第四章光接收機(jī)1什么是光接收機(jī)2光檢測(cè)器3光接收機(jī)的噪聲4模擬接收機(jī)的噪聲分析5數(shù)字接收機(jī)的噪聲分析6接收機(jī)前置放大器7數(shù)字接收機(jī)的誤碼率和接收靈敏度光接收機(jī)

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

光接收機(jī)作用光接收機(jī)的任務(wù)是:

以最小的附加噪聲及失真恢復(fù)出由光纖傳輸?shù)墓廨d波所攜帶的信息。光接收機(jī)的輸出特性綜合反映了整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能。光接收機(jī)的構(gòu)成模擬接收機(jī)：反向偏壓下的光電檢測(cè)器、低噪聲前置放大器及其他信號(hào)處理電路組成，是一種直接檢測(cè)(DD)方式。數(shù)字接收機(jī)：在主放大器后還有均衡濾波、定時(shí)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(cè)器作用：把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。要求：高的轉(zhuǎn)換效率低的附加噪聲快速的響應(yīng)前置放大器作用：對(duì)光電探測(cè)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(duì)接收機(jī)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。

均衡器

作用是對(duì)主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)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(hào)通常分為兩路：一路經(jīng)峰值檢波電路變換成與輸入信號(hào)的峰值成比例的直流信號(hào)，送入自動(dòng)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(hào)恢復(fù)為"0"或"1"的數(shù)字信號(hào)。性能評(píng)價(jià)參數(shù)1接收靈敏度2動(dòng)態(tài)范圍3響應(yīng)時(shí)間4功耗，價(jià)格等動(dòng)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(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。作用：寬的動(dòng)態(tài)范圍可以是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(cè)器系統(tǒng)要求：

(1)在工作波長(zhǎng)上光電轉(zhuǎn)換效率高，即對(duì)一定的入射光信號(hào)功率，光檢測(cè)器能輸出盡可能大的光電流；

(2)檢測(cè)過(guò)程中帶來(lái)的附加噪聲盡可能小

(3)響應(yīng)速度快、線性好及頻帶寬，使信號(hào)失真盡量小；

(4)高可靠長(zhǎng)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(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能，是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。如前節(jié)所述，在PN結(jié)界面上，由于電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)。內(nèi)部電場(chǎng)使電子和空穴產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)，最終使能帶發(fā)生傾斜，在PN結(jié)界面附近形成耗盡層如圖下。當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)，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(jià)帶的電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶形成光生電子-空穴對(duì)。在耗盡層，由于內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。 λc為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長(zhǎng)，稱為截止波長(zhǎng)。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(yīng)可以制造出簡(jiǎn)單的PN結(jié)光電二極管。但這種光電二極管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)法降低暗電流和提高響應(yīng)度，器件的穩(wěn)定度也比較差，實(shí)際上不適合做光纖通信的檢測(cè)器。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(dǎo)體，用Π(N)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，用P+和N+表示。I層很厚，吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個(gè)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(yīng)速度。另外，可通過(guò)控制耗盡層的寬度w，來(lái)改變器件的響應(yīng)速度。然而，在耗盡層以外的區(qū)域因?yàn)闆](méi)有電場(chǎng)作用，

