情境4-2 光檢測(cè)器與接收機(jī)

1、情境情境4 4光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)情境情境4-24-2光檢測(cè)器與光接收機(jī)光檢測(cè)器與光接收機(jī)4.2.1 4.2.1 光檢測(cè)器光檢測(cè)器4.2.2 4.2.2 光電二極管光電二極管4.2.3 4.2.3 光接收機(jī)光接收機(jī)4.2.4 4.2.4 光中繼器光中繼器 光檢測(cè)器光檢測(cè)器偏壓控制偏壓控制前置放大器前置放大器AGC電路電路均衡器均衡器判決器判決器時(shí)鐘提時(shí)鐘提取取再生碼流再生碼流主放大器主放大器光信號(hào)光信號(hào)數(shù)字光接收機(jī)數(shù)字光接收機(jī)前端前端線性通道線性通道時(shí)鐘提取時(shí)鐘提取數(shù)據(jù)再生數(shù)據(jù)再生v光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的基本組成部分之一，主光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的基本組成部分之一，主要完成光電檢測(cè)及信號(hào)

2、處理，即實(shí)現(xiàn)光電（要完成光電檢測(cè)及信號(hào)處理，即實(shí)現(xiàn)光電（O/EO/E）轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換v光接收機(jī)的首要任務(wù)是將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信光接收機(jī)的首要任務(wù)是將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再對(duì)電信號(hào)進(jìn)行整形、放大以及再生號(hào)，再對(duì)電信號(hào)進(jìn)行整形、放大以及再生v光接收機(jī)的首要部件是光接收機(jī)的首要部件是光檢測(cè)器光檢測(cè)器，它是影響著光接，它是影響著光接收機(jī)性能的重要器件收機(jī)性能的重要器件 光電檢測(cè)器能檢測(cè)出入射在其上面的光功率，并完成光光電檢測(cè)器能檢測(cè)出入射在其上面的光功率，并完成光/電信號(hào)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是：的轉(zhuǎn)換。對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是： 在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上具有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射在系

3、統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上具有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；光功率，能夠輸出盡可能大的光電流； 具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)； 具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對(duì)信號(hào)的影響；具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對(duì)信號(hào)的影響； 具有良好的線性關(guān)系，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的不失真；具有良好的線性關(guān)系，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的不失真； 具有較小的體積、較長(zhǎng)的工作壽命等。具有較小的體積、較長(zhǎng)的工作壽命等。 目前常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器有兩種，目前常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器有兩種，PIN光電二極管和光電二極管和APD雪崩光電二

4、極管。雪崩光電二極管。4.2 光電檢測(cè)器光檢測(cè)器光檢測(cè)器1. 1. 光檢測(cè)器作用光檢測(cè)器作用利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光檢測(cè)器件質(zhì)量的優(yōu)劣在很大程度上決定了光接收光檢測(cè)器件質(zhì)量的優(yōu)劣在很大程度上決定了光接收機(jī)機(jī)靈敏度靈敏度的高低。的高低。從損耗的角度出發(fā)，光接收機(jī)靈從損耗的角度出發(fā)，光接收機(jī)靈敏度和光源器件的發(fā)光功率、光敏度和光源器件的發(fā)光功率、光纖的損耗三者一起便決定了光纖纖的損耗三者一起便決定了光纖通信的傳輸距離。通信的傳輸距離。 PN結(jié)結(jié)耗盡層耗盡層內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)VCC當(dāng)當(dāng)PN結(jié)兩端加上反向偏置電壓結(jié)兩端加上反向偏置電壓時(shí)，耗盡

5、區(qū)加寬，勢(shì)壘加強(qiáng)。時(shí)，耗盡區(qū)加寬，勢(shì)壘加強(qiáng)。光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理當(dāng)光照射到光電二極管的光敏當(dāng)光照射到光電二極管的光敏面上時(shí)，能量大于或等于帶隙面上時(shí)，能量大于或等于帶隙能量能量EgEg的光子將激勵(lì)價(jià)帶上的的光子將激勵(lì)價(jià)帶上的電子吸收光子的能量而躍遷到電子吸收光子的能量而躍遷到導(dǎo)帶上，可以產(chǎn)生自由電子導(dǎo)帶上，可以產(chǎn)生自由電子- -空穴對(duì)（稱為光生載流子）?？昭▽?duì)（稱為光生載流子）。電子電子- -空穴對(duì)在反向偏置的外空穴對(duì)在反向偏置的外電場(chǎng)作用下立即分開(kāi)并在結(jié)區(qū)電場(chǎng)作用下立即分開(kāi)并在結(jié)區(qū)中向兩端流動(dòng)，從而在外電路中向兩端流動(dòng)，從而在外電路中形成電流（光電流）。中形成電流（光電流

