1、光接收機是光纖通信系統的基本組成部分之一，光接收機是光纖通信系統的基本組成部分之一，主要完成光電檢測及信號處理，即實現光電主要完成光電檢測及信號處理，即實現光電（O/E）轉換）轉換光接收機的首要任務是將微弱的光信號轉換為電光接收機的首要任務是將微弱的光信號轉換為電信號，再對電信號進行整形、放大以及再生信號，再對電信號進行整形、放大以及再生光接收機的首要部件是光檢測器，它是影響著光光接收機的首要部件是光檢測器，它是影響著光接收機性能的重要器件接收機性能的重要器件5.1 光檢測器光檢測器5.2 光電二極管光電二極管5.3 光接收機光接收機5.4 光中繼器光中繼器 光檢測器能檢測出入射其光敏面的光功

2、率，并轉光檢測器能檢測出入射其光敏面的光功率，并轉換為相應變化的電流信號換為相應變化的電流信號光檢測器有多種類型，如光檢測器有多種類型，如光電倍增管、熱電檢測器、光電二極管等光電倍增管、熱電檢測器、光電二極管等采用半導體材料的光電二極管由于尺寸小、材料采用半導體材料的光電二極管由于尺寸小、材料合適、靈敏度高、響應速度快，在光纖通信中得合適、靈敏度高、響應速度快，在光纖通信中得到廣泛應用到廣泛應用目前，較為常用的半導體光檢測器有目前，較為常用的半導體光檢測器有PIN光電二極管光電二極管雪崩光電二極管雪崩光電二極管APD為了提高接收機的靈敏度，又常將為了提高接收機的靈敏度，又常將PIN光電二極光電

3、二極管和雪崩光電二極管管和雪崩光電二極管APD與場效應管（與場效應管（FET）組）組合成為合成為PIN-FET和和APD-FET接收機組件，這樣接收機組件，這樣它們兼有光電轉換和放大作用它們兼有光電轉換和放大作用光纖通信系統對光檢測器的基本要求是：光纖通信系統對光檢測器的基本要求是：在系統的工作波長上要有足夠高的響應度，即對一定的在系統的工作波長上要有足夠高的響應度，即對一定的入射光功率，光檢測器能輸出盡可能大的光電流。入射光功率，光檢測器能輸出盡可能大的光電流。波長響應要和光纖的三個低損耗窗口兼容。波長響應要和光纖的三個低損耗窗口兼容。有足夠高的響應速度和足夠的工作帶寬。有足夠高的響應速度和

4、足夠的工作帶寬。產生的附加噪聲要盡可能低，能夠接收極微弱的光信號。產生的附加噪聲要盡可能低，能夠接收極微弱的光信號。光電轉換線性好，保真度高。光電轉換線性好，保真度高。工作性能穩定，可靠性高，壽命長。工作性能穩定，可靠性高，壽命長。功耗和體積小，使用簡便。功耗和體積小，使用簡便。最基本的光電二極管是由反向偏置的最基本的光電二極管是由反向偏置的PN結構成結構成o耗盡區和擴散區均為光耗盡區和擴散區均為光子的吸收區子的吸收區o因光而產生的載流子，因光而產生的載流子，所以稱為光生載流子所以稱為光生載流子o在耗盡層，由于內部電在耗盡層，由于內部電場的作用，電子向場的作用，電子向N區區運動，空穴向運動，空

5、穴向P區運動，區運動，形成漂移電流形成漂移電流 在耗盡層兩側是沒有電場的中性區，由于熱運動，在耗盡層兩側是沒有電場的中性區，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漂移電流分量和擴散電流分量的總和即為光生電流流當入射光變化時，光生電流隨之作線性變化，從當入射光變化時，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號轉換成電信號而把光信號轉換成電信號 由于光生載流子擴散速度慢于漂移速度，因而將由于光生載流

6、子擴散速度慢于漂移速度，因而將引起響應時延，使響應電流脈沖后沿拖尾延長引起響應時延，使響應電流脈沖后沿拖尾延長一般對光電二極管采用反向偏壓，反向偏壓增加一般對光電二極管采用反向偏壓，反向偏壓增加了耗盡區的寬度，從而減少了光生電流中的擴散了耗盡區的寬度，從而減少了光生電流中的擴散分量，同時增強的電場也會加快光生載流子的漂分量，同時增強的電場也會加快光生載流子的漂移速度，有利于加快光生載流子的響應時間移速度，有利于加快光生載流子的響應時間光生載流子在外加負偏壓和內建電場作用下，電光生載流子在外加負偏壓和內建電場作用下，電子向子向N區漂移，空穴向區漂移，空穴向P區漂移，在外電路形成光區漂移，在外電路

