1、光源光源放大器放大器光電二光電二極管極管判決器判決器第第4章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī)n光接收機(jī)光接收機(jī)(Receiver)(Receiver)的作用就是檢測經(jīng)過傳輸后的微弱光信號(hào)，并放大、整形、再生成原輸入信號(hào)。n光接收機(jī)的主要器件是利用光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的光電檢測器光電檢測器(O/E (O/E Detector)Detector)。n對(duì)光電檢測器的要求是靈敏度高、響應(yīng)快、噪聲小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面應(yīng)與光纖芯徑匹配。第第4章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī) 4.1 4.1 光檢測器 4.2 光接收機(jī) 4.1 光檢測器光檢測器 4.1.1 4.1.

2、1 光電二極管的物理原理 4.1.2 PIN光電二極管 4.1.3 APD雪崩光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，主要有：1. 光電檢測器光電檢測器(photodetectors)光電倍增管(photomultiplier tube, PMT)熱電探測器(pyroelectric detector)基于半導(dǎo)體光電導(dǎo)體(semiconductor-based photoconductor)光電晶體管(phototransistor)光電二極管光電二極管(photodiode, PD)4.1 光檢測器光檢測器4.1.1 光電二極管的物理原理2. PD的工作原理的工作原理半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)光電

3、效應(yīng)Ec c吸收光子后吸收光子后產(chǎn)生電子產(chǎn)生電子Ev光子光子hn n輸入輸入( (輸出電流輸出電流) )在 PN 結(jié)施加反向電壓結(jié)施加反向電壓下,受激吸收過程生成的電子-空穴對(duì)在電場的作用下在耗盡區(qū)渡越，形成光生電流光生電流Ip。入射光子的能量超過禁帶能量 Eg，耗盡區(qū)每次吸收一個(gè)光子，將產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，發(fā)生受激吸收受激吸收4.1 光檢測器光檢測器4.1.1 光電二極管的物理原理半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)光電效應(yīng)示意圖示意圖半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)光電效應(yīng)示意圖示意圖3. 一般一般PD的缺點(diǎn)的缺點(diǎn)u結(jié)電容大，RC時(shí)間常數(shù)大，不利于高頻調(diào)制u耗盡層薄，不利于光吸收PIN，APD4.1 光檢測器光檢

4、測器4.1.1 光電二極管的物理原理1.1.說出若干光電檢測器件。說出若干光電檢測器件。 2.2.光纖通信中通常選用什么光電檢測器件？光纖通信中通常選用什么光電檢測器件？3.PD3.PD和和PMTPMT分別代表什么光電檢測器？分別代表什么光電檢測器？4.PD4.PD的工作原理是什么？一般的工作原理是什么？一般PDPD有什么缺點(diǎn)？有什么缺點(diǎn)？5.5.半導(dǎo)體半導(dǎo)體PDPD工作時(shí)需要外加正向偏壓還是反向偏工作時(shí)需要外加正向偏壓還是反向偏壓？壓？4.1 光檢測器光檢測器 4.1.1 4.1.1 光電二極管的物理原理 4.1.2 PIN光電二極管 4.1.3 APD雪崩光電二極管4 4. .1 1.2

5、PIN.2 PIN光電二極管光電二極管I I區(qū)高阻抗區(qū)高阻抗, ,電電壓基本都落在壓基本都落在I I區(qū)區(qū)PINPIN光電二極管及反偏時(shí)各層的場分布光電二極管及反偏時(shí)各層的場分布在PN結(jié)間插入一層近似為本征半導(dǎo)體(Intrinsic)的材料作為耗盡區(qū)(故稱PIN) ，厚度550mm，可吸收絕大多數(shù)光子，提高量子效率。耗盡區(qū)寬度由結(jié)構(gòu)決定，而不由外電場左右。1. PIN光電二極管光電二極管4.1 光檢測器光檢測器光敏區(qū)在光敏區(qū)在P P區(qū)區(qū)4 4. .1 1.2 PIN.2 PIN光電二極管光電二極管4.1 光檢測器光檢測器RLCdIpVoutPIN管分布電容hvEgSiO2P+h+e-+EIpVo

6、ut抗反射膜電極耗盡區(qū)耗盡區(qū)PinRLI-SiWN+Vr-電極等效電路耗盡層電容：WACddLCR0時(shí)間常數(shù)：pFCd504 4. .1 1.2 PIN.2 PIN光電二極管光電二極管4.1 光檢測器光檢測器入射光入射光hvEgSiO2P+h+e-+ERIpVoutW抗反射膜抗反射膜電極電極電電極極耗盡區(qū)耗盡區(qū)in輸出電壓輸出電壓L LN2. PIN主要特性主要特性光生電流Ip與入射光功率Pin成正比定義定義單位A/W量子效率量子效率(quantum efficiency)inpPIR hvPeIinp/響應(yīng)度響應(yīng)度R(responsivity)量子效率量子效率=(=(光生光生電子空穴對(duì)數(shù)電子