6、）。2.2.光纖通信對(duì)光檢測(cè)器的要求光纖通信對(duì)光檢測(cè)器的要求v響應(yīng)度響應(yīng)度( (量子效率量子效率) )高高響應(yīng)度是指輸入單位光功率信號(hào)時(shí)光檢測(cè)器所響應(yīng)度是指輸入單位光功率信號(hào)時(shí)光檢測(cè)器所產(chǎn)生的電流值。因?yàn)閺墓饫w傳輸來(lái)的光信號(hào)十產(chǎn)生的電流值。因?yàn)閺墓饫w傳輸來(lái)的光信號(hào)十分微弱，僅有毫微瓦（分微弱，僅有毫微瓦（nw）數(shù)量級(jí)，要想從中）數(shù)量級(jí)，要想從中檢測(cè)出通信信息，光檢測(cè)器必須具有很高的響檢測(cè)出通信信息，光檢測(cè)器必須具有很高的響應(yīng)度，即必須具有很高的光應(yīng)度，即必須具有很高的光/電轉(zhuǎn)換效率電轉(zhuǎn)換效率。 v噪聲低噪聲低 光檢測(cè)器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些附加噪聲如暗電光檢測(cè)器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些附加噪聲如暗電流噪

7、聲、雪崩噪聲等。這些噪聲如果很大，就流噪聲、雪崩噪聲等。這些噪聲如果很大，就會(huì)附加在只有毫微瓦數(shù)量級(jí)的微弱光信號(hào)上，會(huì)附加在只有毫微瓦數(shù)量級(jí)的微弱光信號(hào)上，降低了光接收機(jī)的靈敏度。降低了光接收機(jī)的靈敏度。 v工作電壓低工作電壓低與光源器件不同，光檢測(cè)器是工作在反向偏置與光源器件不同，光檢測(cè)器是工作在反向偏置狀態(tài)。有一類光檢測(cè)器件狀態(tài)。有一類光檢測(cè)器件APD，必須處在接近，必須處在接近反向擊穿狀態(tài)才能很好的工作，因此需要較高反向擊穿狀態(tài)才能很好的工作，因此需要較高的工作電壓（的工作電壓（100伏以上）。工作電壓過(guò)高伏以上）。工作電壓過(guò)高,會(huì)給會(huì)給使用帶來(lái)不便。使用帶來(lái)不便。 v體積小、重量輕、壽

8、命長(zhǎng)體積小、重量輕、壽命長(zhǎng) 由于光檢測(cè)器的光敏面（接收光的面積）一般由于光檢測(cè)器的光敏面（接收光的面積）一般都可以做到大于光纖的纖芯，所以從光纖傳輸都可以做到大于光纖的纖芯，所以從光纖傳輸來(lái)的光信號(hào)基本上可以全部被光檢測(cè)器件接收，來(lái)的光信號(hào)基本上可以全部被光檢測(cè)器件接收，故不存在與光纖的耦合效率問(wèn)題。故不存在與光纖的耦合效率問(wèn)題。 3. 3. 光檢測(cè)器的類型光檢測(cè)器的類型光電倍增管光電倍增管熱電檢測(cè)器熱電檢測(cè)器光電二極管光電二極管PINPIN光電二極管光電二極管雪崩光電二極管雪崩光電二極管APDAPD為了提高接收機(jī)的靈敏度，又常將為了提高接收機(jī)的靈敏度，又常將PINPIN光電二極管和雪崩光光電

9、二極管和雪崩光電二極管電二極管APDAPD與場(chǎng)效應(yīng)管（與場(chǎng)效應(yīng)管（FETFET）組合成為）組合成為PIN-FETPIN-FET和和APD-APD-FETFET接收機(jī)組件，這樣它們兼有光電轉(zhuǎn)換和放大作用接收機(jī)組件，這樣它們兼有光電轉(zhuǎn)換和放大作用v結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)普通光電二極管的工作原理普通光電二極管的工作原理 在耗盡區(qū)在耗盡區(qū) 形成形成漂移電流漂移電流。 內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向N區(qū)區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)區(qū)運(yùn)動(dòng)電子和空穴的電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) PN PN結(jié)合區(qū)結(jié)合區(qū) 自建電場(chǎng)自建電場(chǎng) 稱稱耗盡區(qū)耗盡區(qū) （1 1）PINPIN光電二極管光電二極管如果光子的能量大于如

