光纖通信技術(shù)第六章

光纖通信技術(shù)第六章王發(fā)強(qiáng)Fq_wang@163.com信息光電子科技學(xué)院華南師范大學(xué)光檢測器及光接收機(jī)

塞下秋來風(fēng)景異，衡陽雁去無留意。四面邊聲連角起。千嶂里，長煙落日孤城閉。濁酒一杯家萬里，燕然未勒歸無計(jì)。羌管悠悠霜滿地。人不寐，將軍白發(fā)征夫淚。

漁家傲范仲淹光源調(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(jī)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(jī)光信號光電變換前置放大主放大器均衡濾波判決器時(shí)鐘恢復(fù)輸出AGC電路性能指標(biāo):接收靈敏度、誤碼率或信噪比前端時(shí)鐘提取與數(shù)據(jù)再生（CDR）線性通道對信號進(jìn)行高增益放大與整形，提高信噪比，減少誤碼率。6.1光檢測器6.2光接收機(jī)6.3光接收機(jī)的噪聲特性6.4光接收機(jī)的靈敏度6.5光接收機(jī)的性能評估第六章光檢測器及光接收機(jī)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(shí)，每當(dāng)一個(gè)光子被半導(dǎo)體吸收就產(chǎn)生一個(gè)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6.1光檢測器

PN光電二極管工作原理：入射光從P側(cè)進(jìn)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(yùn)動，產(chǎn)生光電流。響應(yīng)時(shí)間：由光功率輸入轉(zhuǎn)化為光電流輸出，有一定時(shí)間遲后，其值主要決定于載流子通過耗盡區(qū)的渡越時(shí)間。

PIN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(dá)到減小擴(kuò)散運(yùn)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(shí)各層的場分布PIN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(qiáng)烈吸收在w距離內(nèi)吸收的功率考慮光反射后，產(chǎn)生的光電流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(gè)數(shù)入射的光子數(shù)在光電二極管的應(yīng)用中，100個(gè)光子會產(chǎn)生30到95個(gè)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(shí)間就越長。由于載流子的漂移時(shí)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。光譜響應(yīng)對一給定的探測區(qū)材料就有一個(gè)能夠探測的最低頻率或最大波長，而對波長大于這個(gè)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(shí)，價(jià)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(qiáng)，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：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

雪崩光電二極管APDPIN:1個(gè)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(gè)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(gè)附加層，倍增區(qū)或增益區(qū)，以實(shí)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。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(gè)光生載流子不會經(jīng)歷相同的倍增過程，具有隨機(jī)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)與過剩噪聲因子溫度對雪崩增益的影響光電檢測器的噪聲檢測器的等效電路

其中

為均方電流噪聲，，B為PIN電路帶寬。量子噪聲（散粒噪聲）光生電子的隨機(jī)性所引起來的。在入射光的激發(fā)下，單位時(shí)間內(nèi)所激發(fā)的電子數(shù)是不固定的，這種隨機(jī)性就是量子噪聲。有信號就有量子噪聲，它依附在信號之上，是限制光接收機(jī)靈敏度的主要因數(shù)。經(jīng)分析：PIN暗電流Id的隨機(jī)起伏引起的暗電流噪聲熱噪聲自由電子或帶電載流子在功耗元件上的不規(guī)則運(yùn)動，同信號大小無關(guān)，是白噪聲。其中T為PIN的絕對溫度（°K），B為測量儀器或前放帶寬，R為PIN內(nèi)阻。Nt與B成正比，而與信號頻率無關(guān)。是一種白噪聲，其功率譜密度為常數(shù)（4KTR）。檢測器響應(yīng)時(shí)間光電二極管產(chǎn)生光電流的響應(yīng)時(shí)間主要取決于以下因素：1、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；3、光電二極管以及與其相關(guān)的電路的Rc時(shí)間常數(shù)。非全耗盡型光電二極管的典型響應(yīng)時(shí)間帶寬受限的主要因素:產(chǎn)生的光電流中存在擴(kuò)散分量，它與耗盡區(qū)外的光吸收有關(guān)。載流子作擴(kuò)散運(yùn)動的時(shí)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(shí)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、InGaAs