所以由光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中相遇發(fā)生復(fù)合，從而消失。不過(guò)在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，也有些擴(kuò)散距離長(zhǎng)的電子空穴將進(jìn)入耗盡層，在耗盡層和空間電場(chǎng)的作用下進(jìn)入對(duì)方區(qū)域。于是在P區(qū)和N區(qū)兩端之問(wèn)產(chǎn)生與被分隔開的電子和空穴數(shù)量成正比的電壓。若與外電路連通，這些電子就可經(jīng)外部電路與空穴復(fù)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(kuò)散電流，擴(kuò)散電流的運(yùn)動(dòng)速度比漂移電流的運(yùn)動(dòng)速度慢得多，使頻率特征變壞。由于在PN結(jié)處存在著空間電場(chǎng)，使進(jìn)入空間電場(chǎng)區(qū)的電子和空穴二者逆方向移動(dòng)。如從外部對(duì)PN結(jié)施加反向偏壓(即P側(cè)加(-)，N側(cè)加(+)以后，結(jié)處的空間電場(chǎng)(即耗盡層內(nèi)的自建電場(chǎng))被加強(qiáng)，從而加快了載流子的漂移速度。光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍不同半導(dǎo)體材料存在著上限波長(zhǎng)即截止波長(zhǎng)。當(dāng)入射波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于截止波長(zhǎng)時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)大大降低。因此，半導(dǎo)體光電檢測(cè)器只可以對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的光信號(hào)進(jìn)行有效的光電轉(zhuǎn)換，這一波長(zhǎng)范圍就是波長(zhǎng)響應(yīng)范圍。檢測(cè)某波長(zhǎng)的光時(shí)要選擇合適材料作成的光檢測(cè)器。首先，材料的帶隙決定了截止波長(zhǎng)要大于被檢測(cè)的光波波長(zhǎng)，否則材料對(duì)光透明，不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。其次，材料的吸收系數(shù)不能太大，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率。光檢測(cè)器吸收光功率后產(chǎn)生的一次光電流可表示為：兩種Si-PIN

的結(jié)構(gòu)正面入射結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：側(cè)面入射結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：適合短波長(zhǎng)圖3.21正面PIN光電二極管結(jié)構(gòu)兩種InGaAs-PIN的結(jié)構(gòu)(長(zhǎng)波長(zhǎng))頂部入射結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：低量子效率，尺寸不能做得很小底部入射方式特點(diǎn)：尺寸小，電容低適合長(zhǎng)波長(zhǎng)

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(guān)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(dāng)反向偏壓增加到一定數(shù)值時(shí)，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個(gè)電壓稱為擊穿電壓UB。APD就是根據(jù)這種特性設(shè)計(jì)的器件。

圖光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關(guān)系

圖APD載流子雪崩式倍增示意圖

光生的電子或空穴經(jīng)過(guò)高場(chǎng)區(qū)時(shí)被加速，從而獲得足夠的能量，它們?cè)诟咚龠\(yùn)動(dòng)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(duì)，這個(gè)過(guò)程稱為碰撞電離。通過(guò)碰撞電離產(chǎn)生的電子空穴對(duì)稱為二次電子空穴對(duì)。新產(chǎn)生的電子和空穴在電場(chǎng)區(qū)中運(yùn)動(dòng)時(shí)又被加速，又可能碰撞別的原子，這樣多次碰撞電離的結(jié)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(yīng)，APD就是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測(cè)器。雪崩效應(yīng)倍增因子：

g=IM/IP

倍增增益常取統(tǒng)計(jì)平均值G=<g>影響因素：

載流子的電離系數(shù)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(shù)定義：一個(gè)載流子在晶格中渡越單位距離所產(chǎn)生的雪崩電子空穴對(duì)數(shù)。空穴電離系數(shù)電子電離系數(shù)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(shè)法使雪崩過(guò)程僅發(fā)生在很薄的區(qū)域內(nèi)，即僅在該區(qū)域內(nèi)才有雪崩所需的高電場(chǎng)，其余區(qū)域則電場(chǎng)較低。于是設(shè)計(jì)了拉通型的APD。Si-APD的結(jié)構(gòu)有多種類型，如圖下示出的N+PΠP+結(jié)構(gòu)被稱為拉通型APD。在這種類型的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)偏壓加大到一定值后，耗盡層拉通到Π(P)層，一直抵達(dá)P+接觸層，是一種全耗盡型結(jié)構(gòu)。拉通型雪崩光電二極管(RAPD)具有光電轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快和附加噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。

拉通型RAPD

P型半導(dǎo)體，為倍增層輕摻雜半導(dǎo)體π層，為漂移區(qū)為接觸層，低電阻高摻雜的N+型半導(dǎo)體，為接觸層，低電阻高摻雜的P+型半導(dǎo)體倍增的高電場(chǎng)區(qū)集中在pn+結(jié)附近窄的區(qū)域內(nèi)。隨著偏置電壓的增加，結(jié)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(jìn)一步加大偏置電壓，耗盡區(qū)逐漸擴(kuò)大，直至“拉通”到整個(gè)π區(qū)。圖APD結(jié)構(gòu)圖Ge-APD優(yōu)點(diǎn)：在1-1.6um吸收系數(shù)大，因此靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快，擊穿電壓低。缺點(diǎn)：過(guò)剩噪聲大，暗電流大，限制了倍增增益及檢測(cè)靈敏度。SAM-APD管的結(jié)構(gòu)SAM-APD管的結(jié)構(gòu)

