光纖通信系統(tǒng) 第二章-光纖通信基礎(chǔ) part2

第2章光纖通信基礎(chǔ)2.2.4光電二極管光電二極管要求：1.能檢測出入射在其上面的光功率，并完成光/電信號的轉(zhuǎn)換；2.足夠高的響應(yīng)度，對一定的入射功率能輸出足夠大的光電流；3.具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響；4.具有良好的線性關(guān)系，以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真；5.具有較小的體積、較長的工作壽命等。1光電二極管結(jié)構(gòu)基本工作原理： 反向偏壓，pn結(jié)產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度成正比的光生電流；類型：

PN光電二極管，PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。（1）PN光電二極管結(jié)構(gòu)：1）pn結(jié)；2）反向偏壓；3）光入射；4）電流環(huán)路。（1）PN光電二極管光電二極管實際上是一個加了反向偏壓的pn結(jié)n型p型耗盡層耗盡層當(dāng)反向偏壓足夠大時耗盡區(qū)本征載流子被完全耗盡pn當(dāng)光照射到光電二極管的光敏面上時，會在整個耗盡區(qū)(高場區(qū))及耗盡區(qū)附近引起受激躍遷現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電子空穴對。pnhv（1）PN光電二極管產(chǎn)生的電子空穴對在外部電場作用下定向移動，被電極收集產(chǎn)生電流pnE光生電流

I（1）PN光電二極管光電流和入射光強(qiáng)度成正比。（1）PN光電二極管光在勢壘區(qū)和勢壘外都有吸收。勢壘外的吸收產(chǎn)生擴(kuò)散電流。擴(kuò)散電流影響：擴(kuò)散相當(dāng)慢，導(dǎo)致時間響應(yīng)畸變。解決辦法：減小p區(qū)和n區(qū)厚度來減少擴(kuò)散時間。（2）PIN光電二極管pn光電二極管的缺點： 勢壘長度小，只有漂移電流產(chǎn)生有效的光電流，因此效率低。pn結(jié)中間夾一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體i層。勢壘區(qū)寬度W的影響：（1）W大，光能吸收多，產(chǎn)生光電流大，響應(yīng)度高；（2）W小，渡越時間小，響應(yīng)速度快，響應(yīng)帶寬大。需要進(jìn)行W的優(yōu)化。InGaAs：3~5μm；Si：20~50μm。結(jié)構(gòu)：優(yōu)點：（1）i層具有高電阻，電壓基本落在該區(qū)；（2）勢壘寬度增加，減小擴(kuò)散運動的影響，提高了響應(yīng)速度。（2）PIN光電二極管（2）PIN光電二極管InGaAsPIN光電二極管說明：（1）InP對波長λ>0.9μm是透明的，受光面鍍增透膜；（2）InGaAs截止波長是1.65μm。（3）1.3~1.65μm具有很強(qiáng)的吸收。（當(dāng)波長太短，載流子壽命小，導(dǎo)致擴(kuò)散長度短，未形成光電流就重新復(fù)合。）（3）雪崩光電二極管（APD）目的：提高響應(yīng)度。方法：采用電離碰撞效應(yīng)，一個光子產(chǎn)生多對電子-空穴對。結(jié)構(gòu)：在i區(qū)和n區(qū)之間引入一層p區(qū)作為碰撞電離區(qū)，即增益區(qū)，以產(chǎn)生二次電子——空穴對。（3）雪崩光電二極管（APD）（3）雪崩光電二極管（APD）工作原理：（1）光子在吸收區(qū)被吸收產(chǎn)生一次電子——空穴對；（2）電子在增益區(qū)被高速電場加速；（3）在增益區(qū)，晶格原子電離碰撞，產(chǎn)生二次電子——空穴對；（4）在增益區(qū)，多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，至使載流子雪崩式倍增。2光電二極管的工作特性和參數(shù)主要特性參數(shù)： 響應(yīng)度 倍增系數(shù) 噪聲 響應(yīng)帶寬（1）響應(yīng)度定義：物理意義：單位入射光功率產(chǎn)生的光電流大小。單位：A/W量子效率：物理意義：一個光子產(chǎn)生一個光電流中電子空穴對的概率。響應(yīng)度與波長的關(guān)系：（1）波長增大，R增大；（2）hν<Eg時，η0。（無受激吸收）取λ=0.85μm，η=0.8，R≈0.55A/W；取λ=1.55μm，η=0.8，R≈1A/W；（1）響應(yīng)度響應(yīng)度和量子效率的關(guān)系：（1）響應(yīng)度量子效率η與吸收系數(shù)α的關(guān)系：推導(dǎo)過程：透射光功率：被吸收光功率：量子效率：當(dāng)αW>>1時，η1。（2）APD倍增系數(shù)及噪聲倍增系數(shù)定義：Ip：APD的輸出平均電流；I0：平均一次電流。APD響應(yīng)度比PIN響應(yīng)度提高了M倍：RIN噪聲：量子噪聲，暗電流噪聲。APD噪聲：量子噪聲，暗電流噪聲和倍增噪聲。量子噪聲：光子產(chǎn)生電子空穴對的隨機(jī)性；暗電流噪聲：在無光照時，偏置電路產(chǎn)生的電流隨機(jī)性；倍增噪聲過程：（1）i區(qū)產(chǎn)生一次電子空穴對的隨機(jī)性；（2）增益區(qū)產(chǎn)生二次電子空穴對的隨機(jī)性。倍增效應(yīng)使噪聲電流也被放大了。（2）APD倍增系數(shù)及噪聲PIN噪聲：APD噪聲：x：0.3~1說明：噪聲功率增大是信號功率增大的Mx倍。B：噪聲帶寬（3）響應(yīng)帶寬頻率響應(yīng)帶寬定義： 轉(zhuǎn)換效率與直流信號相比下降3dB時的頻率。PIN響應(yīng)帶寬：說明：（1）渡越時間越小，帶寬越大；（2）增大電壓，通過增大電場來提高速度vs；在耗盡區(qū)高電場加速的情況下，光生載流子可達(dá)極限速度；（3）減小W，提高Δf。：渡越時間（3）響應(yīng)帶寬APD響應(yīng)帶寬：：空穴和電子的碰撞電離系數(shù)比值