7、形成光電流電流 光檢測器中最普通且實用是光檢測器中最普通且實用是PIN光電二極管光電二極管PIN光電二極管與基本的光電二極管與基本的PN結型光電二極管的區結型光電二極管的區別是在別是在P區和區和N區之間的區域有一層輕摻雜的區之間的區域有一層輕摻雜的N型型材料，稱為材料，稱為I（Intrinsic，本征的）層，所以稱，本征的）層，所以稱為為PIN I層較厚，幾乎占盡了整個耗盡區，在層較厚，幾乎占盡了整個耗盡區，在I層兩側是層兩側是摻雜濃度很高的摻雜濃度很高的P型和型和N型半導體，型半導體，P層和層和N層很層很薄薄這種設計，使得絕大部分的入射光在這種設計，使得絕大部分的入射光在I層（耗盡區）層（耗

8、盡區）內被吸收并產生大量的電子空穴對（光生載流內被吸收并產生大量的電子空穴對（光生載流子）子）耗盡區的耗盡區的高電場高電場使得電子空穴對立即分開并在使得電子空穴對立即分開并在反向偏置電壓的作用下向兩端流動，然后在邊界反向偏置電壓的作用下向兩端流動，然后在邊界處被收集，從而在外電路中形成電流處被收集，從而在外電路中形成電流 反向偏壓反向偏壓在半導體材料中，光功率的吸收呈指數規律，即在半導體材料中，光功率的吸收呈指數規律，即根據量子力學原理可知，每個在能級之間躍遷的根據量子力學原理可知，每個在能級之間躍遷的電子只能吸收一個光子電子只能吸收一個光子要產生光電流，入射光子的能量必須至少等于禁要產生光電

9、流，入射光子的能量必須至少等于禁帶寬度帶寬度Eg（也稱為帶隙能量），這導致了對光頻（也稱為帶隙能量），這導致了對光頻率率f或波長或波長的限制的限制 )1 ()()(0 xsePxPgEhf gcEhC如果如果Eg使用電子伏特（使用電子伏特（eV），則），則c可以使用微米可以使用微米（m）表示為）表示為gcEhC)eV(24. 1ggcEEhC對于對于Si材料，截止波長為材料，截止波長為1.06 m，Ge材料是材料是1.6 m如果波長更長，光子能量就不足以激勵一個價帶如果波長更長，光子能量就不足以激勵一個價帶的電子躍遷到導帶中的電子躍遷到導帶中在短波長段，材料的吸收系數在短波長段，材料的吸收系數

10、s變得很大，光子變得很大，光子在接近光檢測器的表面就被吸收，電子空穴對在接近光檢測器的表面就被吸收，電子空穴對的壽命極短，結果載流子在由光檢測器電路收集的壽命極短，結果載流子在由光檢測器電路收集以前就已經復合了以前就已經復合了 要檢測某波長的入射光，必須選擇適當的材料做要檢測某波長的入射光，必須選擇適當的材料做成的檢測器成的檢測器一方面由禁帶寬度決定的截止波長要大于入射光一方面由禁帶寬度決定的截止波長要大于入射光波長，否則材料對光透明，不能進行光電轉換波長，否則材料對光透明，不能進行光電轉換另一方面，吸收系數不能太大，以免降低光電轉另一方面，吸收系數不能太大，以免降低光電轉換效率換效率 常用半

11、導體材料的禁帶寬度和相應的截止波長常用半導體材料的禁帶寬度和相應的截止波長 材材 料料Eg（eV）c（m）Si1.171.06Ge0.7751.6GaAs1.4240.87InP1.350.92In0.55Ga0.45As0.751.65In1-0.45YGa0.45YAsYP1-Y0.751.351.650.92上述討論的光電二極管都是基于每一個被吸收的上述討論的光電二極管都是基于每一個被吸收的光子只能產生一個電子光子只能產生一個電子但是如果產生的電子在強電場的作用下獲得了足但是如果產生的電子在強電場的作用下獲得了足夠能量，就會誘發許多的電子從價帶到導帶，即夠能量，就會誘發許多的電子從價帶到

12、導帶，即產生二次電子空穴對產生二次電子空穴對這些二次電子空穴對又被加速獲得足夠的能量，這些二次電子空穴對又被加速獲得足夠的能量，引發更多的電子空穴對，這一過程稱為雪崩放引發更多的電子空穴對，這一過程稱為雪崩放大大把具有這一現象的光電二極管稱為雪崩光電二極把具有這一現象的光電二極管稱為雪崩光電二極管（管（APD，Avalanche Photo Diode） 與與PIN光電二極管不同，雪崩光電二極管（光電二極管不同，雪崩光電二極管（APD）在結構設計上已考慮到使它能承受高反向偏壓在結構設計上已考慮到使它能承受高反向偏壓（一般為幾十或幾百伏），從而在（一般為幾十或幾百伏），從而在PN結內部形成結內部