10、果光子的能量大于或等于帶隙或等于帶隙( hf Eg ) 當(dāng)入射光作用在當(dāng)入射光作用在PNPN結(jié)時(shí)結(jié)時(shí) 發(fā)生發(fā)生受激吸收受激吸收在在 PN PN 結(jié)施加反向電壓（結(jié)施加反向電壓（N N接正、接正、P P接負(fù)）的情況下，接負(fù)）的情況下，受激吸收過(guò)程產(chǎn)生的受激吸收過(guò)程產(chǎn)生的電子電子 空穴對(duì)空穴對(duì)在電場(chǎng)的作用下在電場(chǎng)的作用下, , 分分別離開(kāi)耗盡區(qū)，電子向別離開(kāi)耗盡區(qū)，電子向 N N 區(qū)漂移，空穴向區(qū)漂移，空穴向 P P 區(qū)漂移，區(qū)漂移，從而在外電路形成從而在外電路形成光生電流光生電流。當(dāng)入射功率變化時(shí)，當(dāng)入射功率變化時(shí)，光生電光生電流流也隨之線性變化，從而把也隨之線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)

11、。光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)。PIN 光電二極管的工作原理v要得到高的量子效率，必須采取如下措施：要得到高的量子效率，必須采取如下措施：(1) (1) 減小入減小入射表面的反射率；射表面的反射率；(2) (2) 盡量減小光子在表面層被吸收的盡量減小光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡層的寬度。因此，為了得到高的量子可能性，增加耗盡層的寬度。因此，為了得到高的量子效率，常采用效率，常采用 PIN 結(jié)構(gòu)，如圖結(jié)構(gòu)，如圖5.25.2所示。所示。 圖圖5.2 5.2 PIN 光電二極管光電二極管PIN 光電二極管的工作原理vI 區(qū)是一層接近本征的摻雜很低的區(qū)是一層接近本征的摻雜很低的N 區(qū)，在這種結(jié)構(gòu)中，區(qū)

12、，在這種結(jié)構(gòu)中，零電場(chǎng)區(qū)（零電場(chǎng)區(qū)（ 區(qū)和區(qū)和 區(qū)）非常薄，而低摻雜的區(qū)）非常薄，而低摻雜的 I 區(qū)很區(qū)很厚，耗盡層幾乎占據(jù)了整個(gè)厚，耗盡層幾乎占據(jù)了整個(gè)PN 結(jié)，從而使光子在耗盡區(qū)結(jié)，從而使光子在耗盡區(qū)被充分吸收。被充分吸收。v對(duì)于對(duì)于 InGaAs 材料的光電二極管，往往還采用異質(zhì)結(jié)結(jié)材料的光電二極管，往往還采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，耗盡區(qū)構(gòu)，耗盡區(qū)( InGaAs )夾在寬帶隙的夾在寬帶隙的 InP 材料之間，而材料之間，而InP 對(duì)于入射光幾乎是透明的。對(duì)于入射光幾乎是透明的。PNPINPIN光電二極管光電二極管 光檢測(cè)器中最普通且實(shí)用是光檢測(cè)器中最普通且實(shí)用是PINPIN光電二極管光電二極管J

13、優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：附加噪聲小、工作電壓低、工作壽命長(zhǎng)、使用方便附加噪聲小、工作電壓低、工作壽命長(zhǎng)、使用方便和價(jià)格便宜。和價(jià)格便宜。L缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：沒(méi)有倍增效應(yīng)，因而用它作的接收機(jī)靈敏度不高。沒(méi)有倍增效應(yīng)，因而用它作的接收機(jī)靈敏度不高。C應(yīng)用：應(yīng)用：較短距離的光纖通信。（小容量與大容量皆可）較短距離的光纖通信。（小容量與大容量皆可）（2 2）APDAPD雪崩光電二極管雪崩光電二極管1.1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) APDAPD是一個(gè)是一個(gè)光電二極管光電二極管和一個(gè)和一個(gè)電電信號(hào)放大器信號(hào)放大器的集成器件。的集成器件。 在在PINPIN增加了一個(gè)增加了一個(gè)層（層（i i區(qū)）區(qū)），組成了組成了n n+ +pppp+ +多層