pin光電二極管的通用工作特性參數(shù)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(shí)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(gè)相對比較廉價(jià)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(bǔ)償電路。要視具體應(yīng)用場合而選定。6.1光檢測器6.2光接收機(jī)6.3光接收機(jī)的噪聲特性6.4光接收機(jī)的靈敏度6.5光接收機(jī)的性能評估第六章光檢測器及光接收機(jī)6.2光接收機(jī)光信號光電變換前置放大主放大器均衡濾波判決器時(shí)鐘恢復(fù)輸出AGC電路性能指標(biāo):接收靈敏度、誤碼率或信噪比前端線性通道時(shí)鐘提取與數(shù)據(jù)再生（CDR）對信號進(jìn)行高增益放大與整形，提高信噪比，減少誤碼率。6.2.1光接收機(jī)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(shí)變電流，然后進(jìn)行預(yù)放大（電流－電壓轉(zhuǎn)換），以便后級作進(jìn)一步處理。是光接收機(jī)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6.2.1光接收機(jī)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(diǎn)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(bǔ)償電路。從簡化接收機(jī)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。6.2.1光接收機(jī)的前端(3)根據(jù)不同的應(yīng)用要求，前端的設(shè)計(jì)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(jī)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(diǎn)：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(diǎn)：靈敏度低，噪聲較高6.2.1光接收機(jī)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(diǎn)：噪聲較低缺點(diǎn)：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(fù)反饋放大器（電流-電壓轉(zhuǎn)換器）優(yōu)點(diǎn)：寬頻帶（等效輸入電阻很?。?、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(diǎn)，被廣泛采用。6.2.2光接收機(jī)的線性通道對主放輸出的失真數(shù)字脈沖進(jìn)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(kuò)大接收機(jī)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6.2.3判決再生與時(shí)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(shí)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(gè)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(gè)“0”。為了精確地確定“判決時(shí)刻”，需要從信號碼流中提取準(zhǔn)確的時(shí)鐘信息作為標(biāo)定，以保證與發(fā)送端一致。判決器時(shí)鐘恢復(fù)輸出判決、再生過程均衡器輸出波形時(shí)鐘再生后的信號判決電壓最佳取樣時(shí)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。6.1光檢測器6.2光接收機(jī)6.3光接收機(jī)的噪聲特性6.4光接收機(jī)的靈敏度6.5光接收機(jī)的性能評估第六章光檢測器及光接收機(jī)6.3光接收機(jī)的噪聲特性光接收機(jī)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(jī)噪聲及其分布圖：散粒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(jī)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(shí)，光電子的產(chǎn)生和收集過程具有統(tǒng)計(jì)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(jī)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(dá)到最佳化時(shí)，接收機(jī)靈敏度具有一個(gè)最低極限。在時(shí)間間隔內(nèi)，接受的能量為E，產(chǎn)生的電子空穴對N在時(shí)間間隔內(nèi)，發(fā)射n個(gè)電子的概率為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(jī)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(shí)，外界的一些雜散光或熱運(yùn)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(jī)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(shí)，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(jì)，良好的結(jié)構(gòu)和嚴(yán)格的工藝降低。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(jī)噪聲及其分布圖：APD倍增噪聲：當(dāng)使用雪崩光電二極管時(shí)，倍增過程的隨機(jī)特性產(chǎn)生附加的噪聲。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(jī)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(jī)脈動。碼間串?dāng)_6.1光檢測器6.2光接收機(jī)6.3光接收機(jī)的噪聲特性6.4光接收機(jī)的靈敏度6.5光接收機(jī)的性能評估第六章光檢測器及光接收機(jī)6.4光接收機(jī)的靈敏度接收靈敏度：接收機(jī)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(jī)的重要指標(biāo)，描述了其準(zhǔn)確檢測光信號的能力。誤碼率（BER）：接收機(jī)判決電路錯(cuò)誤確定一個(gè)比特的概率。噪聲引起誤碼的圖解說明接收機(jī)結(jié)構(gòu)二進(jìn)制信號的誤碼概率I1I0二進(jìn)制信號的誤碼概率I1I0二進(jìn)制信號的誤碼概率I1I0二進(jìn)制信號的誤碼概率I1I0高斯概率密度分布函數(shù)：0110誤碼的近似計(jì)算Q被廣泛用來說明接收機(jī)的特性。Q=6，BER=10E-9Q>7，BER<10E-12通常:2.5Gb/s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；量子極限當(dāng)1誤為0的概率為10-9、量子效率為1時(shí)：接收機(jī)噪聲散彈噪聲接收機(jī)靈敏度經(jīng)歸一化處理后，等效帶寬為：總的均方噪聲電壓改寫為取合適的參數(shù)，得到：脈沖最小能量性能曲線輸入脈沖輸出脈沖光接收機(jī)靈敏度的惡化實(shí)際光發(fā)送機(jī)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。在這種非理想條件下，與僅考慮接收機(jī)噪聲而導(dǎo)出的靈敏度值相比，接收機(jī)要求的最小平均光功率增大了，這個(gè)增量稱為功率代價(jià)，也稱靈敏度惡化。其影響因素很多。810Gb/s80kmG.652光纖傳輸實(shí)驗(yàn)-誤碼特性功率代價(jià)接收過載功率：定義為在R點(diǎn)處為達(dá)到10E-10的BER值所需要的平均接收光功率的最大值。圖中A點(diǎn)處的光功率是接收靈敏度B點(diǎn)處的光功率是接收過載