圖APD增益與偏置電壓關(guān)系1.APD增益與偏置電壓：

APD的擊穿電壓APD的內(nèi)阻相關(guān)常數(shù)

溫度特性

當(dāng)溫度變化時(shí)，原子的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起電子、空穴電離系數(shù)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(jìn)行溫度補(bǔ)償。光電二極管的工作特性1響應(yīng)波長(zhǎng)2光電轉(zhuǎn)換效率3響應(yīng)速度4暗電流響應(yīng)波長(zhǎng)上限截止波長(zhǎng)：圖3-22PIN光電二極管相硬度、量子效應(yīng)率與波長(zhǎng)的關(guān)系內(nèi)量子效率和帶寬的關(guān)系

back下限波長(zhǎng)當(dāng)入射光波長(zhǎng)太短時(shí)，光變電的轉(zhuǎn)換效率也會(huì)大大下降，當(dāng)入射光波長(zhǎng)很短時(shí)，材料的吸收系數(shù)變得很大，結(jié)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(gè)零電場(chǎng)的區(qū)域，當(dāng)電子—空穴對(duì)在零電場(chǎng)區(qū)里產(chǎn)生時(shí)，少數(shù)載流于首先要擴(kuò)散到耗盡區(qū)，然后才能放外電路收集。但在這個(gè)區(qū)域中，少數(shù)載流子的壽命時(shí)間很短，擴(kuò)散速度又慢，電子—空穴對(duì)往往在被檢測(cè)器電路收集以前就已被復(fù)合掉，從而使檢測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換效率降低。

η=光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電子—空穴對(duì)數(shù)入射光子數(shù)工程上常用來(lái)衡量光電轉(zhuǎn)換效率。光電二極管的量子效率表示入射光子能夠轉(zhuǎn)換成光電流的概率。量子效率當(dāng)入射功率中含有大量光子時(shí)、量子效率可用轉(zhuǎn)換成光電流的光子數(shù)與入射的總光子數(shù)的比來(lái)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(yīng)度響應(yīng)度是描述光檢測(cè)器能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)參量。雪崩管需考慮增益圖PIN光電二極管響應(yīng)度、量子效應(yīng)率與波長(zhǎng)的關(guān)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(jì)算其響應(yīng)度。響應(yīng)速度影響因素：1光電二極管和它的負(fù)載電阻的RC時(shí)間常數(shù)2載流子在耗盡區(qū)里的渡越時(shí)間3耗盡層外產(chǎn)生的載流子由于擴(kuò)散而產(chǎn)生的時(shí)間延遲

光電檢測(cè)及其等效電路光檢測(cè)器結(jié)電容放大器輸入電阻，電容渡越時(shí)間電路時(shí)間常數(shù)的影響真空介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)結(jié)電容結(jié)寬度結(jié)面積內(nèi)量子效率和帶寬的關(guān)系暗電流暗電流是指無(wú)光照時(shí)光電二被管的反向電流。光接收機(jī)的噪聲影響光接收機(jī)性能的主要因素是接收機(jī)內(nèi)的各種噪聲源。什么是噪聲1)噪聲的數(shù)學(xué)表示噪聲是一種隨機(jī)性的起伏量，它表現(xiàn)為無(wú)規(guī)則的電磁場(chǎng)形式，其瞬時(shí)電壓Vn(t)的變化形式如圖下所示。噪聲是電信號(hào)中一種不需要的成分，它干擾實(shí)際系統(tǒng)中信號(hào)的傳輸和處理，影響和限制了系統(tǒng)的性能。特點(diǎn)：

噪聲電壓Vn(t)的振幅、相位等均隨時(shí)可作無(wú)規(guī)則的變化，其瞬時(shí)值的平均為零，即E（Vn(t)）＝0，因而無(wú)法用平均值來(lái)評(píng)價(jià)噪聲的大小。