M0=M（0）說明：（1）M0增大，帶寬減??；（2）減小來增大帶寬。如：Si半導(dǎo)體材料（0.8μm波段）的

：低頻倍增系數(shù)（3）響應(yīng)帶寬小結(jié)PIN光電二極管特點：結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，電壓低，使用方便，量子效率高，噪聲小，帶寬較高。應(yīng)用場合：光纖通信系統(tǒng)，靈敏度要求不高場合一般采用PIN。APD光電二極管特點：高靈敏度，高增益，高電壓，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪聲大。應(yīng)用場合：靈敏度要求較高的場合，如小信號測量。材料：Si：PIN/APD,0.85μm；InGaAs：PIN，1.31和1.55μm2.3光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)光纖發(fā)送信號接收信號光纖通信系統(tǒng)組成：（回顧）光發(fā)射機(jī)初識激光器

光纖驅(qū)動電路自動功率控制電路自動溫度控制電路耦合裝置電信號光信號本講主要內(nèi)容1光源的選擇2光源與光纖的耦合3驅(qū)動電路4自動功率控制（APC）電路5自動溫度控制（ATC）電路6其他一些電路1光源的選擇兩種類型的光源：

LED：Light-EmittingDiode，發(fā)光二極管

LD：LaserDiode，半導(dǎo)體激光器兩種光源特性的對比：1）P-I特性：LED：LD：無閾值有閾值線性度差線性度較好1光源的選擇2）光譜特性LED：LD：譜寬30~50nm譜寬50~80nm譜寬10MHz1光源的選擇3）調(diào)制特性調(diào)制帶寬LED：50~140MHzLD：結(jié)論：1）LED用于低速、短距離系統(tǒng)的光發(fā)射機(jī)，

LD用于高速、長距離系統(tǒng)的光發(fā)射機(jī)；

2）模擬系統(tǒng)的光發(fā)射機(jī)應(yīng)選擇LD。本講主要內(nèi)容1光源的選擇2光源與光纖的耦合3驅(qū)動電路4自動功率控制（APC）電路5自動溫度控制（ATC）電路6其他一些電路2光源與光纖的耦合問題：光源光束的發(fā)射角與數(shù)值孔徑?jīng)Q定的最大收光角之間的關(guān)系。2光源與光纖的耦合解決方案1：最大收光角將光纖端面盡可能靠近光源的發(fā)光面纖芯包層2光源與光纖的耦合解決方案2：纖芯包層纖芯包層端面透鏡使收光角增大拉錐燒球方法在光纖端面上形成一個透鏡該方案耦合效率重要參數(shù)：面LED1%，邊LED10%，LD40%2光源與光纖的耦合解決方案3：采用球透鏡的共焦耦合方式該方案耦合效率重要參數(shù)：LD70%本講主要內(nèi)容1光源的選擇2光源與光纖的耦合3驅(qū)動電路4自動功率控制（APC）電路5自動溫度控制（ATC）電路6其他一些電路3驅(qū)動電路驅(qū)動電路的分類和要求：按方案來分：