7、空穴對(duì)數(shù))/)/入射光子入射光子數(shù)數(shù)24. 1hveRm A/W, mininR4 4. .1 1.2 PIN.2 PIN光電二極管光電二極管4.1 光檢測器光檢測器Photodiode Responsivities量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)4 4. .1 1.2 PIN.2 PIN光電二極管光電二極管4.1 光檢測器光檢測器24. 1hveR響應(yīng)波長響應(yīng)波長波長太長，光子能量hv小于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，光子不能被耗盡層吸收，故存在長波截止波長c)(/24. 1/eVEEhcggc波長太短，光子被表面層吸收，表面層內(nèi)無電場，使得光生電子-空穴對(duì)不能有效轉(zhuǎn)換為光電流，因而

8、也存在短波截止波長如：mSimInGaAsGemm0 . 15 . 0:PIN 6 . 11 . 1:PIN ,4 4. .1 1.2 PIN.2 PIN光電二極管光電二極管4.1 光檢測器光檢測器c響應(yīng)時(shí)間和頻率特性響應(yīng)時(shí)間和頻率特性1）由渡越時(shí)間決定本征響應(yīng)帶寬(截止頻率)sdWhvEgSiO2P+h+e-+EIpVout抗反射膜電極耗盡區(qū)耗盡區(qū)PinRLI-SiWN+Vr-電極由光功率輸入轉(zhuǎn)化為光電流輸出，有一定時(shí)間滯后，其值主要決定于載流子通過耗盡區(qū)W的渡越時(shí)渡越時(shí)間間(transit time)。由渡越時(shí)間限定調(diào)制的截止頻率截止頻率。dcf/442.0)2/()2/sin()0()(

9、dd2/1)0(/)(4 4. .1 1.2 PIN.2 PIN光電二極管光電二極管4.1 光檢測器光檢測器以=2pf調(diào)制光波，則量子效率有：附：附：sin(x)/xsin(x)/x function curve function curve)2/()2/sin()0()(dd2/1)0(/)(0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.00.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0(sinx/x)2x F1(1.391,0.500)02468100.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0(sinx/x)2x

10、 F1dcf/442. 0劉增基教材中為0.42/RLCdIpVoutPIN管分布電容hvEgSiO2P+h+e-+EIpVout抗反射膜電極耗盡區(qū)耗盡區(qū)PinRLI-SiWN+Vr-電極等效電路dLCR0時(shí)間常數(shù)-由分布電容及外電路負(fù)載決定2）RC時(shí)間常數(shù)限制的帶寬(截止頻率)02121ppRCfc截止頻率4 4. .1 1.2 PIN.2 PIN光電二極管光電二極管4.1 光檢測器光檢測器實(shí)驗(yàn)中常測量到脈沖的上升時(shí)間r, r與0關(guān)系如何？特征時(shí)間：即脈沖響應(yīng)時(shí)間01.0tVin)/exp(1 )(0RCtVtVout線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)RCVinVouti00.90.1tVoutr1 . 0)

11、/exp(1)(10RCtVtVout9 . 0)/exp(1)(20RCtVtVout0122 . 22 . 2)9ln(RCRCttr4 4. .1 1.2 PIN.2 PIN光電二極管光電二極管4.1 光檢測器光檢測器線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)RCVinVouti截止頻率：RC0RC電路的帶寬02121ppRCfcrrp35. 022 . 202 . 2r4 4. .1 1.2 PIN.2 PIN光電二極管光電二極管4.1 光檢測器光檢測器rf35. 0c4 4. .1 1.2 PIN.2 PIN光電二極管光電二極管4.1 光檢測器光檢測器噪聲噪聲將入射光功率轉(zhuǎn)換為光電流, 光電流存在隨機(jī)性的起伏

12、，該隨機(jī)起伏即為噪聲。)(tItpItI)()()(tiItInp信噪比(SNR: Optical Signal-Noise Ratio) -平均信號(hào)功率和噪聲功率之比)(tItpItI)()()(tiItInp22 niIrnoise powepowersignalSNRp若干術(shù)語：均方(mean-square)噪聲電流(方差)22ni均方根(root of mean-square)噪聲電流2rmsni4 4. .1 1.2 PIN.2 PIN光電二極管光電二極管4.1 光檢測器光檢測器4 4. .1 1.2 PIN.2 PIN光電二極管光電二極管4.1 光檢測器光檢測器（ 1 ）均方散粒噪