14、結(jié)構(gòu)。多層結(jié)構(gòu)。其中，其中，n n+ +表示重?fù)诫s的表示重?fù)诫s的N N型型； p p+ +表示外延的重?fù)诫s的表示外延的重?fù)诫s的P P型型。 區(qū)區(qū)是是i本征材料本征材料（耗盡區(qū)），吸收（耗盡區(qū)），吸收光子產(chǎn)生一次光子產(chǎn)生一次電子電子空穴對(duì)空穴對(duì)；p層層位于位于n+和和之之間，稱間，稱倍增層倍增層，通，通過(guò)碰撞電離在倍增過(guò)碰撞電離在倍增層產(chǎn)生層產(chǎn)生二次電子二次電子空穴對(duì)空穴對(duì)。設(shè)計(jì)動(dòng)機(jī)：設(shè)計(jì)動(dòng)機(jī)：在光生電在光生電流尚未遇到后續(xù)電路流尚未遇到后續(xù)電路的熱噪聲時(shí)已經(jīng)在高的熱噪聲時(shí)已經(jīng)在高電場(chǎng)的雪崩區(qū)中得到電場(chǎng)的雪崩區(qū)中得到放大，因此有助于提放大，因此有助于提高接收機(jī)靈敏度。高接收機(jī)靈敏度。（2 2）雪

15、崩光電二極管）雪崩光電二極管APDAPDPIN:PIN:1 1個(gè)光子最多產(chǎn)生一對(duì)電子個(gè)光子最多產(chǎn)生一對(duì)電子- -空穴對(duì)空穴對(duì), ,無(wú)增益無(wú)增益APD:APD:利用電離碰撞利用電離碰撞, , 1 1個(gè)光子產(chǎn)生多對(duì)電子個(gè)光子產(chǎn)生多對(duì)電子- -空穴對(duì)空穴對(duì), ,有增益有增益J優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：具有放大效應(yīng)，由它制成的光接收機(jī)具有很高靈具有放大效應(yīng)，由它制成的光接收機(jī)具有很高靈敏度，可大大增加系統(tǒng)的傳輸距離。敏度，可大大增加系統(tǒng)的傳輸距離。L缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：產(chǎn)生了雪崩噪聲。產(chǎn)生了雪崩噪聲。C應(yīng)用：應(yīng)用：大容量、長(zhǎng)距離的光纖通信。大容量、長(zhǎng)距離的光纖通信。4.2.2 4.2.2 光電二極管特性光電二極管特性1.1

16、.主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)v 量子效率量子效率v 響應(yīng)速度響應(yīng)速度v 檢測(cè)器噪聲檢測(cè)器噪聲光電檢測(cè)器的特性指標(biāo)1. 響應(yīng)度響應(yīng)度在一定波長(zhǎng)的光照射下，光電檢測(cè)器的平均輸出電流與入射在一定波長(zhǎng)的光照射下，光電檢測(cè)器的平均輸出電流與入射的平均光功率之比稱為響應(yīng)度的平均光功率之比稱為響應(yīng)度(或響應(yīng)率或響應(yīng)率)。響應(yīng)度可以表示。響應(yīng)度可以表示如下：如下：PIpR0式中：式中：Ip為光生電流的平均值為光生電流的平均值(單位：?jiǎn)挝唬篈)；P為平均入射光功為平均入射光功率值率值(單位：?jiǎn)挝唬篧)。2. 量子效率量子效率響應(yīng)度是器件在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性，而響應(yīng)度是器件在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性，

17、而量子效率是器件在內(nèi)部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性。量子效量子效率是器件在內(nèi)部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性。量子效率定義為通過(guò)結(jié)區(qū)的載流子數(shù)與入射的光子數(shù)之比，率定義為通過(guò)結(jié)區(qū)的載流子數(shù)與入射的光子數(shù)之比，常用符號(hào)常用符號(hào)表示：表示：hPeIp/入射到器件上的光子數(shù)數(shù)通過(guò)結(jié)區(qū)的光生載流子v 光檢測(cè)器常用另一個(gè)參數(shù)光檢測(cè)器常用另一個(gè)參數(shù)響應(yīng)度響應(yīng)度R來(lái)衡量，來(lái)衡量， 其定義為光生電流其定義為光生電流Ip(A)與輸入光功率與輸入光功率Pin（W）之比，）之比， 即即)/(WAPIRinp 因?yàn)槿肷涔夤β室驗(yàn)槿肷涔夤β蔖in對(duì)應(yīng)于單位時(shí)間（秒）內(nèi)平均入對(duì)應(yīng)于單位時(shí)間（秒）內(nèi)平均入射的光子數(shù)射的光子數(shù)Pin/(hfc)，

18、 而入射光子的量子效率而入射光子的量子效率部分被部分被吸收，吸收， 并在外電路中產(chǎn)生光電流，并在外電路中產(chǎn)生光電流， 則有則有)/(WAhfeRc式中：式中：e是電子電荷，其值約為是電子電荷，其值約為1.610-19G；為光頻。為光頻。v響應(yīng)度用波長(zhǎng)表示為響應(yīng)度用波長(zhǎng)表示為 )/(24. 1WAhceR輸入輸出特性：輸入輸出特性：輸入光功率P，輸出光電流I，射入光電二極管激活區(qū)的光子越多，產(chǎn)生的載流子越多，光電流越大。I=RP （3.3-1）R是常量（響應(yīng)度）。其關(guān)系如下圖所示：圖3.3-2光電二極管的響應(yīng)度a)輸入輸出特性 b) 響應(yīng)度和波長(zhǎng)的關(guān)系 c)暗電流例題：例題：光電二極管的響應(yīng)度是

