APD:SAMAPD(Separate Absorption and Multiplication APD),目的是使工作波长在1.3,um1.6um,波长波段上。,(2),分别吸收、渐变、倍增,APD：SAGMAPD(Separate Absorption Grading and Multiplication APD),在,InCaAs、InP,之间增加一层带隙介于两者之间的半导体材料，克服,SAMAPD,响应时间长的缺点。,(3),多量子阱,MQWAPD：Multiple,Quantum Well,利用,InCaAs、InP,交替变化的结构，从而形成高低带隙交替变化的半导体层,.,MSM,光探测器：金属半导体金属光探测器（,MetalSemiconductorMetal），,基本原理一样，入射光子产生电子空穴对，电子空穴对的波动产生光电流,集成光学光电探测器,为适应光电子集成电路（,OEIC）,的要求，研究适用于单片集成的各种光波探测器，光波导探测器，不采用光压电方式，采用光电导和雪崩方式,(1)外延生长InGaAs,探测器,采用外延生长的方式制作，通过控制材料 中,In的含量，可使器件在0.855.3um光波长范围内工作;通过适当选择InGaAs中的掺杂浓度，使耗尽层厚度正好等于波导厚度，并使InCaAs的横截面大于波导的横截面，有可能达到100%的量子效率。,(2),电吸收光波导探测器,入射光频姐姐禁带宽度时，光吸收的大小主要取决于外加电场的大小，电吸收效应,(3)离子注入探测器,在CaAs衬底中注入高能离子，形成光波导。,5.3 光接收机的性能,5.3.1,信噪比,产生噪声原因,（,1,）散粒噪声：由检测器本身引起,入射光功率产生的光电流：,热噪声,：电子在光电二极管负载电阻上的随机热运动，即使外加电压为零，也产生电流的随机起伏。,PIN光接收机：只对信号进行光电转换，而无放大功能。,APD光接收机,APD的内部增益使产生的电流扩大了M,倍，即：,散粒噪声,5.3.2 光接收机的灵敏度,灵敏度是光接收机最重要的指标之一，指保证完成一定通信质量条件下所需要接收的最小信号功率,Ps,。,Ps,越小越好，受噪声限制。,通过误码率判断,影响光接收机灵敏度的因素：,暗电流。,倍增失调使灵敏度下降,:(自动增益控制)。,放大器的噪声使灵敏度下降。,接收机总电容C包括探测器电容、前置放大器输入电容，C增大一倍，灵敏度下降一倍。,比特率对灵敏度影响：比特率越大，灵敏度下降越多。,输入波形脉冲对灵敏度影响：波形越宽，灵敏度下降越大。,5.3.3 光接收机误码率,比特误码率（BER）：最重要指标之一。定义为码元在传输过程中出现差错的概率，出错码元数、传输总码元数。数字光接收机的要求：,采用非归零码时：,BER=,P(1)P(0/1,)+,P(0)P(1/0),0、1的出现是等概率时，,P(0)=P(1)=0.5,，得,BER,0.5P(0/1)+P(1/0),判决门限,阴影区表示,概率,概率分布,高斯随机过程：,最佳判决电流,在实际系统中,I,0,=0,I,1,=MP,in,R,实际上，,热噪声与信号电流无关，仅有热噪声或散粒噪声很小时，,散粒噪声与信号电流有关时，,最佳判决情况下：,5.3.4 最小平均接收光功率,用来计算最小接收光功率：,设定“0”码时不发射光功率,Io0 Po0,“1”码功率为,P1,光接收机的性能指标,性能监测：光谱仪，观察接收信号的眼图,绝对最大额定值：,正向电流,反向电流,反向电压,光学和电学特性参数,正向压降,量子效率,，,光生载流子数/入射光函数,PIN：,在规定的波长和反向电压下确定,APD:,在规定的波长和倍增因子等于1的条件下确定,光响应度,R,暗电流,Id:,把规定反向电压（,PIN）,或90击穿电压（,APD）,时，无入射光情况下,器件内部产生的反向电流,最大倍增因子,Mmax,光电二极管电容,Ct,灵敏度,响应速度,