13、聲電流）均方散粒噪聲電流噪聲影響光接收機(jī)的靈敏度散粒噪聲散粒噪聲(Shot Noise)-由信號(hào)電流和暗電流產(chǎn)生熱噪聲熱噪聲-由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生DfB為PIN及后繼放大器的等效噪聲帶寬，Ip和Id分別為信號(hào)電流和暗電流噪聲通常用均方噪聲電流(在1W電阻負(fù)載上的噪聲功率)表示!Bdp2sh2sh)II (2efiiD噪聲包括：4 4. .1 1.2 PIN.2 PIN光電二極管光電二極管4.1 光檢測器光檢測器 2eIPD DfB-量子噪聲量子噪聲2eIdD DfB-暗電流暗電流產(chǎn)生的噪聲產(chǎn)生的噪聲由于入射光子和所形成的電子-空穴對(duì)都具有離散離散性和隨機(jī)性性和隨機(jī)性而產(chǎn)生暗電流是

14、器件在反偏壓條件下，沒有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向直流電流。 Bdp2sh2sh)II (2efiiD4 4. .1 1.2 PIN.2 PIN光電二極管光電二極管4.1 光檢測器光檢測器（2）均方熱噪聲電流）均方熱噪聲電流T為等效噪聲溫度，R為等效電阻光電二極管的光電二極管的總均方噪聲電流總均方噪聲電流為為 RfkTiiB2T2T4D2T2sh2niiiRfkTfBBdp4)II (2eDD附附: PIN: PIN光檢測器參數(shù)比較光檢測器參數(shù)比較Fiber-Optic Communications Systems, Third Edition. Govind P. Agrawal Copyright

15、 2002 John Wiley & Sons, Inc.附附: PIN: PIN光檢測器參數(shù)比較光檢測器參數(shù)比較參數(shù)參數(shù)符號(hào)符號(hào)單位單位SiGeInGaAs波長范圍波長范圍 nm4001100800165011001700響應(yīng)度響應(yīng)度RA/W0.40.60.40.50.750.95暗電流暗電流IdnA110505000.52.0上升時(shí)間上升時(shí)間 rns0.51.00.10.50.050.5帶寬帶寬BGHz0.30.70.53.01.02.0偏置電壓偏置電壓VV55105練習(xí)練習(xí)Example1: A photodiode is constructed of GaAs, which h

16、as a band-gap energy of 1.43eV at 300K. What is the cutoff wavelength?練習(xí)練習(xí)Example1: A photodiode is constructed of GaAs, which has a band-gap energy of 1.43eV at 300K. What is the cutoff wavelength?)(24. 1)(eVEEhcmggCmmeVEEhcmggCmm869. 0)(24. 1)(練習(xí)練習(xí)Example2: In a 100-ns pulse, 6106 photons at a wav

17、elength of 1300nm fall on an InGaAs photodetector. On the average, 5.4106 electron-hole pairs are generated. What is the quantum efficiency?練習(xí)練習(xí)Example2: In a 100-ns pulse, 6106 photons at a wavelength of 1300nm fall on an InGaAs photodetector. On the average, 5.4106 electron-hole pairs are generate

18、d. What is the quantum efficiency?9 . 010*610*4 . 5 66hotonsincident pnumber of eratedn-hole genof electronumber練習(xí)練習(xí)Example3: Photons of energy 1.5310-19 J are incident on a photodiode which has a responsivity of 0.65A/W. If the optical power level is 10uW, calculate the photocurrent.練習(xí)練習(xí)Example3: P

19、hotons of energy 1.5310-19 J are incident on a photodiode which has a responsivity of 0.65A/W. If the optical power level is 10mW, calculate the photocurrent.AWWARPIinpmm5 . 6)10)(/65. 0(練習(xí)練習(xí)Example4: As show in right figure, for the wavelength range 1300-1600nm, the quantum efficiency of InGaAs is

20、around 90 percent. What is the responsivity at 1300nm?練習(xí)練習(xí)Example4: As show in right figure, for the wavelength range 1300-1600nm, the quantum efficiency of InGaAs is around 90 percent. What is the responsivity at 1300nm?hvPeIinp/24. 1hveRm A/W, mininRWAR/92. 01.PIN1.PIN中的中的“I”I”代表什么？和一般代表什么？和一般PDPD

21、比較，其優(yōu)點(diǎn)是什么？比較，其優(yōu)點(diǎn)是什么？ 2.PIN2.PIN的主要特性有哪些？（至少說出的主要特性有哪些？（至少說出3 3種）種）3.3.什么是什么是PINPIN的響應(yīng)度和量子效率？寫出其表達(dá)式并加以說明。的響應(yīng)度和量子效率？寫出其表達(dá)式并加以說明。4.PIN4.PIN的噪聲有哪些？的噪聲有哪些？5.5.已知已知SiSi-PIN-PIN的量子效率為的量子效率為0.70.7，對(duì)波長，對(duì)波長 =0.85=0.85m mm m激光，求其激光，求其響應(yīng)度響應(yīng)度R R。6.6.已知已知SiSi-PIN-PIN的耗盡區(qū)寬度為的耗盡區(qū)寬度為4040m mm m，光生載流子漂移速度為，光生載流子漂移速度為1