19、0.85A/W，飽和輸入光功率是1.5mW，當(dāng)入射光功率是1mW和2mW時(shí)，光電流分別是多少？I=RP= 0.85A/W 1.5mW= 0.85mA當(dāng)輸入光功率是2mW時(shí)，公式I=RP不適用，因此我們無(wú)法得到光電流的值。解：當(dāng)輸入光功率是1mW時(shí)，由I=RP，可得，3. 響應(yīng)速度響應(yīng)速度 光電二極管的響應(yīng)速度是指它的光電轉(zhuǎn)換速度。它取決光電二極管的響應(yīng)速度是指它的光電轉(zhuǎn)換速度。它取決于以下三個(gè)因素：于以下三個(gè)因素： 1、耗盡區(qū)的光載流子的渡越時(shí)間；耗盡區(qū)的光載流子的渡越時(shí)間； 2、耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光載流子的擴(kuò)散時(shí)間；、耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光載流子的擴(kuò)散時(shí)間； 3、光電二極管以及與其相關(guān)的電路的、光電二

20、極管以及與其相關(guān)的電路的RC時(shí)間常數(shù)。時(shí)間常數(shù)。 影響這三個(gè)因素的參數(shù)有：耗盡區(qū)寬度影響這三個(gè)因素的參數(shù)有：耗盡區(qū)寬度w、吸收系數(shù)、吸收系數(shù)a as、等效電容、等效電阻等。等效電容、等效電阻等。4. 光電檢測(cè)器的噪聲光電檢測(cè)器的噪聲輸出端光信噪比：輸出端光信噪比：S/N = 光電流信號(hào)光電流信號(hào)/(光檢測(cè)器噪聲功率光檢測(cè)器噪聲功率+放大器噪聲功率放大器噪聲功率)為了得到較高的信噪比：為了得到較高的信噪比：1. 光檢測(cè)器具有較高的量子效率，以產(chǎn)生較大的信號(hào)功率光檢測(cè)器具有較高的量子效率，以產(chǎn)生較大的信號(hào)功率2. 使光檢測(cè)器和放大器噪聲盡可能的低使光檢測(cè)器和放大器噪聲盡可能的低二二. .光檢測(cè)器的

21、比較光檢測(cè)器的比較PINPIN二極管特點(diǎn)：二極管特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，電壓低，使用方便壓低，使用方便量子效率高量子效率高噪聲小，帶寬較高噪聲小，帶寬較高APDAPD二極管特點(diǎn)：二極管特點(diǎn)：靈敏度高靈敏度高高增益高增益高電壓，結(jié)構(gòu)復(fù)雜高電壓，結(jié)構(gòu)復(fù)雜噪聲大噪聲大使用場(chǎng)合：使用場(chǎng)合：PINPIN：廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)。在靈敏度要求不廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)。在靈敏度要求不高的場(chǎng)合，一般都采用高的場(chǎng)合，一般都采用PINPINAPDAPD：在光接收機(jī)靈敏度要求高的場(chǎng)合，采用在光接收機(jī)靈敏度要求高的場(chǎng)合，采用APDAPD。如小信號(hào)測(cè)量。如小信號(hào)測(cè)量。3. 3. 光檢測(cè)器的注意事

22、項(xiàng)光檢測(cè)器的注意事項(xiàng)v 光電檢測(cè)器是反向加壓的，與光源的使用正好相反光電檢測(cè)器是反向加壓的，與光源的使用正好相反v 工作電壓應(yīng)選擇最佳偏壓，以便得到最大的信噪比工作電壓應(yīng)選擇最佳偏壓，以便得到最大的信噪比v 更換檢測(cè)器時(shí)，應(yīng)選擇性能參數(shù)一致或接近的器件，以更換檢測(cè)器時(shí)，應(yīng)選擇性能參數(shù)一致或接近的器件，以減少調(diào)試的工作量，應(yīng)調(diào)整活動(dòng)連接器使之處于最佳位減少調(diào)試的工作量，應(yīng)調(diào)整活動(dòng)連接器使之處于最佳位置，以保證接收機(jī)輸出的眼圖最清晰置，以保證接收機(jī)輸出的眼圖最清晰v 使用過(guò)程中應(yīng)防止高溫偏置、熱循環(huán)以及管子漏氣受濕使用過(guò)程中應(yīng)防止高溫偏置、熱循環(huán)以及管子漏氣受濕度的影響度的影響v 防止靜電擊穿防止

