光檢測與光接收機

第四章光接收機1什么是光接收機2光檢測器3光接收機的噪聲4模擬接收機的噪聲分析5數字接收機的噪聲分析6接收機前置放大器7數字接收機的誤碼率和接收靈敏度光接收機

光發(fā)送機輸出的光信號，在光纖中轉輸時，不僅幅度會受到衰減，而且脈沖的波形也會被展寬。本章重點討論接收機前端的噪聲特性、模擬及數字接收機的性能，如信噪比或誤碼率、接收機靈敏度等。

光接收機作用光接收機的任務是:

以最小的附加噪聲及失真恢復出由光纖傳輸的光載波所攜帶的信息。光接收機的輸出特性綜合反映了整個光纖通信系統(tǒng)的性能。光接收機分類按照接收處理的信號的形式可分為：數字接收機（用于數字光纖通信系統(tǒng)）模擬接收機（用于模擬光纖通信系統(tǒng)）光接收機的構成模擬接收機：反向偏壓下的光電檢測器、低噪聲前置放大器及其他信號處理電路組成，是一種直接檢測(DD)方式。數字接收機：在主放大器后還有均衡濾波、定時提取與判決再生、峰值檢波與AGC放大電路jsj-21.swf。圖光電檢測器作用：把接收到的光信號轉化成電信號。要求：高的轉換效率低的附加噪聲快速的響應前置放大器作用：對光電探測器輸出的弱電流加以放大。要求：前置放大器必須是低噪聲、寬頻帶放大器。前置放大器的性能優(yōu)劣對接收機的靈敏度有十分重要的影響。為此，前放必須是低噪聲、寬頻帶放大器。

主放大器

作用：主要用來提供高的增益，將前置放大器的輸出信號放大到適合于判決電路所需的電平。前置放大器的輸出信號電平一般為mV量級，而主放大器的輸出信號一般為1V～3V(峰／峰值)。均衡器

作用是對主放大器輸出的失真的數字脈沖信號進行整形，使之成為最有利于判決、碼間干擾最小的正余弦波形。均衡器的輸出信號通常分為兩路：一路經峰值檢波電路變換成與輸入信號的峰值成比例的直流信號，送入自動增益控制電路，用以控制主放大器的增益；另一路送入判決再生電路，將均衡器輸出的正余弦信號恢復為"0"或"1"的數字信號。判決再生與時鐘提取任務：把線性通道輸出的升余弦波形恢復成數字信號為確定是‘1’或是‘0’，需要對某時隙的碼元作出判決。若判決結果為‘1’，則由再生電路產生一個矩形‘1’脈沖；若判決結果為‘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)送端一致性能評價參數1接收靈敏度2動態(tài)范圍3響應時間4功耗，價格等接收靈敏度定義：達到指定誤碼率或信噪比時的最小接收信號光功率，通常用dBm表示。注意事項：富裕度不同的系統(tǒng)要求不同動態(tài)范圍定義：最大允許的接收光功率與最小可接收光功率之差為光接收機的動態(tài)范圍。作用：寬的動態(tài)范圍可以是系統(tǒng)結構更靈活。

決定于？

決定于非線性失真及前置放大器的飽和電平

光檢測器系統(tǒng)要求：

(1)在工作波長上光電轉換效率高，即對一定的入射光信號功率，光檢測器能輸出盡可能大的光電流；

(2)檢測過程中帶來的附加噪聲盡可能小

(3)響應速度快、線性好及頻帶寬，使信號失真盡量?。?/p>

(4)高可靠長壽命，尺寸可與光纖直徑相配，工作電壓低等。兩類常用的光檢測器1PIN光電二極管2雪崩光電二極管光電二極管工作原理

光電二極管(PD)把光信號轉換為電信號的功能，是由半導體PN結的光電效應實現的。如前節(jié)所述，在PN結界面上，由于電子和空穴的擴散運動，形成內部電場。內部電場使電子和空穴產生與擴散運動方向相反的漂移運動，最終使能帶發(fā)生傾斜，在PN結界面附近形成耗盡層如圖下。當入射光作用在PN結時，如果光子的能量大于或等于帶隙(hf≥Eg)，便發(fā)生受激吸收，即價帶的電子吸收光子的能量躍遷到導帶形成光生電子-空穴對。在耗盡層，由于內部電場的作用，電子向N區(qū)運動，空穴向P區(qū)運動，形成漂移電流。