22、0105 5m/sm/s，結(jié)電容為，結(jié)電容為1pF1pF，負(fù)載電阻為，負(fù)載電阻為100100W W，求該，求該P(yáng)INPIN帶寬。帶寬。4.1 光檢測器光檢測器 4.1.1 4.1.1 光電二極管的物理原理 4.1.2 PIN光電二極管 4.1.3 APD雪崩光電二極管4.1.3 APD雪崩光電二極管1.1.雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD: Avalanche PhotoDiode)以Si拉通型p+ppn+為例(RAPD)4.1 光檢測器光檢測器WE( )x0 0 x吸收區(qū)吸收區(qū)雪崩區(qū)雪崩區(qū)雪崩層雪崩層(Reach-through APD)p+: heavily doped p-typep

23、: intrinsic materialn+: heavily doped n-typep: high-resistivity materialSiO2P+h+e-ERVout電極電極電電極極耗盡區(qū)耗盡區(qū)入射光入射光hvEgL LN+Vr-Pp ppIMI在耗盡層(吸收區(qū))產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在進(jìn)入壓差極大的雪崩區(qū)，與晶格原子碰撞產(chǎn)生二次電子-空穴對(duì),發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)而使光電流倍增放大. WE( )x0 0 x吸收區(qū)吸收區(qū)雪崩區(qū)雪崩區(qū)原理：吸收原理：吸收- -碰撞電離碰撞電離- -雪崩效應(yīng)雪崩效應(yīng)光敏區(qū)在光敏區(qū)在N N區(qū)區(qū)SiO2P+h+e-ERVout電極電極電電極極耗盡區(qū)耗盡區(qū)入射光入射光h

24、vEgL LN+Vr-Pp ppIMI4.1.3 APD雪崩光電二極管4.1 光檢測器光檢測器n探測靈敏度高n外加反向電壓高: PN 結(jié)內(nèi)部形成高電場區(qū)的需要n增益高n工作速度高特點(diǎn)有特點(diǎn)有:WE( )x0 0 x吸收區(qū)吸收區(qū)雪崩區(qū)雪崩區(qū)SiO2P+h+e-ERVout電極電極電電極極耗盡區(qū)耗盡區(qū)入射光入射光hvEgL LN+Vr-Pp ppIMI4.1.3 APD雪崩光電二極管4.1 光檢測器光檢測器其它其它APD使用雙異質(zhì)結(jié)的SAM APD結(jié)構(gòu)圖電場分布能級(jí)圖P+e+hERIpVout電極電極入射光LN+VrNNInPInPInGaAsE( )x0吸收區(qū)雪崩區(qū)xEcEvEcEvh+eEvD

25、-Separate Absorption and Multiplication(SAM)4.1.3 APD雪崩光電二極管4.1 光檢測器光檢測器2.APD2.APD的主要特性的主要特性一次光生電流Ip與入射光功率Pin成正比量子效率量子效率inpPIR hvPeIinp/響應(yīng)度響應(yīng)度R量子效率=一次光生電子空穴對(duì)數(shù)/入射光子數(shù)pMIIgM/雪崩增益雪崩增益M(倍增因子倍增因子g) (Multiplication)即即倍增后的總輸出電流的平均值IM/一次光生電流Ip4.1.3 APD雪崩光電二極管4.1 光檢測器光檢測器考慮到器件體電阻影響，M可寫為nVVM)(11BabVab是反向偏壓(工作電

26、壓）VB是反向擊穿電壓n 是APD結(jié)構(gòu)和材料決定的參量WE( )x0 0 x吸收區(qū)吸收區(qū)雪崩區(qū)雪崩區(qū)4.1.3 APD雪崩光電二極管4.1 光檢測器光檢測器SiO2P+h+e-EVout電極電極電電極極耗盡區(qū)耗盡區(qū)入射光入射光hvEgRL LN+V-Pp ppIMIabnBLMVRIV)(11如果 RLIM EgRL LN+V-Pp ppIMIabnBLMVRIV)(11nBLMVRI)1 (11M)1 (11BLMVRInLMBRnIVLpBRnMIV2/1)(LpBRnIVM 4.1.3 APD雪崩光電二極管4.1 光檢測器光檢測器波長對(duì)波長對(duì)APD的偏置電壓的偏置電壓-電流增益曲線電流增

27、益曲線的影響的影響溫度對(duì)溫度對(duì)APD的偏置電壓的偏置電壓-電流增益曲電流增益曲線的影響線的影響響應(yīng)時(shí)間和頻率特性響應(yīng)時(shí)間和頻率特性1）由渡越時(shí)間和倍增因子決定的本征響應(yīng)帶寬(截止頻率)等效渡越時(shí)間021MfecpAPD的低頻倍增因子4.1.3 APD雪崩光電二極管4.1 光檢測器光檢測器-由分布電容及外電路負(fù)載決定2）由RC時(shí)間常數(shù)限制的帶寬(截止頻率)02121ppRCfcrrp35. 022 . 2RLCdVoutAPD管分布電容等效電路dLCR0時(shí)間常數(shù)MISiO2P+h+e-ERVout電極電極電電極極耗盡區(qū)耗盡區(qū)入射光入射光hvEgL LN+Vr-Pp ppIMI4.1.3 APD雪