23、靜電擊穿復(fù)習(xí)題復(fù)習(xí)題1、光電二極管的主要功能是什么？光電二極管的主要功能是什么？2 2、 InGaAs光電二極管的量子效率是光電二極管的量子效率是70%，它的，它的響應(yīng)度是多少？響應(yīng)度是多少？3、響應(yīng)度是如何依賴光信號(hào)的波長(zhǎng)的？、響應(yīng)度是如何依賴光信號(hào)的波長(zhǎng)的？4、P-I-N代表什么意思？代表什么意思？5、與、與P-N光電二極管相比光電二極管相比P-I-N的優(yōu)點(diǎn)是什么？的優(yōu)點(diǎn)是什么？6、與、與P-I-N光電二極管相比光電二極管相比APD的優(yōu)點(diǎn)是什么？的優(yōu)點(diǎn)是什么？7、APD的缺點(diǎn)是什么？的缺點(diǎn)是什么？4.2.3 4.2.3 光接收機(jī)光接收機(jī)v功能：功能：把經(jīng)光纖遠(yuǎn)距離傳輸后的微弱信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，

24、放把經(jīng)光纖遠(yuǎn)距離傳輸后的微弱信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，放大再生成原來(lái)的電信號(hào)。大再生成原來(lái)的電信號(hào)。光接收機(jī)概述v光纖通信系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩種傳輸系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩種傳輸系統(tǒng)。在這兩種在這兩種不同系統(tǒng)中采用的光接收機(jī)分別稱為模擬光接收機(jī)和數(shù)不同系統(tǒng)中采用的光接收機(jī)分別稱為模擬光接收機(jī)和數(shù)字光接收機(jī)。字光接收機(jī)。v相比于數(shù)字光接收機(jī)相比于數(shù)字光接收機(jī)，模擬光接收機(jī)，模擬光接收機(jī)比較簡(jiǎn)單，其原理比較簡(jiǎn)單，其原理框圖如圖框圖如圖5.8(a)5.8(a)所示。所示。v數(shù)字光接收機(jī)數(shù)字光接收機(jī)原理框圖如圖原理框圖如圖5.8(b)5.8(b)所示，可以看出，數(shù)所示，可以看出，數(shù)字接收機(jī)更為復(fù)雜一些，

25、在主放大器后還有均衡濾波器字接收機(jī)更為復(fù)雜一些，在主放大器后還有均衡濾波器、自動(dòng)增益控制電路、時(shí)鐘恢復(fù)與判決電路。、自動(dòng)增益控制電路、時(shí)鐘恢復(fù)與判決電路。光接收機(jī)概述圖圖5.8 5.8 光纖通信接收機(jī)原理框圖光纖通信接收機(jī)原理框圖 1. 1. 數(shù)字光接收機(jī)組成數(shù)字光接收機(jī)組成（1 1） 光接收機(jī)的前端光接收機(jī)的前端n前端：前端：由光電二極管和前置放大器組成。由光電二極管和前置放大器組成。n作用：作用：將耦合入光電檢測(cè)器的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)變電將耦合入光電檢測(cè)器的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)變電流，然后進(jìn)行預(yù)放大（電流電壓轉(zhuǎn)換），以便后流，然后進(jìn)行預(yù)放大（電流電壓轉(zhuǎn)換），以便后級(jí)作進(jìn)一步處理。是光接收機(jī)的核心。級(jí)

26、作進(jìn)一步處理。是光接收機(jī)的核心。n要求：要求：低噪聲、高靈敏度、足夠的帶寬低噪聲、高靈敏度、足夠的帶寬v光檢測(cè)器的選擇：光檢測(cè)器的選擇：要視具體應(yīng)用場(chǎng)合而定。要視具體應(yīng)用場(chǎng)合而定。PINPIN光電二極管具有良好的光電轉(zhuǎn)換線性度，不需要高光電二極管具有良好的光電轉(zhuǎn)換線性度，不需要高的工作電壓，響應(yīng)速度快。的工作電壓，響應(yīng)速度快。APDAPD最大的優(yōu)點(diǎn)是它具有載流子倍增效應(yīng)，其探測(cè)靈敏最大的優(yōu)點(diǎn)是它具有載流子倍增效應(yīng)，其探測(cè)靈敏度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度補(bǔ)償電路。度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度補(bǔ)償電路。從簡(jiǎn)化接收機(jī)電路考慮，一般情況下多喜歡采用從簡(jiǎn)化接收機(jī)電路考慮，一般情況下多喜歡