13、形成一個高電場區一個高電場區 高電場對光生載流子加速，使載流子獲得高的動高電場對光生載流子加速，使載流子獲得高的動能，從而在它漂移過程中可以碰撞電離而激發出能，從而在它漂移過程中可以碰撞電離而激發出新的電子空穴對，這個過程稱為碰撞電離新的電子空穴對，這個過程稱為碰撞電離 新產生的載流子同樣由電場加速，并獲得足夠的新產生的載流子同樣由電場加速，并獲得足夠的能量從而導致更多的碰撞電離產生，形成雪崩倍能量從而導致更多的碰撞電離產生，形成雪崩倍增效應增效應 APD就是利用雪崩倍增效應使光電流得到倍增的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高靈敏度的檢測器 雪崩過程產生了光電流雪崩過程產

14、生了光電流Ip的倍增，可以用倍增增的倍增，可以用倍增增益益G表示表示APD的放大能力的放大能力實際上，雪崩過程是一種統計過程，并不是每一實際上，雪崩過程是一種統計過程，并不是每一個載流子都經過了同樣的倍增，所以個載流子都經過了同樣的倍增，所以G只是一個統只是一個統計平均值計平均值 pGIIG 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）可以對尚未進入后面放）可以對尚未進入后面放大器的輸入電路的初級光電流進行內部放大大器的輸入電路的初級光電流進行內部放大這樣可以顯著地增加接收機的靈敏度，因為在還這樣可以顯著地增加接收機的靈敏度，因為在還沒有遇到接收機電路的熱噪聲之前就已放大了光沒有遇到接收機電路的熱

15、噪聲之前就已放大了光電流電流 APD的雪崩增益的雪崩增益G可以很大，然而大的可以很大，然而大的G值也伴隨值也伴隨著光電流的大的起伏，產生大的著光電流的大的起伏，產生大的APD噪聲，因此噪聲，因此要在增益和噪聲之間進行折中，選擇合適的要在增益和噪聲之間進行折中，選擇合適的G值以值以使其性能最佳使其性能最佳 最常用的具有低倍增噪聲的結構是拉通（最常用的具有低倍增噪聲的結構是拉通（reach-through）型的）型的APD 電場雪崩區雪崩電離所需的最小電場WM耗盡區N+Pi()P+P型重型重摻雜摻雜 帶有少量帶有少量P摻雜的摻雜的本征材料本征材料 “拉通拉通”這一術語來源于光電二極管的工作情況這一

16、術語來源于光電二極管的工作情況當加上一個較低的反向偏置電壓時，大部分的電當加上一個較低的反向偏置電壓時，大部分的電壓降在壓降在PN+ 結上結上增加電壓，耗盡區寬度也將增加，直到加到增加電壓，耗盡區寬度也將增加，直到加到PN+ 結 上 的 峰 值 電 場 低 于 雪 崩 擊 穿 所 需 電 場 的結 上 的 峰 值 電 場 低 于 雪 崩 擊 穿 所 需 電 場 的5%10% 時才停止，此時耗盡區也正好拉通到時才停止，此時耗盡區也正好拉通到了整個本征區了整個本征區 在一般的操作過程中，在一般的操作過程中，RAPD工作于完全耗盡的工作于完全耗盡的方式。光子從方式。光子從P+ 區進入，并在區進入，并

17、在區被吸收，區被吸收，區區就是收集光生載流子的區域就是收集光生載流子的區域光子被吸收后釋放它的能量，產生的電子空穴光子被吸收后釋放它的能量，產生的電子空穴對立即由對立即由區的電場分開，然后通過區的電場分開，然后通過區漂移到區漂移到PN+ 結區，結區，PN+ 結上的高電場使得電子產生雪崩結上的高電場使得電子產生雪崩倍增倍增 APD的增益機理對溫度非常敏感，在于電子和空的增益機理對溫度非常敏感，在于電子和空穴的電離速度取決于溫度穴的電離速度取決于溫度在高溫條件下，粒子之間發生碰撞的平均自由度在高溫條件下，粒子之間發生碰撞的平均自由度變小了，因而許多載流子沒有機會獲得產生二次變小了，因而許多載流子沒