在耗盡層兩側是沒有電場的中性區(qū)，由于熱運動，部分光生電子和空穴通過擴散運動可能進入耗盡層，然后在電場作用下，形成和漂移電流相同方向的擴散電流。漂移電流分量和擴散電流分量的總和即為光生電流。當與P層和N層連接的電路開路時，便在兩端產生電動勢，這種效應稱為光電效應。當連接的電路閉合時，N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)，便形成了光生電流。當入射光變化時，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號轉換成電信號。這種由PN結構成，在入射光作用下，由于受激吸收過程產生的電子-空穴對的運動，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡單的光電二極管(PD)。

λc為產生光電效應的入射光的最大波長，稱為截止波長。以Si為材料的光電二極管,λc=1.06μm;以Ge為材料的光電二極管，λc=1.60μm。利用光電效應可以制造出簡單的PN結光電二極管。但這種光電二極管結構簡單，無法降低暗電流和提高響應度，器件的穩(wěn)定度也比較差，實際上不適合做光纖通信的檢測器。

PIN光電二極管結構：

由于PN結耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉換效率低，響應速度慢。為改善器件的特性，在PN結中間設置一層摻雜濃度很低的本征半導體(稱為I)，這種結構便是常用的PIN光電二極管。

PIN光電二極管的工作原理

中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導體，用Π(N)表示；兩側是摻雜濃度很高的P型和N型半導體，用P+和N+表示。I層很厚，吸收系數很小，入射光很容易進入材料內部被充分吸收而產生大量電子-空穴對，因而大幅度提高了光電轉換效率。兩側P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據整個耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應速度。

當光從P區(qū)一側入射，則光能量在被吸收的同時仍繼續(xù)向N區(qū)一側延伸吸收，在經過耗盡層時，由于吸收光子能量，電子從價帶被激勵到導帶而產生電子空穴對（即光生載流子），并且在耗盡層空間電場作用下，分別向N型區(qū)和P型區(qū)相互逆方向作漂移運動，并形成電流。

然而，在耗盡層以外的區(qū)域因為沒有電場作用，

所以由光電效應產生的電子空穴對，在擴散運動中相遇發(fā)生復合，從而消失。不過在擴散運動過程中，也有些擴散距離長的電子空穴將進入耗盡層，在耗盡層和空間電場的作用下進入對方區(qū)域。于是在P區(qū)和N區(qū)兩端之問產生與被分隔開的電子和空穴數量成正比的電壓。若與外電路連通，這些電子就可經外部電路與空穴復合形成電流。如圖

所示。

PIN-2.swf

這里，在耗盡層之外形成的電流叫擴散電流，擴散電流的運動速度比漂移電流的運動速度慢得多，使頻率特征變壞。由于在PN結處存在著空間電場，使進入空間電場區(qū)的電子和空穴二者逆方向移動。如從外部對PN結施加反向偏壓(即P側加(-)，N側加(+)以后，結處的空間電場(即耗盡層內的自建電場)被加強，從而加快了載流子的漂移速度。光電二極管的波長響應范圍不同半導體材料存在著上限波長即截止波長。當入射波長遠遠小于截止波長時，光電轉換效率會大大降低。因此，半導體光電檢測器只可以對一定波長范圍的光信號進行有效的光電轉換，這一波長范圍就是波長響應范圍。吸收系數在厚度W內被材料吸收的光功率可表示為：檢測某波長的光時要選擇合適材料作成的光檢測器。首先，材料的帶隙決定了截止波長要大于被檢測的光波波長，否則材料對光透明，不能進行光電轉換。其次，材料的吸收系數不能太大，以免降低光電轉換效率。光檢測器吸收光功率后產生的一次光電流可表示為：兩種Si-PIN

的結構正面入射結構優(yōu)點：側面入射結構優(yōu)點：適合短波長圖3.21正面PIN光電二極管結構兩種InGaAs-PIN的結構(長波長)頂部入射結構特點：低量子效率，尺寸不能做得很小底部入射方式特點：尺寸小，電容低適合長波長

雪崩光電二極管(APD)

光電二極管輸出電流I和反偏壓U的關系示于圖下。隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。當反向偏壓增加到一定數值時，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個電壓稱為擊穿電壓UB。APD就是根據這種特性設計的器件。