27、采用PINPIN光光電二極管作光探測(cè)器。電二極管作光探測(cè)器。v前置放大器前置放大器的主要作用是保持探測(cè)的電信號(hào)不失真地放的主要作用是保持探測(cè)的電信號(hào)不失真地放大和保證噪聲最小，一般采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管大和保證噪聲最小，一般采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)(FET)。PIN/FETPIN/FET和和APD/FETAPD/FET。（2 2） 光接收機(jī)的線性通道光接收機(jī)的線性通道（3 3）判決再生與時(shí)鐘提?。┡袥Q再生與時(shí)鐘提取2.2.光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)v接收靈敏度，反映了接收機(jī)檢測(cè)微弱信號(hào)的能力接收靈敏度，反映了接收機(jī)檢測(cè)微弱信號(hào)的能力v誤碼率或信噪比誤碼率或信噪比v動(dòng)態(tài)范圍，反映了

28、接收機(jī)適應(yīng)輸入信號(hào)變化的能力動(dòng)態(tài)范圍，反映了接收機(jī)適應(yīng)輸入信號(hào)變化的能力 4.2.4 4.2.4 光中繼器光中繼器隨著傳輸線路的延長(zhǎng)，會(huì)由于傳輸損耗而使脈沖衰減，隨著傳輸線路的延長(zhǎng)，會(huì)由于傳輸損耗而使脈沖衰減，同時(shí)加上傳輸線路的失真特性（光纖中的各種色散）產(chǎn)生脈沖同時(shí)加上傳輸線路的失真特性（光纖中的各種色散）產(chǎn)生脈沖波型的失真。因此，需要中繼器來(lái)進(jìn)行修復(fù)。波型的失真。因此，需要中繼器來(lái)進(jìn)行修復(fù)。光中繼器主要是放大和處理經(jīng)衰減和變形了的光脈沖。光中繼器主要是放大和處理經(jīng)衰減和變形了的光脈沖。目前的光中繼器常采用光電再生中繼器，即光一電光中繼器，目前的光中繼器常采用光電再生中繼器，即光一電光中繼器

29、，這相當(dāng)于光纖傳輸?shù)慕恿φ?。如此，就可以把傳輸距離大大延這相當(dāng)于光纖傳輸?shù)慕恿φ?。如此，就可以把傳輸距離大大延長(zhǎng)。長(zhǎng)。 中繼距離受光纖線路損耗和色散中繼距離受光纖線路損耗和色散 ( (帶寬帶寬) )的限制，的限制，明顯隨傳輸速率的增加而減小。明顯隨傳輸速率的增加而減小。1. 1. 光中繼器的功能光中繼器的功能補(bǔ)償光能量損耗，對(duì)畸變失真的信號(hào)波形進(jìn)行整形補(bǔ)償光能量損耗，對(duì)畸變失真的信號(hào)波形進(jìn)行整形 2. 2. 光中繼器分類光中繼器分類傳統(tǒng)的光中繼器（即光電中繼器）傳統(tǒng)的光中繼器（即光電中繼器）全光中繼器全光中繼器 （1 1）光電中繼器）光電中繼器v在光放大器研制成功之前，主要采用光電混合中繼器放

30、大光在光放大器研制成功之前，主要采用光電混合中繼器放大光信號(hào)信號(hào)v首先將光纖中送來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)首先將光纖中送來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，最后再將放大了的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送到光纖中行放大，最后再將放大了的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送到光纖中去，即光電光方式去，即光電光方式 3R3R：re-amplifyingre-amplifying 再放大（光放大器的功能）再放大（光放大器的功能） re-timingre-timing 再定時(shí)再定時(shí) （消除時(shí)間抖動(dòng)）（消除時(shí)間抖動(dòng)） re-shapingre-shaping 再整形再整形 （消除波形畸變）（消除波形畸變）通過(guò)

31、這通過(guò)這3 3個(gè)個(gè)R R，得到接近于發(fā)射端的光信號(hào)的，得到接近于發(fā)射端的光信號(hào)的 copycopy，從而，從而延長(zhǎng)傳輸距離，提高信號(hào)質(zhì)量。延長(zhǎng)傳輸距離，提高信號(hào)質(zhì)量。3R3R再生功能再生功能J優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：光電光中繼方式對(duì)于單個(gè)波長(zhǎng)且數(shù)據(jù)速率不太高光電光中繼方式對(duì)于單個(gè)波長(zhǎng)且數(shù)據(jù)速率不太高的通信很適用的通信很適用L缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：對(duì)于高速率的多個(gè)波長(zhǎng)系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，尤其在波分復(fù)對(duì)于高速率的多個(gè)波長(zhǎng)系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，尤其在波分復(fù)用系統(tǒng)中問(wèn)題更為顯著；另一方面，對(duì)于很高的數(shù)據(jù)速率，用系統(tǒng)中問(wèn)題更為顯著；另一方面，對(duì)于很高的數(shù)據(jù)速率，電放大器的實(shí)現(xiàn)難度很大電放大器的實(shí)現(xiàn)難度很大 （2 2）全光中繼器）全光中繼器