18、有機會獲得產生二次載流子所需要的高速度，會導致增益降低載流子所需要的高速度，會導致增益降低這種對溫度的依賴性在高偏置電壓下尤其明顯，這種對溫度的依賴性在高偏置電壓下尤其明顯，一個小小的溫度變化都能引起增益的很大變化一個小小的溫度變化都能引起增益的很大變化 o當保持所加偏置電壓不當保持所加偏置電壓不變時降低溫度，則電子變時降低溫度，則電子和空穴的電離速率會增和空穴的電離速率會增加，因而雪崩增益也會加，因而雪崩增益也會增加增加為了保證溫度變化時增益值不變，就必須改變為了保證溫度變化時增益值不變，就必須改變PN結倍增區的電場，這就要求接收機加入一個補償結倍增區的電場，這就要求接收機加入一個補償電路，

19、以便在溫度變化時調整光檢測器的偏置電電路，以便在溫度變化時調整光檢測器的偏置電壓壓 可以運用溫度與電離速率的關系得到增益曲線，可以運用溫度與電離速率的關系得到增益曲線，但計算相當復雜，可以從一個經驗關系式求得但計算相當復雜，可以從一個經驗關系式求得 BsGVRIVG11與與APD材料材料及波長有關及波長有關的經驗參數的經驗參數 在了解光檢測器的結構與原理后，再來討論衡量在了解光檢測器的結構與原理后，再來討論衡量光電二極管光電二極管PIN和雪崩光電二極管和雪崩光電二極管APD性能好壞性能好壞的幾個重要參數，并作出比較的幾個重要參數，并作出比較 光電二極管的兩個重要特性參數是其量子效率和光電二極管

20、的兩個重要特性參數是其量子效率和響應速度，這些參數主要由器件材料的帶隙能量、響應速度，這些參數主要由器件材料的帶隙能量、工作波長、工作波長、P區、區、I區、區、N區的摻雜濃度和寬度所區的摻雜濃度和寬度所決定決定另外一個重要參數是檢測器噪聲，它將直接影響另外一個重要參數是檢測器噪聲，它將直接影響到接收機的靈敏度到接收機的靈敏度 量子效率量子效率表示每個能量為表示每個能量為hf的入射光子所產生的的入射光子所產生的電子空穴對，由下式給出電子空穴對，由下式給出在光電二極管的實際應用中，在光電二極管的實際應用中，100個光子會產生個光子會產生30到到95個電子空穴對，因此檢測器的量子效率個電子空穴對，因

21、此檢測器的量子效率范圍是范圍是30%95%hfPeIp/0入射的光子數個數產生的電子空穴對的為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區的厚為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區的厚度，使得可以吸收大部分的光子度，使得可以吸收大部分的光子但是，耗盡區越厚，光生載流子漂移越過反向偏但是，耗盡區越厚，光生載流子漂移越過反向偏置結的時間就越長置結的時間就越長由于載流子的漂移時間決定了光電二極管的響應由于載流子的漂移時間決定了光電二極管的響應速度，所以必須在響應速度和量子效率之間采取速度，所以必須在響應速度和量子效率之間采取折衷折衷 光電二極管的性能經常使用響應度光電二極管的性能經常使用響應度R0來表征來表

22、征若入射光功率為若入射光功率為P0時產生的平均光電流為時產生的平均光電流為Ip，則，則響應度響應度R0（A/W）定義為）定義為 hfePIRp00o這個參數描述了單位光功率產生光生電流的大小這個參數描述了單位光功率產生光生電流的大小o將將 和普朗克常數和普朗克常數h代入，得到代入，得到 Cf 24. 10R在工作波長一定在工作波長一定時，時，與與R0具有具有定量的關系定量的關系 幾種材料的幾種材料的PIN光電二極管的響應度與波長關系光電二極管的響應度與波長關系 光子能量一定時，大多數的光電二極管的量子效光子能量一定時，大多數的光電二極管的量子效率和入射到光電二極管上的光功率無關，因此響率和入射

23、到光電二極管上的光功率無關，因此響應度是一個線性函數，也就是說光電流應度是一個線性函數，也就是說光電流Ip正比于正比于入射到光電二極管上的光功率入射到光電二極管上的光功率P0然而，在整個波長范圍內量子效率并不是一個常然而，在整個波長范圍內量子效率并不是一個常數，因為光子能量在改變數，因為光子能量在改變對于給定的材料，當入射光波長越來越長時，光對于給定的材料，當入射光波長越來越長時，光子能量變得越來越小，當這個能量不足以激發一子能量變得越來越小，當這個能量不足以激發一個電子從價帶躍遷到導帶上時，響應度就會在截個電子從價帶躍遷到導帶上時，響應度就會在截止波長處迅速減小止波長處迅速減小 對于對于AP