28、崩光電二極管4.1 光檢測器光檢測器4.1.3 APD雪崩光電二極管4.1 光檢測器光檢測器噪聲噪聲（ 1 ）均方散粒噪聲電流）均方散粒噪聲電流雪崩效應(yīng)同樣對(duì)噪聲電流放大其中PIN-APD-量子噪聲暗電流噪聲雪崩效應(yīng)產(chǎn)生載流子的隨機(jī)性引起新的噪聲成分，用附附加噪聲因子加噪聲因子F表示Bdp2sh2sh)II (2efiiD2Bdp2sh2sh)II (2eMfiiD2Bp2q2q2eIMfiiD2Bd2d2d2eIMfiiD4.1.3 APD雪崩光電二極管4.1 光檢測器光檢測器設(shè)F=Mx, x為附加噪聲指數(shù)附加噪聲指數(shù)x與器件所用材料和制造工藝有關(guān)Si-APD: x =0.30.5Ge-AP

29、D: x =0.81.0InGaAs-APD: x=0.50.7xMfiiD2Bdp2sh2sh)II (2e4.1.3 APD雪崩光電二極管4.1 光檢測器光檢測器（2）均方熱噪聲電流）均方熱噪聲電流T為等效噪聲溫度，R為等效電阻APD光電二極管的光電二極管的總均方噪聲電流總均方噪聲電流為為 RfkTiiB2T2T4D2T2sh2niiiRfkTMfxB2Bdp4)II (2eDD附附: APD: APD光檢測器參數(shù)比較光檢測器參數(shù)比較附附: APD: APD光檢測器參數(shù)比較光檢測器參數(shù)比較ns/0.50.70.30.4附加噪聲指數(shù) x203030100倍增因子 M406050100工作電壓

30、 / V0.512結(jié)電容 Cj /pF0.10.30.20.5響應(yīng)時(shí)間10200.11暗電流 Id /nA050.70.5響應(yīng)度11.650.41.0波長范圍InGaAs-APDSi-APD)W/(A1Rm/表3.4 雪崩光電二極管（APD）一般性能練習(xí)練習(xí)Example5: A given silicon avalanche photodiode has a quantum efficiency of 65 percent at a wavelength of 900nm. Suppose 0.5uW of optical power produces a multiplied photoc

31、urrent of 10uA. Let us find the multiplication M.練習(xí)練習(xí)Example5: A given silicon avalanche photodiode has a quantum efficiency of 65 percent at a wavelength of 900nm. Suppose 0.5mW of optical power produces a multiplied photocurrent of 10uA. Let us find the multiplication M.hvPeIinp/pMIIgM/inpPhceIAIp

32、m235. 043235. 0/10AAmm實(shí)際應(yīng)用選擇實(shí)際應(yīng)用選擇n在短距離的應(yīng)用中，工作在850nm的Si器件對(duì)于大多數(shù)鏈路是個(gè)相對(duì)比較廉價(jià)的解決方案。n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。nAPD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。1.1.何謂何謂APDAPD的雪崩倍增效應(yīng)？的雪崩倍增效應(yīng)？2.APD2.APD和和PINPIN比較，哪個(gè)具有更高的光探測靈敏度？比較，哪個(gè)具有更高的光探測靈敏度？3.3.某某InGaAsInGaAs APD APD

33、 工作在工作在1.551.55m mm m波段，接收到的光功率波段，接收到的光功率為為0.10.1m mW W，量子效率為，量子效率為0.30.3，雪崩因子為，雪崩因子為100100，渡越時(shí)，渡越時(shí)間為間為10ps10ps，計(jì)算該檢測器的截止頻率和輸出光電流。，計(jì)算該檢測器的截止頻率和輸出光電流。計(jì)算計(jì)算10MHz10MHz帶寬時(shí)的均方量子噪聲。帶寬時(shí)的均方量子噪聲。第第4章章 光檢測器和光接收機(jī)光檢測器和光接收機(jī) 4.1 4.1 光檢測器 4.2 光接收機(jī) 光源光源放大器放大器光電二光電二極管極管判決器判決器4.2 4.2 光接收機(jī)光接收機(jī) 4.2.1 4.2.1 光接收機(jī)組成 4.2.2