表示：

從統(tǒng)計(jì)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(cè)量。因此，噪聲的大小可用<Vn2(t)>來(lái)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(nèi)，電阻R的熱噪聲電壓和電流的譜密度：光接收機(jī)中的噪聲源

在光接收機(jī)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(lái)自單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)光檢測(cè)器上信號(hào)光子數(shù)的隨機(jī)性，因此它與信號(hào)電平有關(guān)。在采用APD作光檢測(cè)器時(shí)，倍增過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特征產(chǎn)生附加的散彈噪聲，它隨倍增增益而增加。光檢測(cè)器中的其他噪聲源來(lái)自暗電流及漏電流，它們均與光照無(wú)關(guān)，在小信號(hào)時(shí)光檢測(cè)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(lái)自單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)光檢測(cè)器上信號(hào)光子數(shù)的隨機(jī)性，它與信號(hào)電平有關(guān)。 在采用APD作光檢測(cè)器時(shí)，倍增過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特征產(chǎn)生附加的散彈噪聲，它隨倍增增益而增加。 光檢測(cè)器中的其他噪聲源來(lái)自暗電流及漏電流，它們均與光照無(wú)關(guān)，在小信號(hào)時(shí)光檢測(cè)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(jì)算信號(hào)光檢測(cè)過(guò)程噪聲電路噪聲接收機(jī)等效電路及放大器電路噪聲光檢測(cè)器被認(rèn)為是一個(gè)理想的容性電流源；接收機(jī)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(jì)特征，其頻譜是平坦的(即為白噪聲)，且互不相關(guān)[統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的]，則它們可用兩個(gè)噪聲譜密度來(lái)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(jí)的噪聲電流(主要是Ra的熱噪聲)及光檢測(cè)器負(fù)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(shí)，前置放大器被看做為無(wú)噪聲的理想放大器。前置放大器和主放大器一起構(gòu)成電壓放大器，其頻響函數(shù)為A(ω)。放大到足夠大的信號(hào)送到均衡濾波器，其頻響函數(shù)為H(ω)，輸出信號(hào)的電壓為Vs(ω)。包括濾波器在內(nèi)的放大器鏈稱為接收機(jī)的線性通道。系統(tǒng)傳遞函數(shù)：輸入光信號(hào)電流is(t)的傅里葉變換輸出信號(hào)電壓總的輸入阻抗光檢測(cè)器的噪聲

(1)光信號(hào)入射到光檢測(cè)器上時(shí)的隨機(jī)起伏及光電子產(chǎn)生和收集過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特征。信號(hào)光電流中不但有信號(hào)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(hào)電平成正比。

(2)

對(duì)于APD，由于倍增過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特征而產(chǎn)生附加的散彈噪聲，它隨倍增增益的增加而增加。

(3)無(wú)光照時(shí)光檢測(cè)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(chǎn)生的散彈噪聲，與倍增過(guò)程無(wú)關(guān)。

(5)背景噪聲。量子噪聲

源自光的波粒二重性。對(duì)于頻率為f的光場(chǎng)，每個(gè)光子的能量為hf。設(shè)光束功率為P，則單位時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)為P／hf。理論和實(shí)驗(yàn)都證明，光束中的這些光子是以其統(tǒng)計(jì)平均值為中心作隨機(jī)波動(dòng)的。這種隨機(jī)起伏的光子入射到光檢測(cè)器上時(shí)，產(chǎn)生的電子空穴對(duì)也具有隨機(jī)起伏，導(dǎo)致所謂量子噪聲。顯然，量子噪聲是由光的本質(zhì)決定的，必然附著在信號(hào)上，成為接收機(jī)靈敏度的最終限制。

APD倍增噪聲

實(shí)際APD中，每個(gè)光生載流子具有不同的倍增增益，倍增后的光電流比倍增前有更大的隨機(jī)起伏，因而引入了附加噪聲。增益方差過(guò)剩噪聲因子暗電流噪聲和漏電流噪聲

暗電流是沒(méi)有光入射時(shí)流過(guò)