24、D光電二極管而言，由于量子效率只與初光電二極管而言，由于量子效率只與初始載流子數目有關，與倍增無關，所以不管始載流子數目有關，與倍增無關，所以不管PIN或是或是APD，量子效率總是小于，量子效率總是小于1 與與PIN光電二極管類似，光電二極管類似，APD的性能也可由它的的性能也可由它的響應度響應度RAPD來表征來表征由于由于APD中光生電流倍增了中光生電流倍增了G倍，所以它的響應倍，所以它的響應度比度比PIN管提高了管提高了G倍，其定義由下式給出倍，其定義由下式給出 GRGhfeRAPD0光電二極管響應速度可以用響應時間表征光電二極管響應速度可以用響應時間表征 光電二極管產生光電流的響應時間主

25、要取決于下光電二極管產生光電流的響應時間主要取決于下面三個因素：面三個因素：耗盡區的光載流子的渡越時間；耗盡區的光載流子的渡越時間；耗盡區外產生的光載流子的擴散時間；耗盡區外產生的光載流子的擴散時間；光電二極管以及與其相關電路的光電二極管以及與其相關電路的RC時間常數時間常數 光電二極管的響應速度基本取決于光生載流子渡光電二極管的響應速度基本取決于光生載流子渡越耗盡層區所需的時間越耗盡層區所需的時間載流子渡越時間載流子渡越時間td與耗盡層寬度與耗盡層寬度w和載流子的漂移和載流子的漂移速度速度v有關有關 減小耗盡層寬度減小耗盡層寬度w或增加光電二極管的反向偏壓或增加光電二極管的反向偏壓都可以縮短

26、渡越時間。增加反向偏壓，可增加自都可以縮短渡越時間。增加反向偏壓，可增加自建場，使漂移速度加快，渡越時間縮短建場，使漂移速度加快，渡越時間縮短 vwtd一般情況下，耗盡區的電場足夠高，載流子可以一般情況下，耗盡區的電場足夠高，載流子可以達到它們的極限速度達到它們的極限速度對于對于Si，當電場強度達到，當電場強度達到2104V/cm量級時，量級時，電子和空穴的最大速度分別是電子和空穴的最大速度分別是8.4106cm/s和和4.4106cm/s典型的典型的Si光電二極管的耗盡區寬度為光電二極管的耗盡區寬度為10m，極，極限響應時間為限響應時間為0.1 ns 相比高電場區載流子的漂移，耗盡區外的載流

27、子相比高電場區載流子的漂移，耗盡區外的載流子擴散過程就要慢得多，因此為了得到高速光電二擴散過程就要慢得多，因此為了得到高速光電二極管，光生載流子應該在耗盡區或非常接近耗盡極管，光生載流子應該在耗盡區或非常接近耗盡區的地方產生，使載流子擴散時間小于或等于渡區的地方產生，使載流子擴散時間小于或等于渡越時間越時間從光電二極管結構可以看出，光基本被耗盡層吸從光電二極管結構可以看出，光基本被耗盡層吸收，所以擴散時間對響應速度影響很小收，所以擴散時間對響應速度影響很小 響應速度除了與上面提到的漂移運動和擴散運動響應速度除了與上面提到的漂移運動和擴散運動速度有關外，它還與負載電路速度有關外，它還與負載電路R

28、C參數有關參數有關 光接收機中光檢測的簡單模型和其等效電路光接收機中光檢測的簡單模型和其等效電路 o當光檢測器受到光脈沖照射時，響應時間可以使當光檢測器受到光脈沖照射時，響應時間可以使用檢測器輸出脈沖的上升時間和下降時間來表示用檢測器輸出脈沖的上升時間和下降時間來表示 如果光電二極管的電容較大，那它的響應時間就如果光電二極管的電容較大，那它的響應時間就會受到負載電阻會受到負載電阻RL和光電二極管結電容所構成的和光電二極管結電容所構成的RC時間常數的限制時間常數的限制在高速應用情況下，光電二極管的設計電容為幾在高速應用情況下，光電二極管的設計電容為幾個皮法甚至更小個皮法甚至更小 器件的響應速度受