34、光接收電路 （1）性能指標(biāo) （2）前端 （3）線性通道 （4）數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取 4.2.3 輸出電路 （1）碼型反變換 （2）輸出接口4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)光端機(jī)基本框圖光端機(jī)基本框圖4 4.2.1 .2.1 光接收機(jī)組成光接收機(jī)組成4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)輸出電路輸出電路接收電路接收電路前放主放均衡基線恢復(fù)幅度判決定時(shí)判決限幅移相非線性處理時(shí)鐘提取峰值檢波自動(dòng)增益控制告警PD碼型反變換輸出接口電端機(jī)mBnBNRZHDB3 CMI線性通道線性通道前端前端數(shù)據(jù)再生數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取時(shí)鐘提取1.1.光接收機(jī)由哪兩部分組成？光接收機(jī)由哪兩部分組成？2.2.畫出光接收電路的框圖。畫出光接收電路的框圖。

35、3.3.畫出光接收機(jī)輸出電路的框圖。畫出光接收機(jī)輸出電路的框圖。 4.2.1 4.2.1 光接收機(jī)組成 4.2.2 光接收電路 （1）性能指標(biāo) （2）前端 （3）線性通道 （4）數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取 4.2.3 輸出電路 （1）碼型反變換 （2）輸出接口4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)前放主放均衡基線恢復(fù)幅度判決定時(shí)判決限幅移相非線性處理時(shí)鐘提取峰值檢波自動(dòng)增益控制告警PDmBnB線性通道線性通道前端前端數(shù)據(jù)再生數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取時(shí)鐘提取4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(1): (1): 性能指標(biāo)性能指標(biāo)4.2 光接收機(jī)光接

36、收機(jī) 靈敏度靈敏度是衡量光接收機(jī)性能的綜合指標(biāo)，定義為在保證通信質(zhì)量(限定誤碼率或信噪比)的條件下光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率平均接收光功率min 靈敏度表示光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，能夠接收微弱光信號(hào)的能力。提高靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號(hào)。 )(110mindBmmWPPr1、靈敏度、靈敏度(Sensitivity)2、動(dòng)態(tài)范圍、動(dòng)態(tài)范圍(DR) (Dynamic Range) 在限定的誤碼率條件下，光接收機(jī)所能承受的最大平均接收光功率Pmax和所需最小平均接收光功率Pmin的比值。)(PP10logDRminmaxdB動(dòng)態(tài)范圍表示光接收機(jī)接收強(qiáng)光的能力數(shù)字光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍一般

37、應(yīng)大于數(shù)字光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍一般應(yīng)大于15 dB4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(1): (1): 性能指標(biāo)性能指標(biāo)4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)前放主放均衡基線恢復(fù)幅度判決定時(shí)判決限幅移相非線性處理時(shí)鐘提取峰值檢波自動(dòng)增益控制告警PDmBnB線性通道線性通道前端前端數(shù)據(jù)再生數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取時(shí)鐘提取4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(2): (2): 前端前端4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)n前端：由反向偏壓的光電二極管和前置放大器組成。前端是光接收電路的核心。n作用：光電二極管將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流脈沖信號(hào)；前置放大器將電脈沖信號(hào)放大到合適程度以便后續(xù)電路處理。n要求：低噪聲、高

38、靈敏度、足夠的帶寬電信號(hào)電信號(hào)光信號(hào)光信號(hào)光電光電變換變換前置前置放大放大1. 前端的作用及要求4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(2): (2): 前端前端4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)n光檢測器的選擇：nPIN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。nAPD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。2. 器件選擇n前置放大器的主要作用是保持探測的電信號(hào)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:Field-Effect Transistors)。4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(2

39、): (2): 前端前端4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)3. 等效電路光電二極管的等效電路光電二極管的等效電路與其結(jié)電容并聯(lián)的電流源pIdCLR結(jié)電容結(jié)電容負(fù)載負(fù)載電阻電阻二極管二極管電流電流4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(2): (2): 前端前端4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)低阻抗前端低阻抗前端等效電路等效電路優(yōu)點(diǎn)：輸入阻抗低，電路常數(shù)RC小，碼間干擾小，適用高速率傳輸系統(tǒng)。電路簡單，動(dòng)態(tài)范圍較大缺點(diǎn)：靈敏度低，噪聲較高tC：總輸入電容LR：負(fù)載電阻雙極型晶體管雙極型晶體管(BJT)(BJT)放大器放大器BJT (Bipolar junction transistor)4 4.2.2 .