1）外調(diào)制方案：電流驅(qū)動產(chǎn)生直流光信號——電光轉(zhuǎn)換；

2）內(nèi)調(diào)制方案：調(diào)制的電信號產(chǎn)生調(diào)制的光信號——信號調(diào)制+電光轉(zhuǎn)換；激光器激光器驅(qū)動電路外調(diào)制器外調(diào)制器驅(qū)動電信號外調(diào)制：激光器激光器驅(qū)動電路內(nèi)調(diào)制：電信號3驅(qū)動電路按調(diào)制信號要求來分：

1）模擬信號——模擬調(diào)制驅(qū)動電路；

2）數(shù)字信號——數(shù)字調(diào)制驅(qū)動電路。LEDLD簡單模擬調(diào)制電路模擬調(diào)制：3驅(qū)動電路LED的數(shù)字調(diào)制：LED簡單LED數(shù)字調(diào)制電路恒流源輸入電壓大于參考電壓輸入電壓小于參考電壓“1”“0”3驅(qū)動電路LDLD的數(shù)字調(diào)制：簡單LD數(shù)字調(diào)制電路恒流源>VBB<VBB直流偏置問題：如何實現(xiàn)不加反相器呢？3驅(qū)動電路說明：1）電子管和其他電子元件存在分布參數(shù)限制光發(fā)射機(jī)性能；2）對于高于1Gb/s的驅(qū)動電路采用光電混合集成電路（OEIC）來實現(xiàn)。射極耦合邏輯驅(qū)動電路本講主要內(nèi)容1光源的選擇2光源與光纖的耦合3驅(qū)動電路4自動功率控制（APC）電路5自動溫度控制（ATC）電路6其他一些電路4自動功率控制（APC）電路為什么需要進(jìn)行自動功率控制？

1）接收機(jī)對輸入光功率的要求； 下限：接收機(jī)靈敏度，上限：過載光功率。

2）判決閾值的要求； 接收機(jī)中平均輸入光功率的變化，要求判決閾值相應(yīng)變化。

3）其他：線路中光放大器輸入光功率的要求等。因此要求光發(fā)射機(jī)。輸出光功率穩(wěn)定4自動功率控制（APC）電路引起輸出光功率變化的因素有：溫度變化激光器老化隨著溫度的升高，輸出光功率減小隨著使用時間的增加，輸出光功率減小4自動功率控制（APC）電路自動功率控制的原理：光發(fā)射機(jī)光功率輸出光功率

自動反饋：

控制對象：恒流源不可行調(diào)節(jié)調(diào)制電流強(qiáng)度4自動功率控制（APC）電路IP老化情況：IP溫度變化情況：調(diào)節(jié)偏置電流可行4自動功率控制（APC）電路VbVeR要求：1）P減小，Vb增大；P增大，Vb減小。

2）正常情況下，“0”信號與“1”信號具有相同的Vb。

3）消除PIN噪聲的影響。檢測光信號接反相輸入端輸入信號作為參考信號A3帶電容的積分電路4自動功率控制（APC）電路驅(qū)動和APC電路本講主要內(nèi)容1光源的選擇2光源與光纖的耦合3驅(qū)動電路4自動功率控制（APC）電路5自動溫度控制（ATC）電路6其他一些電路5自動溫度控制（ATC）電路溫度對激光器的影響P-I特性的影響：結(jié)論1：隨著溫度的升高，閾值電流呈指數(shù)增長 輸出功率明顯下降；當(dāng)溫度升高到一定程度時，LD有可能不 受激輻射LD5自動溫度控制（ATC）電路光譜特性的影響：波長（nm）結(jié)論2：隨著溫度的升高，輸出光譜要發(fā)生移動。5自動溫度控制（ATC）電路激光器致冷器熱沉熱敏電阻控制電路冷面熱面自動溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)致冷器說明：半導(dǎo)體致冷器（熱電致冷器，thermalelectricalrefrigerator）， 原理：帕爾帖效應(yīng)（熱電效應(yīng)）5自動溫度控制（ATC）電路T升高，RT減小；RT：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻UoUo>0，增大電流正向流動，制冷Uo<0三極管截止，無制冷電流，不制冷T降低，RT增大；本講主要內(nèi)容1光源的選擇2光源與光纖的耦合3驅(qū)動電路4自動功率控制（APC）電路5自動溫度控制（ATC）電路6其他一些電路6其他一些電路其他輔助電路：告警電路和保護(hù)電路告警電路：（1）無光告警：光信號中斷，無光告警指示燈亮。（2）壽命告警：APC中偏置電流Ib增大到1.5Ith時，發(fā)出壽命告警，需要更換激光器。（3）溫差告警：溫度超過工作溫度±5oC，關(guān)掉偏置和調(diào)制電流，發(fā)出溫差告警。6其他一些電路保護(hù)電路：慢啟動和限流保護(hù)慢啟動：（1）R1和C1組成一個低通濾波器；（2）在接通電源后，偏流緩慢啟動，經(jīng)過一定時間延遲（由R1、C1的大小決定）后，電路才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。限流保護(hù)：（1）Ib增大，R2壓降增大，導(dǎo)致BG2導(dǎo)通；（2）BG2導(dǎo)通減小BG1中Vbe電壓，減小Ib。小結(jié)激光器