29、到渡越時間或電路上升時間的器件的響應速度受到渡越時間或電路上升時間的制約，而后者的影響更大。目前，已經有制約，而后者的影響更大。目前，已經有100 ps的實用化器件的實用化器件 噪聲是光檢測器的一個重要參數噪聲是光檢測器的一個重要參數噪聲的存在同樣限制了光檢測器所能檢測出的最噪聲的存在同樣限制了光檢測器所能檢測出的最小光功率，直接影響了接收機的靈敏度小光功率，直接影響了接收機的靈敏度光檢測器的噪聲主要包括：熱噪聲、暗電流噪聲光檢測器的噪聲主要包括：熱噪聲、暗電流噪聲和漏電流噪聲、散彈噪聲等和漏電流噪聲、散彈噪聲等 光檢測器在無內部增益時，其主要噪聲包括散彈光檢測器在無內部增益時，其主要噪聲包括

30、散彈噪聲（又稱量子噪聲）、光電二極管材料引起的噪聲（又稱量子噪聲）、光電二極管材料引起的暗電流噪聲和表面電流噪聲暗電流噪聲和表面電流噪聲 處于反向偏壓下的半導體光電二極管，在無光照處于反向偏壓下的半導體光電二極管，在無光照射時仍有電流通過，這部分電流稱為暗電流，可射時仍有電流通過，這部分電流稱為暗電流，可以分為兩個部分：以分為兩個部分：一部分為反向偏壓下二極管的反向飽和電流，稱為體暗一部分為反向偏壓下二極管的反向飽和電流，稱為體暗電流，由光電二極管電流，由光電二極管PN結區載流子的熱擴散產生結區載流子的熱擴散產生 另一部分是由半導體表面缺陷引起的表面漏電流，稱為另一部分是由半導體表面缺陷引起的

31、表面漏電流，稱為表面暗電流，也簡稱漏電流。它是由表面缺陷、清潔程表面暗電流，也簡稱漏電流。它是由表面缺陷、清潔程度、偏置電壓大小和表面積大小等因素決定度、偏置電壓大小和表面積大小等因素決定體暗電流由半導體材料及摻雜濃度決定，對于體暗電流由半導體材料及摻雜濃度決定，對于APD而言，由此產生的載流子同樣會得到而言，由此產生的載流子同樣會得到PN結區結區高電場的加速，并因雪崩效應而倍增高電場的加速，并因雪崩效應而倍增 由于雪崩效應是一種體效應，所以表面漏電流并由于雪崩效應是一種體效應，所以表面漏電流并不受雪崩增益的影響不受雪崩增益的影響 一般而言，反向偏壓增大，暗電流也增大。當偏一般而言，反向偏壓增

32、大，暗電流也增大。當偏壓增大到一定程度時，暗電流激增，產生反向擊壓增大到一定程度時，暗電流激增，產生反向擊穿，發生反向擊穿的電壓值即為反向擊穿電壓穿，發生反向擊穿的電壓值即為反向擊穿電壓如如Si材料材料PIN反向擊穿電壓為反向擊穿電壓為100余伏，但余伏，但PIN工作時的偏置電壓為工作時的偏置電壓為1030 V，離擊穿電壓較遠，離擊穿電壓較遠暗電流會引起噪聲，限制了光電二極管所能檢測暗電流會引起噪聲，限制了光電二極管所能檢測的最小光功率，也就是降低了接收機的靈敏度的最小光功率，也就是降低了接收機的靈敏度 光電二極管受到入射光照射時，所產生的電子光電二極管受到入射光照射時，所產生的電子空穴對具有

33、離散性和隨機性，構成了散彈噪聲空穴對具有離散性和隨機性，構成了散彈噪聲另外載流子越過耗盡區時的隨機起伏也構成散彈另外載流子越過耗盡區時的隨機起伏也構成散彈噪聲噪聲散彈噪聲（或散粒噪聲）是由光的粒子性產生的，散彈噪聲（或散粒噪聲）是由光的粒子性產生的，所以也稱為量子噪聲所以也稱為量子噪聲 在帶寬在帶寬B內，量子噪聲均方根電流和光電流內，量子噪聲均方根電流和光電流Ip的平的平均值之間成正比均值之間成正比 )(222GFBGeIipQ噪聲系數噪聲系數F(G) 是噪聲系數，和雪崩特性有關是噪聲系數，和雪崩特性有關對于對于PIN光電二極管，光電二極管，F(G) 和和G都等于都等于1 對于對于APD光電二