32、v全光中繼方式是直接在光路上放大光信號(hào)，即克服光纖衰減全光中繼方式是直接在光路上放大光信號(hào)，即克服光纖衰減的最有效的措施就是使用光放大器的最有效的措施就是使用光放大器v光放大器從功能上來(lái)看屬于光放大器從功能上來(lái)看屬于1R1R再生器再生器 v目前全光放大器主要是摻鉺光纖放大器目前全光放大器主要是摻鉺光纖放大器J優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，沒(méi)有光電光的轉(zhuǎn)換過(guò)程，工作頻帶寬設(shè)備簡(jiǎn)單，沒(méi)有光電光的轉(zhuǎn)換過(guò)程，工作頻帶寬L缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：光放大器作中繼器時(shí)，對(duì)波形的整形不起作用光放大器作中繼器時(shí)，對(duì)波形的整形不起作用 小小 結(jié)結(jié)v要實(shí)現(xiàn)光信號(hào)接收，首先要完成光信號(hào)的檢測(cè)，即光要實(shí)現(xiàn)光信號(hào)接收，首先要完成光信號(hào)的檢測(cè)

33、，即光電轉(zhuǎn)換電轉(zhuǎn)換 v兩種常見(jiàn)的光檢測(cè)器：兩種常見(jiàn)的光檢測(cè)器：PINPIN光電二極管光電二極管雪崩光電二極管雪崩光電二極管 小小 結(jié)結(jié)v數(shù)字光接收機(jī)主要包括：數(shù)字光接收機(jī)主要包括：光檢測(cè)器和前置放大器部分光檢測(cè)器和前置放大器部分主放大器、均衡濾波器和自動(dòng)增益控制部分主放大器、均衡濾波器和自動(dòng)增益控制部分判決、再生部分判決、再生部分 v光中繼器用來(lái)增加光纖通信距離，有光電中繼器和全光光中繼器用來(lái)增加光纖通信距離，有光電中繼器和全光中繼器中繼器光電中繼器可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和整形，是光電光電中繼器可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和整形，是光電光方式光方式全光中繼方式是直接在光路上放大光信號(hào)，沒(méi)有光全光中繼方式是直

34、接在光路上放大光信號(hào)，沒(méi)有光電光的轉(zhuǎn)換過(guò)程，但不能完成波形整形電光的轉(zhuǎn)換過(guò)程，但不能完成波形整形 習(xí)習(xí) 題題一、填空題一、填空題1.1.限制光接收機(jī)靈敏度的這主要因素是限制光接收機(jī)靈敏度的這主要因素是 。2.2.目前常用的光檢測(cè)器主要有兩種：目前常用的光檢測(cè)器主要有兩種： 和和 。3.3.中繼距離受光纖線路損耗和色散（帶寬）的限制，明顯隨傳輸中繼距離受光纖線路損耗和色散（帶寬）的限制，明顯隨傳輸速率的增加而速率的增加而 。4.4.與與APDAPD光電二極管相比，光電二極管相比，PINPIN光電使用簡(jiǎn)單，但光電使用簡(jiǎn)單，但 較低。較低。5.5. 和和 都是描述光電檢測(cè)器光電轉(zhuǎn)換能力的一種物理量。都是描述光電檢測(cè)器光電轉(zhuǎn)換能力的一種物理量。6.APD6.APD的雪崩放大效應(yīng)具有隨機(jī)性，由此產(chǎn)生的附加噪聲稱為的雪崩放大效應(yīng)具有隨機(jī)性，由此產(chǎn)生的附加噪聲稱為 。二、判斷題二、判斷題1.APD1.APD和和PIN-PDPIN-PD分別應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。（分別應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。（ ）2.2.目前，適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的光檢測(cè)器是半導(dǎo)體光敏目前，適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的光檢測(cè)器是半導(dǎo)體光敏電阻。電阻。 （ ）3.3.采用雪崩光電二極管（采用雪崩光電二極管（APDAPD）的要求是有較高的偏置電壓）的要求是有較高的偏置電壓和復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路。（和復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電