光纖通信技術(shù)第五章

光纖通信技術(shù)第五章光源調(diào)制器驅(qū)動電路放大器光電二極管判決器光纖光纖中繼器光接收機是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將光信號轉(zhuǎn)換回電信號，恢復(fù)光載波所攜帶的原信號。光接收機光纖通信技術(shù)第五章光信號光電變換前置放大主放大器均衡濾波判決器時鐘恢復(fù)輸出AGC電路性能指標:接收靈敏度、誤碼率或信噪比前端時鐘提取與數(shù)據(jù)再生（CDR）線性通道對信號進行高增益放大與整形，提高信噪比，減少誤碼率。光纖通信技術(shù)第五章5.1光檢測器5.2光接收機5.3光接收機的噪聲特性5.4光接收機的靈敏度5.5光接收機的性能評估第五章光檢測器及光接收機光纖通信技術(shù)第五章光電轉(zhuǎn)換器件要求:高效率、低噪聲、寬帶原理：光吸收在半導(dǎo)體材料上，當(dāng)入射光子能量h超過帶隙能量時，每當(dāng)一個光子被半導(dǎo)體吸收就產(chǎn)生一個電子—空穴對。在外加電壓建立的電場作用下，電子和空穴就在半導(dǎo)體中渡越并形成電流流動，稱為光電流，其電流大小Ip與入射光功率Pin成比例：R—光電檢測器的響應(yīng)度（A/W）入射光半導(dǎo)體5.1光檢測器光纖通信技術(shù)第五章5.1.1PN光電二極管(1)工作原理：入射光從P側(cè)進入，在耗盡區(qū)光吸收產(chǎn)生的電子－空穴對在內(nèi)建電場作用下分別向左右兩側(cè)運動，產(chǎn)生光電流。響應(yīng)時間：由光功率輸入轉(zhuǎn)化為光電流輸出，有一定時間遲后，其值主要決定于載流子通過耗盡區(qū)的渡越時間。光纖通信技術(shù)第五章5.1.1PN光電二極管(2)帶寬受限的主要因素:產(chǎn)生的光電流中存在擴散分量，它與耗盡區(qū)外的光吸收有關(guān)。載流子作擴散運動的時延將使檢測器輸出電流脈沖后沿的托尾加長，影響光電二極管的響應(yīng)速度。解決方法：減小P,N區(qū)厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，使大部分入射光功率在耗盡區(qū)吸收，減少P,N區(qū)吸收的光能--PIN考慮漂移和擴散運動時PN光電二極管對矩形脈沖的響應(yīng)擴散分量的存在導(dǎo)致光電二極管瞬態(tài)響應(yīng)失真光纖通信技術(shù)第五章5.1.2PIN光電二極管(1)在PN結(jié)間插入一層非摻雜或輕摻雜半導(dǎo)體材料，以增大耗盡區(qū)寬度w，達到減小擴散運動的影響，提高響應(yīng)度的要求。由于PN結(jié)中間插入的半導(dǎo)體材料近似為本征半導(dǎo)體(Intrinsic)，因此這種結(jié)構(gòu)稱為PIN光電二極管。I區(qū)高阻抗,電壓基本都落在I區(qū)PIN光電二極管及反偏時各層的場分布光纖通信技術(shù)第五章5.1.2PIN光電二極管(2)InGaAsPIN光電二極管的結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)：N區(qū)和P區(qū)：InP，對>920nm的光透明；I區(qū):InGaAs；

=1300~1600nm強烈吸收光纖通信技術(shù)第五章

量子效率入射光功率Pin中含有大量光子，能轉(zhuǎn)換為光電流的光子數(shù)和入射總光子數(shù)之比稱為量子效率.產(chǎn)生的電子－空穴對的個數(shù)入射的光子數(shù)在光電二極管的應(yīng)用中，100個光子會產(chǎn)生30到95個電子－空穴對，因此檢測器的量子效率范圍為30%~95%。為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區(qū)的厚度，使得可以吸收大部分的光子。但是，耗盡區(qū)越厚，光生載流子漂移渡越(across)反向偏置結(jié)的時間就越長。由于載流子的漂移時間又決定了光電二極管的響應(yīng)速度，所以必須在響應(yīng)速度和量子效率之間采取折衷。光纖通信技術(shù)第五章