34、極管，光電二極管，F(G) 即為過剩噪聲系數，即為過剩噪聲系數，用來描述倍增噪聲用來描述倍增噪聲由于由于APD光電二極管的倍增是隨機的，這種隨機性的光電二極管的倍增是隨機的，這種隨機性的電流起伏將帶來附加噪聲，即倍增噪聲電流起伏將帶來附加噪聲，即倍增噪聲實驗結果表明，可以將實驗結果表明，可以將F(G) 近似為近似為 xGGF)(0 x1.0當當APD光電二極管的雪崩增益為光電二極管的雪崩增益為G時，它的信號時，它的信號電流比無倍增時增大了電流比無倍增時增大了G倍，信號功率增大了倍，信號功率增大了G2倍倍噪聲功率增大了噪聲功率增大了G2F倍，即倍，即G2+x倍，所以噪聲功倍，所以噪聲功率增大的速

35、率大于信號功率增大的速率率增大的速率大于信號功率增大的速率因此選用因此選用APD時，應選用時，應選用x值較小的管子值較小的管子 熱噪聲是由光電二極管的負載電阻熱噪聲是由光電二極管的負載電阻RL和后接的放和后接的放大器的輸入電阻產生大器的輸入電阻產生一般情況下，放大器輸入阻抗遠大于負載電阻一般情況下，放大器輸入阻抗遠大于負載電阻RL，所以放大電路的熱噪聲遠小于所以放大電路的熱噪聲遠小于RL的熱噪聲的熱噪聲光檢測器負載電阻的均方熱噪聲電流為光檢測器負載電阻的均方熱噪聲電流為 LTRkTBi42降低器件的絕對溫度可以降低熱噪聲，降低檢測降低器件的絕對溫度可以降低熱噪聲，降低檢測帶寬也可以減少熱噪聲帶

36、寬也可以減少熱噪聲因為熱噪聲是一種白噪聲，所以在檢測器前面可因為熱噪聲是一種白噪聲，所以在檢測器前面可以用光濾波器去除信號帶寬以外的熱噪聲以用光濾波器去除信號帶寬以外的熱噪聲 LTRkTBi42分別列出了分別列出了PIN光電二極管和雪崩光電二極管光電二極管和雪崩光電二極管APD的一般性能的一般性能 Si PINInGaAs PIN波長響應波長響應（m）0.41.01.01.6響應度響應度R0（AW）0.4（850 nm）0.6（1300 nm）暗電流暗電流Id（nA）0.1125響應時間響應時間t（ns）2100.21結電容結電容Cd（pF）0.5112工作電壓（工作電壓（V）-5-15-5-

37、15分別列出了分別列出了PIN光電二極管和雪崩光電二極管光電二極管和雪崩光電二極管APD的一般性能的一般性能Si APDInGaAs APD波長響應波長響應（m）0.41.011.65響應度響應度R0（AW）0.50.50.7暗電流暗電流Id（nA）0.111020響應時間響應時間t（ns）0.20.50.10.3結電容結電容Cd（pF）12 100 k（R1K檔）檔） 100 k（R1K檔）檔）無窮大無窮大（R1K檔）檔）光接收機是光纖通信系統的主要組成部分，它的光接收機是光纖通信系統的主要組成部分，它的性能是整個光纖通信系統性能的綜合反映性能是整個光纖通信系統性能的綜合反映光接收機是由光檢

38、測器、放大器和信號處理電路光接收機是由光檢測器、放大器和信號處理電路組成組成光接收機的主要作用是將經光纖傳輸后幅度被衰光接收機的主要作用是將經光纖傳輸后幅度被衰減，波形被展寬的微弱光信號轉變為電信號，并減，波形被展寬的微弱光信號轉變為電信號，并經放大處理，恢復為原來的信號經放大處理，恢復為原來的信號 典型光纖數字傳輸鏈路路徑中可以看出接收端的典型光纖數字傳輸鏈路路徑中可以看出接收端的主要處理過程主要處理過程 一般而言，光檢測器產生的電流通常很小，而且一般而言，光檢測器產生的電流通常很小，而且還會受到光檢測過程中產生的隨機噪聲的影響還會受到光檢測過程中產生的隨機噪聲的影響當光電二極管輸出的電信號

39、被放大時，放大器電當光電二極管輸出的電信號被放大時，放大器電路上的附加噪聲將進一步使信號劣化路上的附加噪聲將進一步使信號劣化由于接收機電路中的噪聲源，使得信號一般都有由于接收機電路中的噪聲源，使得信號一般都有一個能正確處理的最低限一個能正確處理的最低限由于接收機首先檢測到微弱的失真信號，然后根由于接收機首先檢測到微弱的失真信號，然后根據這個放大的失真信號來判斷所傳輸數據的類型，據這個放大的失真信號來判斷所傳輸數據的類型，所以光接收機的設計比光發送機的設計要復雜得所以光接收機的設計比光發送機的設計要復雜得多多 直接檢測數字光接收機原理方框圖直接檢測數字光接收機原理方框圖主放大、均衡濾波和自動增益