圖光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關系

圖APD載流子雪崩式倍增示意圖

光生的電子或空穴經過高場區(qū)時被加速，從而獲得足夠的能量，它們在高速運動中與晶格碰撞，使晶體中的原子電離,從而激發(fā)出新的電子空穴對，這個過程稱為碰撞電離。通過碰撞電離產生的電子空穴對稱為二次電子空穴對。新產生的電子和空穴在電場區(qū)中運動時又被加速，又可能碰撞別的原子，這樣多次碰撞電離的結果，使載流子迅速增加，反向電流迅速加大，形成雪崩倍增效應，APD就是利用雪崩倍增效應使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。雪崩效應倍增因子：

g=IM/IP

倍增增益常取統(tǒng)計平均值G=<g>影響因素：

載流子的電離系數雪崩區(qū)寬度反向偏壓

倍增因子和倍增增益

一次光電流倍增輸出電流的平均值載流子的電離系數定義：一個載流子在晶格中渡越單位距離所產生的雪崩電子空穴對數?？昭婋x系數電子電離系數K值小的材料制作的APD可獲得低的噪聲，高的增益，大的增益帶寬積。雪崩區(qū)寬度為了降低偏置電壓，需設法使雪崩過程僅發(fā)生在很薄的區(qū)域內，即僅在該區(qū)域內才有雪崩所需的高電場，其余區(qū)域則電場較低。于是設計了拉通型的APD。

Si-APD的結構有多種類型，如圖下示出的N+PΠP+結構被稱為拉通型APD。在這種類型的結構中，當偏壓加大到一定值后，耗盡層拉通到Π(P)層，一直抵達P+接觸層，是一種全耗盡型結構。拉通型雪崩光電二極管(RAPD)具有光電轉換效率高、響應速度快和附加噪聲低等優(yōu)點。

拉通型RAPD

P型半導體，為倍增層輕摻雜半導體π層，為漂移區(qū)為接觸層，低電阻高摻雜的N+型半導體，為接觸層，低電阻高摻雜的P+型半導體倍增的高電場區(qū)集中在pn+結附近窄的區(qū)域內。隨著偏置電壓的增加，結區(qū)的耗盡層逐漸加寬，直到p區(qū)的載流子全部耗盡，使p區(qū)成為耗盡區(qū)。進一步加大偏置電壓，耗盡區(qū)逐漸擴大，直至“拉通”到整個π區(qū)。圖APD結構圖Ge-APD優(yōu)點：在1-1.6um吸收系數大，因此靈敏度高、響應時間快，擊穿電壓低。缺點：過剩噪聲大，暗電流大，限制了倍增增益及檢測靈敏度。SAM-APD管的結構SAM-APD管的結構

圖APD增益與偏置電壓關系1.APD增益與偏置電壓：

APD的擊穿電壓APD的內阻相關常數

溫度特性

當溫度變化時，原子的熱運動狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起電子、空穴電離系數的變化，使得APD的增益也隨溫度而變化。隨著溫度的升高，倍增增益下降。 為保持穩(wěn)定的增益，需要在溫度變化的情況下進行溫度補償。光電二極管的工作特性1響應波長2光電轉換效率3響應速度4暗電流響應波長上限截止波長：圖3-22PIN光電二極管相硬度、量子效應率與波長的關系內量子效率和帶寬的關系

back下限波長當入射光波長太短時，光變電的轉換效率也會大大下降，當入射光波長很短時，材料的吸收系數變得很大，結果使大量的入射光于在光電二極管的表面層里就被吸收。光電二極管的表面層往往存在著一個零電場的區(qū)域，當電子—空穴對在零電場區(qū)里產生時，少數載流于首先要擴散到耗盡區(qū)，然后才能放外電路收集。但在這個區(qū)域中，少數載流子的壽命時間很短，擴散速度又慢，電子—空穴對往往在被檢測器電路收集以前就已被復合掉，從而使檢測器的光電轉換效率降低。

η=光電轉換產生的有效電子—空穴對數入射光子數工程上常用來衡量光電轉換效率。光電二極管的量子效率表示入射光子能夠轉換成光電流的概率。量子效率當入射功率中含有大量光子時、量子效率可用轉換成光電流的光子數與入射的總光子數的比來表示：要得到高量子效率，必須采取如下措施1減小入射表面的反射率：2盡量減小光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)被充分地吸收。響應度響應度是描述光檢測器能量轉換效率的一個參量。雪崩管需考慮增益圖

PIN光電二極管響應度、量子效應率與波長的關系例題用帶隙能量為0.75eV的材料制造的雪崩光電二極管，量子效率為70%，增益為20，計算其響應度。響應速度影響因素：1光電二極管和它的負載電阻的RC時間常數2載流子在耗盡區(qū)里的渡越時間3耗盡層外產生的載流子由于擴散而產生的時間延遲