光譜響應(yīng)對一給定的探測區(qū)材料就有一個能夠探測的最低頻率或最大波長，而對波長大于這個極限波長的光波就不能被探測到。光子能量h大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg時，價帶上的電子可以吸收光子而躍遷到導(dǎo)帶，否則不論入射光多強，光電效應(yīng)都不會發(fā)生。所以，任何一種材料制作的光電二極管都有上截止波長C：光纖通信技術(shù)第五章在短波長段，材料的吸收吸收系數(shù)變得很大，因此光子在接近光檢測器的表面就被吸收了，電子－空穴對的壽命極短，結(jié)果載流子在由光檢測器電路收集以前就已經(jīng)復(fù)合了。Si：C=1.06m，使用范圍：0.5~1.0mGe：C=1.6m，使用范圍：1.1~1.6mInGaAs：C=1.6m，使用范圍：1.1~1.6m光纖通信技術(shù)第五章5.1.3雪崩光電二極管APDPIN:1個光子最多產(chǎn)生一對電子-空穴對,無增益APD:利用電離碰撞,1個光子產(chǎn)生多對電子-空穴對,有增益工作過程：入射光-------一對電子-空穴對(一次光生電流)--------------與晶格碰撞電離---------多對電子-空穴對(二次光生電流）吸收外電場加速增加了一個附加層，倍增區(qū)或增益區(qū)，以實現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生二次電子－空穴對。耗盡層仍為I層，起產(chǎn)生一次電子－空穴對的作用。光纖通信技術(shù)第五章1、倍增系數(shù)M=Ip/I0

IP--平均輸出電流，

I0--一次光生電流

IP

＝M

I0

＝MRPin

倍增系數(shù)M與電離系數(shù)及增益區(qū)厚度有關(guān)。2、過剩噪聲因子F

在APD中，每個光生載流子不會經(jīng)歷相同的倍增過程，具有隨機性，這將導(dǎo)致倍增增益的波動，這種波動是額外的倍增噪聲的主要根源。通常用過剩噪聲因子F來表征這種倍增噪聲。F又可近似表為：F＝Mxx被稱為過剩噪聲指數(shù)。APD倍增系數(shù)與過剩噪聲因子光纖通信技術(shù)第五章光檢測器的比較（1）參數(shù)符號單位SiGeInGaAs波長范圍nm400~1100800~16501100~1700響應(yīng)度RA/W0.4~0.60.4~0.50.75~0.95暗電流IDnA1~1050~5000.5~2.0上升時間rns0.5~1.00.1~0.50.05~0.5帶寬BGHz0.3~0.70.5~3.01.0~2.0偏置電壓VBV55~105Si、Ge、InGaAspin光電二極管的通用工作特性參數(shù)光纖通信技術(shù)第五章光檢測器的比較（2）參數(shù)符號單位SiGeInGaAs波長范圍nm400~1100800~16501100~1700雪崩增益M——20~40050~20010~40暗電流IDnA0.1~150~50010~50@M=10上升時間rns0.1~20.5~0.80.1~0.5增益帶寬積M?BGHz100~4002~1020~250偏置電壓VBV150~40020~4020~30Si、Ge、InGaAs雪崩光電二極管的通用工作特性參數(shù)光纖通信技術(shù)第五章光檢測器的比較（3）在短距離的應(yīng)用中，工作在850nm的Si器件對于大多數(shù)鏈路是個相對比較廉價的解決方案。在長距離的鏈路常常需要工作在1330nm和1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。APD檢測器與PIN檢測器相比，具有載流子倍增效應(yīng)，其探測靈敏度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度補償電路。要視具體應(yīng)用場合而選定。光纖通信技術(shù)第五章5.1光檢測器5.2光接收機5.3光接收機的噪聲特性5.4光接收機的靈敏度5.5光接收機的性能評估第五章光檢測器及光接收機光纖通信技術(shù)第五章5.2光接收機光信號光電變換前置放大主放大器均衡濾波判決器時鐘恢復(fù)輸出AGC電路性能指標:接收靈敏度、誤碼率或信噪比前端線性通道時鐘提取與數(shù)據(jù)再生（CDR）對信號進行高增益放大與整形，提高信噪比，減少誤碼率。光纖通信技術(shù)第五章5.2.1光接收機的前端(1)前端：由光電二極管和前置放大器組成。作用：將耦合入光電檢測器的光信號轉(zhuǎn)換為時變電流，然后進行預(yù)放大（電流－電壓轉(zhuǎn)換），以便后級作進一步處理。是光接收機的核心。要求：低噪聲、高靈敏度、足夠的帶寬電信號光信號光電變換前置放大光纖通信技術(shù)第五章5.2.1光接收機的前端(2)光檢測器的選擇：要視具體應(yīng)用場合而定。PIN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。APD最大的優(yōu)點是它具有載流子倍增效應(yīng)，其探測靈敏度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度補償電路。從簡化接收機電路考慮，一般情況下多喜歡采用PIN光電二極管作光探測器。前置放大器的主要作用是保持探測的電信號不失真地放大和保證噪聲最小，一般采用場效應(yīng)晶體管(FET)。PIN/FET和APD/FET。光纖通信技術(shù)第五章5.2.1光接收機的前端(3)根據(jù)不同的應(yīng)用要求，前端的設(shè)計有三種不同的方案：低阻抗前端高阻抗前端跨（互）阻抗前端光接收機前端的等效電路低阻抗前端從頻帶要求出發(fā)選擇偏置電阻RL優(yōu)點：電路簡單，不需要或只需要很少的均衡，動態(tài)范圍較大缺點：靈敏度低，噪聲較高光纖通信技術(shù)第五章5.2.1光接收機的前端(4)高阻抗前端盡量加大偏置電阻，把噪聲減至盡可能小的值優(yōu)點：噪聲較低缺點：動態(tài)范圍小、高頻分量損失太大,對均衡電路提出很高要求.多用于低速系統(tǒng).跨阻抗前端電壓并聯(lián)負反饋放大器（電流-電壓轉(zhuǎn)換器）優(yōu)點：寬頻帶（等效輸入電阻很小）、低噪聲（反饋電阻可以取得很大）、靈敏度高、動態(tài)范圍大等綜合優(yōu)點，被廣泛采用。光纖通信技術(shù)第五章5.2.2光接收機的線性通道對主放輸出的失真數(shù)字脈沖進行整形，使之成為有利于判決碼間干擾最小的升余弦波形?？筛鶕?jù)輸入信號（平均值）大小自動調(diào)整放大器增益，使輸出信號保持恒定。用以擴大接收機的動態(tài)范圍。提供高的增益，放大到適合于判決電路的電平。主放大器均衡濾波AGC電路光纖通信技術(shù)第五章5.2.3判決再生與時鐘提取任務(wù)：把線性通道輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號為確定是“1”或是“0”，需要對某時隙的碼元作出判決。若判決結(jié)果為“1”，則由再生電路產(chǎn)生一個矩形“1”脈沖；若判決結(jié)果為“0”，則由再生電路重新輸入一個“0”。為了精確地確定“判決時刻”，需要從信號碼流中提取準確的時鐘信息作為標定，以保證與發(fā)送端一致。判決器時鐘恢復(fù)輸出光纖通信技術(shù)第五章