40、2.2 光接收電路光接收電路(2): (2): 前端前端4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)優(yōu)點(diǎn)：輸入阻抗高，噪聲較低。缺點(diǎn)：動(dòng)態(tài)范圍小、高頻分量損失太大,對(duì)均衡電路提出很高要求，多用于低速系統(tǒng).高阻抗前端高阻抗前端等效電路等效電路場效應(yīng)管場效應(yīng)管(FET)(FET)放大器放大器4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(2): (2): 前端前端4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器（電流-電壓轉(zhuǎn)換器，互導(dǎo)放大器）優(yōu)點(diǎn)：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(dòng)態(tài)范圍大等綜合優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用。跨跨( (互互) )阻抗前端阻抗前端偏壓Rf跨阻型放大器跨阻型放大器等效

41、電路等效電路4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(2): (2): 前端前端4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)跨（互）阻抗前端電路圖跨（互）阻抗前端電路圖5V5.2VAPDUV1V2V3100100100100100100k100k200k4 RF50024470uF03. 0uF001. 0uF001. 0uF001. 0uF001. 0uF001. 0輸出信號(hào)（4mV)APDV1和V2組成跨阻抗放大器，V3放大器提供額外的增益并起隔離作用4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(2): (2): 前端前端4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)前放主放均衡基線恢復(fù)幅度判決定時(shí)判決限幅移相非線性處理時(shí)

42、鐘提取峰值檢波自動(dòng)增益控制告警PDmBnB線性通道線性通道前端前端數(shù)據(jù)再生數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取時(shí)鐘提取4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(3): (3): 線性通道線性通道4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)對(duì)主放輸出的失真數(shù)字脈沖進(jìn)行整形，使之成為有利于克服碼碼間干擾間干擾進(jìn)行幅度判決的升余升余弦波形弦波形。可根據(jù)輸入信號(hào)（平均值）大小自動(dòng)調(diào)整放大器增益，使輸出信號(hào)保持恒定。用以擴(kuò)大接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。提供高的增益，放大到適合于判決電路的電平。主放主放大器大器均衡均衡濾波濾波AGCAGC電路電路4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(3): (3): 線性通道線性通道4.2 光接收機(jī)光接收

43、機(jī)1. 基本功能4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(3): (3): 線性通道線性通道4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)2. 主放大器的典型電路4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(3): (3): 線性通道線性通道4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)3. 碼間干擾 光纖色散引起光脈沖展寬，當(dāng)光脈沖展寬超過分配給它們的時(shí)隙時(shí)，以致一部份光脈沖能量進(jìn)入相鄰時(shí)隙，對(duì)鄰近碼元信號(hào)產(chǎn)生干擾，稱為碼間干擾。碼間干擾是產(chǎn)生誤碼的重要原因。 4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(3): (3): 線性通道線性通道4.2 光接收機(jī)光接收機(jī) 如果在傳號(hào)碼元波形的主峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻上不出現(xiàn)其他碼元信號(hào)的非零

44、值，在空號(hào)碼元的零值中心時(shí)刻上也不出現(xiàn)其他碼元信號(hào)的非零值，這樣就不會(huì)產(chǎn)生碼間干擾。碼間干擾消除方法碼間干擾消除方法升余弦信號(hào)可以符合以上需求。 在此情況下，在傳號(hào)碼元的主峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻上和在空號(hào)碼元的零值中心時(shí)刻上進(jìn)行幅度判決，不會(huì)產(chǎn)生誤碼。 4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(3): (3): 線性通道線性通道4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)4. 升余弦波形 b為滾降因子，取0.51Tb 為比特周期4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(3): (3): 線性通道線性通道4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)當(dāng)均衡器輸出升余弦波形時(shí)，發(fā)送端輸出的脈沖信號(hào)，只要嚴(yán)格按照B = 1/Tb的速率發(fā)送

45、，則在均衡器輸出信號(hào)的波峰峰值處不會(huì)產(chǎn)生碼間干擾。4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(3): (3): 線性通道線性通道4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)5. 均衡器電路 濾波及頻率補(bǔ)償電路，其輸出波形應(yīng)當(dāng)接近升余弦波。調(diào)試該電路時(shí)，必須根據(jù)眼圖的狀況來調(diào)整Rc和ReLRC濾波器均衡電路圖濾波器均衡電路圖4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(3): (3): 線性通道線性通道4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)6. 眼圖（Eye Diagram） 用示波器觀察得到的脈沖序列信號(hào)在一個(gè)或多個(gè)周期內(nèi)的疊加波形，是觀察碼間干擾是否存在的最直觀、最簡單的方法。 升余弦信號(hào)的眼圖眼圖張開程度越大，眼圖張

46、開程度越大，越有利判決。越有利判決。 4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(3): (3): 線性通道線性通道4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)1. 眼睛睜開最大處為最佳判決時(shí)刻眼睛睜開最大處為最佳判決時(shí)刻2. 眼睛睜開度表征噪聲容限眼睛睜開度表征噪聲容限3. 眼睛展開度減小表征時(shí)鐘抖動(dòng)增加眼睛展開度減小表征時(shí)鐘抖動(dòng)增加4. 眼皮厚度體現(xiàn)噪聲大小眼皮厚度體現(xiàn)噪聲大小5. 非線性傳輸特性會(huì)產(chǎn)生眼圖的不對(duì)稱性。非線性傳輸特性會(huì)產(chǎn)生眼圖的不對(duì)稱性。21VVE21/ttE30ps/div(a)30ps/div(b)4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(3): (3): 線性通道線性通道4.2