光電檢測及其等效電路光檢測器結電容放大器輸入電阻，電容渡越時間電路時間常數的影響真空介電常數相對介電常數結電容結寬度結面積內量子效率和帶寬的關系

暗電流暗電流是指無光照時光電二被管的反向電流。光接收機的噪聲影響光接收機性能的主要因素是接收機內的各種噪聲源。什么是噪聲1)噪聲的數學表示噪聲是一種隨機性的起伏量，它表現為無規(guī)則的電磁場形式，其瞬時電壓Vn(t)的變化形式如圖下所示。噪聲是電信號中一種不需要的成分，它干擾實際系統(tǒng)中信號的傳輸和處理，影響和限制了系統(tǒng)的性能。特點：

噪聲電壓Vn(t)的振幅、相位等均隨時可作無規(guī)則的變化，其瞬時值的平均為零，即E（Vn(t)）＝0，因而無法用平均值來評價噪聲的大小。

表示：

從統(tǒng)計理論上講，其均方差<Vn2(t)>則是完全確定的，這表示單位電阻(1歐)上所耗損的平均功率，并可用功率電表測量。因此，噪聲的大小可用<Vn2(t)>來判定，而Vn(t)的均方根值()為噪聲電壓的有效值。舉例噪聲譜密度在正頻域內，電阻R的熱噪聲電壓和電流的譜密度：光接收機中的噪聲源

在光接收機中，可能存在多種噪聲源，具體見下圖：

量子噪聲(或散彈噪聲)來自單位時間內到達光檢測器上信號光子數的隨機性，因此它與信號電平有關。在采用APD作光檢測器時，倍增過程的統(tǒng)計特征產生附加的散彈噪聲，它隨倍增增益而增加。光檢測器中的其他噪聲源來自暗電流及漏電流，它們均與光照無關，在小信號時光檢測器的偏置電阻及放大器電路的熱噪聲往往起重要作用。

量子噪聲(或散彈噪聲)來自單位時間內到達光檢測器上信號光子數的隨機性，它與信號電平有關。 在采用APD作光檢測器時，倍增過程的統(tǒng)計特征產生附加的散彈噪聲，它隨倍增增益而增加。 光檢測器中的其他噪聲源來自暗電流及漏電流，它們均與光照無關，在小信號時光檢測器的偏置電阻及放大器電路的熱噪聲往往起重要作用。

噪聲計算信號光檢測過程噪聲電路噪聲接收機等效電路及放大器電路噪聲光檢測器被認為是一個理想的容性電流源；接收機的唯一噪聲源將是前置放大器的噪聲。假定這些噪聲具有高斯統(tǒng)計特征，其頻譜是平坦的(即為白噪聲)，且互不相關[統(tǒng)計獨立的]，則它們可用兩個噪聲譜密度來表示：

SI—并聯(lián)噪聲電流源譜密度(A2／Hz)，它包括前置放大器第一級的噪聲電流(主要是Ra的熱噪聲)及光檢測器負載電阻Rb的熱噪聲；

SE——串聯(lián)噪聲電壓源譜密度(v2／Hz)，代表放大器通道的串聯(lián)噪聲源。這時，前置放大器被看做為無噪聲的理想放大器。前置放大器和主放大器一起構成電壓放大器，其頻響函數為A(ω)。放大到足夠大的信號送到均衡濾波器，其頻響函數為H(ω)，輸出信號的電壓為Vs(ω)。包括濾波器在內的放大器鏈稱為接收機的線性通道。系統(tǒng)傳遞函數：輸入光信號電流is(t)的傅里葉變換輸出信號電壓總的輸入阻抗光檢測器的噪聲

(1)光信號入射到光檢測器上時的隨機起伏及光電子產生和收集過程的統(tǒng)計特征。信號光電流中不但有信號成分，還有噪聲成分，這種噪聲稱為量子噪聲(或散彈噪聲)，它與信號電平成正比。

(2)

對于APD，由于倍增過程的統(tǒng)計特征而產生附加的散彈噪聲，它隨倍增增益的增加而增加。

(3)無光照時光檢測器中流通的暗電流，這也是一種散彈噪聲，且受倍增的影響。(4)表面漏電流產生的散彈噪聲，與倍增過程無關。

(5)背景噪聲。量子噪聲

源自光的波粒二重性。對于頻率為f的光場，每個光子的能量為hf。設光束功率為P，則單位時間內的光子數為P／hf。理論和實驗都證明，光束中的這些光子是以其統(tǒng)計平均值為中心作隨機波動的。這種隨機起伏的光子入射到光檢測器上時，產生的電子空穴對也具有隨機起伏，導致所謂量子噪聲。顯然，量子噪聲是由光的本質決定的，必然附著在信號上，成為接收機靈敏度的最終限制。

AP