判決、再生過程均衡器輸出波形時鐘再生后的信號判決電壓最佳取樣時間相應(yīng)于“1”和“0”信號電平相差最大的位置，可有眼圖決定。光纖通信技術(shù)第五章5.1光檢測器5.2光接收機5.3光接收機的噪聲特性5.4光接收機的靈敏度5.5光接收機的性能評估第五章光檢測器及光接收機光纖通信技術(shù)第五章5.3光接收機的噪聲特性光接收機的噪聲將影響信噪比SNR和通信質(zhì)量。主要來自光電探測器和前置放大器的噪聲。分為兩類：散粒噪聲和熱噪聲。光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機噪聲及其分布圖：散粒噪聲光纖通信技術(shù)第五章光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機噪聲及其分布圖：量子噪聲的產(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(泊松分布)。光電效應(yīng)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)是隨機起伏的，這是光檢測過程的基本特性，從而使當(dāng)其他條件都達到最佳化時，接收機靈敏度具有一個最低極限。光纖通信技術(shù)第五章光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機噪聲及其分布圖：暗電流噪聲：當(dāng)沒有光信號照射光檢測器時，外界的一些雜散光或熱運動也會產(chǎn)生一些電子——空穴對，光檢測器還會產(chǎn)生一些電流，這種殘留電流稱為暗電流。光纖通信技術(shù)第五章光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機噪聲及其分布圖：漏電流噪聲：當(dāng)光檢測器表面物理狀態(tài)不完善和加有偏置電壓時，會引起很小的漏電流噪聲，但這種噪聲并非本征性噪聲，可通過光檢測器的合理設(shè)計，良好的結(jié)構(gòu)和嚴格的工藝降低。光纖通信技術(shù)第五章光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機噪聲及其分布圖：APD倍增噪聲：當(dāng)使用雪崩光電二極管時，倍增過程的隨機特性產(chǎn)生附加的噪聲。光纖通信技術(shù)第五章光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機噪聲及其分布圖：熱噪聲：是在有限溫度下，導(dǎo)電媒質(zhì)內(nèi)自由電子和振動離子間熱相互作用引起的一種隨機脈動。光纖通信技術(shù)第五章5.1光檢測器5.2光接收機5.3光接收機的噪聲特性5.4光接收機的靈敏度5.5光接收機的性能評估第五章光檢測器及光接收機光纖通信技術(shù)第五章5.4光接收機的靈敏度接收靈敏度：接收機工作于某一誤碼率所要求的最小平均接收光功率。靈敏度是光接收機的重要指標，描述了其準確檢測光信號的能力。誤碼率（BER）：接收機判決電路錯誤確定一個比特的概率。噪聲引起誤碼的圖解說明光纖通信技術(shù)第五章二進制信號的誤碼概率I1I0光纖通信技術(shù)第五章二進制信號的誤碼概率I1I0光纖通信技術(shù)第五章二進制信號的誤碼概率I1I0光纖通信技術(shù)第五章二進制信號的誤碼概率I1I0光纖通信技術(shù)第五章Q被廣泛用來說明接收機的特性。Q=6，BER=10E-9Q>7，BER<10E-12通常:系統(tǒng)的接收靈敏度對應(yīng)于BER=10E-9；10Gb/s系統(tǒng)的接收靈敏度對應(yīng)于BER=10E-10；光纖通信技術(shù)第五章光接收機靈敏度的惡化實際光發(fā)送機發(fā)出的光信號并非理想比特流，并在光纖傳輸過程中可能變形。在這種