47、 光接收機(jī)光接收機(jī)前放主放均衡基線恢復(fù)幅度判決定時(shí)判決限幅移相非線性處理時(shí)鐘提取峰值檢波自動(dòng)增益控制告警PDmBnB線性通道線性通道前端前端數(shù)據(jù)再生數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取時(shí)鐘提取4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(4): (4): 數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(4): (4): 數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)1. 基線恢復(fù)“0”，“1”脈沖分布不勻?qū)е滦盘?hào)基線漂移。 基線恢復(fù)基線恢復(fù)將使升余弦信號(hào)的基線固定在某一電平上不變，以利于后續(xù)的幅度判決幅度判決。基線恢復(fù)通過鉗位器電路完成4 4.2

48、.2 .2.2 光接收電路光接收電路(4): (4): 數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)將輸入負(fù)脈沖的底(0V)和峰(-Vm)分別鉗位于E2和E1二極管鉗位器二極管鉗位器(用于速率用于速率34 Mb/s的光纖通信系統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng))原理圖原理圖 sin(t)E1E2 sout(t)RL-Vm sout(t) sin(t)tt-Vm4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(4): (4): 數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)2. 幅度判決 將均衡器輸出并經(jīng)過基線恢復(fù)處理的升余弦波信號(hào)整形為非歸零（NRZ）的矩形脈沖信號(hào)，以利于時(shí)鐘提取。1) 基

49、本功能基本功能(2) 典型電路典型電路VinVoutVd與非門 反相 判決門限VdVinVout升余弦信號(hào)矩形脈沖信號(hào)4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(4): (4): 數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)(3) 判決門限與誤碼率的關(guān)系判決門限與誤碼率的關(guān)系信號(hào)電流中疊加有噪聲！信號(hào)電流中疊加有噪聲！tD信號(hào)電流I時(shí)間判決時(shí)刻DI1I0II 信號(hào)電流I1 “1”碼的平均電流I0 “0”碼的平均電流ID 判決門限電流in,1= (I I1)“1”碼上的噪聲電流in,0=(I I0) “0”碼上的噪聲電流噪聲是起伏的，設(shè)噪聲電流的概率密度分布為高斯分布：tD信號(hào)電

50、流I時(shí)間判決時(shí)刻DI1I0Ix為噪聲電流2為均方噪聲電流(方差)nixxxp ),2(exp21)(22p-8-404812160=1I1=10p(I)current II0=0=222ni4 4.2.2 .2.2 光接收電路光接收電路(4): (4): 數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)“0”碼和“1”碼的噪聲電流的概率密度分布：)2)(exp21)(20200n,0pIIip-8-404812160=1I1=10p(I)current II0=0=2tD信號(hào)電流I時(shí)間判決時(shí)刻DI1I0I)2)(exp21)(21211n,1pIIip4 4.2.2 .2.2 光接收電

51、路光接收電路(4): (4): 數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取數(shù)據(jù)再生時(shí)鐘提取4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)-8-404812160=1I1=10p(I)current II0=0=2tD信號(hào)電流I時(shí)間判決時(shí)刻DI1I0I)2(21QerfcBER 最佳判決值的比特誤碼率為QII1001超擾比超擾比p2)2/exp(2QQ0011IIIIDD定義最佳判決值0011IIIIDD100110IIIDtD信號(hào)電壓V時(shí)間判決時(shí)刻DV1V0V)2(21QerfcBER 最佳判決值的比特誤碼率為Q1001VV超擾比超擾比p2)2/exp(2QQ0011VVVVDD定義最佳判決值0011VVVVDD100110VVVD用電壓表

52、示tD信號(hào)時(shí)間判決時(shí)刻判決門限pe,01pe,10信號(hào)信號(hào)概率DI1I0I將“0”碼誤判為“1”碼的概率：DIIIIpd)2)(exp212020001, ep將“1”碼誤判為“0”碼的概率：DIIIIpd)2)(exp212121110, ep附錄：誤碼率的推導(dǎo)*數(shù)字接收機(jī)數(shù)字接收機(jī)BER的計(jì)算的計(jì)算p(1)和p(0)分別是接收1和0的概率01, e10, e)0() 1 (ppppBERpe,10是把1判為0的概率pe,01是把0判為1的概率對(duì)脈沖編碼調(diào)制(PCM)比特流，設(shè)1和0發(fā)生的概率相等，即p(1)=p(0)=1/2，有2101, e10, eppBER2101, e10, eppBERDIIIIpd)2)(exp212020001, epDIIIIpd)2)(exp212121110, ep應(yīng)用誤差函數(shù)及其互補(bǔ)函數(shù)：應(yīng)用誤差函數(shù)及其互補(bǔ)函數(shù)：xydyexerf022)(pxydyexerfc22)(p)2(211110, eDIIerfcp)2(210001, eIIerfcpD)2()2(410011IIerfc