光纖驅(qū)動電路自動功率控制電路自動溫度控制電路耦合裝置電信號光信號光線路碼光線路碼定義：光纖線路中傳輸?shù)拇a型。光線路碼的基本要求：（1）能進(jìn)行業(yè)務(wù)誤碼檢測；（2）避免碼流中長連“0”和長連“1”，利于時鐘提?。唬?）減少功率譜密度中的高、低頻分量，降低系統(tǒng)帶寬的要求和減小信號的基線漂移；（4）碼率的提高要小。光線路碼分為三類：偽雙極性碼、mBnB碼、插入比特碼。（1）偽雙極性碼AMI碼：傳號交替反轉(zhuǎn)，是一種三電平碼。問題：光通信中強(qiáng)度調(diào)制無負(fù)脈沖。解決辦法：2bit信號光信號表示1bitAMI碼信號——偽雙極性碼。偽雙極性碼：CMI碼和DMI碼AMICMIDMI+0－11010011“+”之后為01，“－”之后為1000AMI碼與CMI和DMI碼的變換規(guī)則（1）偽雙極性碼二值碼CMIDMI模式1模式2模式1模式20101000111010010（連“0”模式不變）11二值碼與CMI和DMI碼的變換規(guī)則CMI：DMI：（2）mBnB碼偽雙極性碼的缺點：碼率提高過高；mBnB碼（組碼）：m比特變換為n（n>m）比特。常用mBnB碼：1B2B碼，2B3B碼，3B4B碼，5B6B碼，5B7B碼，6B8B碼和7B8B碼。CMI和DMI：是一種1B2B碼；常用的8B10B碼是由3B4B和5B6B碼變換而成。數(shù)3B4B模式1模式2012345670000010100111001011101110100001101010110100110101100001010110011010101101001101011001101（2）mBnB碼特點：當(dāng)選用的碼“0”和“1”不均等時，采用兩種模式轉(zhuǎn)換。3B4B碼變換規(guī)則（3）插入比特碼插入比特碼：

m比特分成一組，在每一組碼的末尾加入一個比特碼構(gòu)成線路碼。用途分類：mB1P碼和mB1C碼。mB1P碼：附加奇偶校驗；mB1C碼：避免長連“0”或“1”；“1”偶校驗M位反碼2.3.2光接收機(jī)1、光接收機(jī)的組成；2、前端；3、線性通道；4、數(shù)據(jù)恢復(fù)；5、集成光接收機(jī)。1、光接收機(jī)的組成；2.3.2光接收機(jī)1、光接收機(jī)的組成；2、前端；3、線性通道；4、數(shù)據(jù)恢復(fù)；5、集成光接收機(jī)。2、前端前端作用：將光電二極管輸出的信號放大到合適的程度，以便送入主放大器和后續(xù)處理電路。前端組成：光電二極管和前置放大器。光電二極管：一般采用PIN光電二極管或APD雪崩光電二極，它們性能的優(yōu)劣直接影響整個光接收機(jī)的性能

。前置放大器：光電檢測器輸出的光電流是十分微弱的，需要多級放大器進(jìn)行放大，多級放大器的前級為前置放大器。二極管等效電路模型：電路帶寬：前端分類：（1）高阻抗前端；（2）跨阻抗前端。2、前端；分析：（1）RL增大，提高接收靈敏度，但減小帶寬Δf； （2）RL減小，提高帶寬Δf，降低接收靈敏度。2、前端；高阻抗前端模型：特點：（1）RL大增大了前置放大器的輸入電壓；（2）降低熱噪聲和增加接收靈敏度；（熱噪聲）（3）帶寬較窄。注：CT包含了光電二極管的結(jié)電容和前置放大器的晶體管引入的電容。2、前端；跨阻抗前端模型：特點：（1）負(fù)反饋使得等效輸入阻抗為RL/G，帶寬提高了G倍；（2）同時具有高接收靈敏度和高帶寬的特點。（3）在多數(shù)光接收機(jī)中采用。2.3.2光接收機(jī)1、光接