40、控制光檢測與前置放大 判決與再生 光檢測器與前置放大器合起來稱為接收機前端，光檢測器與前置放大器合起來稱為接收機前端，是光接收機的核心是光接收機的核心其作用是將耦合入光電檢測器的光信號轉換為時其作用是將耦合入光電檢測器的光信號轉換為時變光生電流，然后進行預放大，并將電流信號轉變光生電流，然后進行預放大，并將電流信號轉換為電壓信號，以便后級作進一步處理換為電壓信號，以便后級作進一步處理前端性能是決定光接收機的主要因素，要求低噪前端性能是決定光接收機的主要因素，要求低噪聲、高靈敏度、足夠的帶寬聲、高靈敏度、足夠的帶寬 光檢測器可以采用光檢測器可以采用PIN光電二極管和雪崩光電二光電二極管和雪崩光電

41、二極管（極管（APD），應當視具體情況而定），應當視具體情況而定 前置放大器主要作用是保持檢測到的電信號不失前置放大器主要作用是保持檢測到的電信號不失真地放大和保證噪聲最小，一般采用場效應晶體真地放大和保證噪聲最小，一般采用場效應晶體管（管（FET） 目前，光檢測器與前置放大有商用集成組件目前，光檢測器與前置放大有商用集成組件 主放大器、均衡濾波器和自動增益控制組成光接主放大器、均衡濾波器和自動增益控制組成光接收機的線性通道收機的線性通道主放大器一般是多級放大器，它的功能主要是提主放大器一般是多級放大器，它的功能主要是提供足夠高的增益供足夠高的增益 AGC就是用反饋環路來控制主放大器的增益，以

42、就是用反饋環路來控制主放大器的增益，以擴大接收機的動態范圍擴大接收機的動態范圍 均衡器的作用是對主放輸出的、已畸變（失真）均衡器的作用是對主放輸出的、已畸變（失真）和有碼間干擾的電信號進行整形和補償和有碼間干擾的電信號進行整形和補償 所傳輸的數字脈沖信號，經過光纖傳輸后，又經所傳輸的數字脈沖信號，經過光纖傳輸后，又經過光電檢測器、放大器等，由于傳輸帶寬的限制，過光電檢測器、放大器等，由于傳輸帶寬的限制，不再是矩形脈沖形式，產生拖尾現象不再是矩形脈沖形式，產生拖尾現象這將導致相鄰碼元的重疊，從而產生碼間干擾，這將導致相鄰碼元的重疊，從而產生碼間干擾，嚴重時將造成判決電路的誤判，產生誤碼嚴重時將造

43、成判決電路的誤判，產生誤碼 通過均衡器對主放大器輸出的失真數字脈沖進行通過均衡器對主放大器輸出的失真數字脈沖進行整形和補償，使之成為有利于判決的碼間干擾最整形和補償，使之成為有利于判決的碼間干擾最小的信號波形小的信號波形如升余弦波形如升余弦波形 判決器、譯碼器和時鐘恢復組成光接收機的判決、判決器、譯碼器和時鐘恢復組成光接收機的判決、再生部分再生部分時鐘恢復電路從碼流中恢復出時鐘信號（定時信時鐘恢復電路從碼流中恢復出時鐘信號（定時信號），并提供給判決電路號），并提供給判決電路判決電路在時鐘信號控制下，將均衡后的脈沖輸判決電路在時鐘信號控制下，將均衡后的脈沖輸出信號判決輸出為出信號判決輸出為“1”

44、或或“0”，恢復出所傳輸的，恢復出所傳輸的二進制脈沖信號二進制脈沖信號 再生過程再生過程實際應用中，可以選用時鐘數據再生器組件，實際應用中，可以選用時鐘數據再生器組件，如朗訊科技的如朗訊科技的LG 1600系列系列 光接收機主要性能指標有：光接收機主要性能指標有：接收靈敏度，反映了接收機檢測微弱信號的能力；接收靈敏度，反映了接收機檢測微弱信號的能力；誤碼率或信噪比；誤碼率或信噪比；動態范圍，反映了接收機適應輸入信號變化的能力動態范圍，反映了接收機適應輸入信號變化的能力 在數字接收機中，來自放大、均衡后的信號在每在數字接收機中，來自放大、均衡后的信號在每一時刻都會和一個閾值進行比較，以判定當前時

45、一時刻都會和一個閾值進行比較，以判定當前時隙的信號是隙的信號是“1”或或“0”由于各種噪聲、碼間干擾等因素，判決電路難免由于各種噪聲、碼間干擾等因素，判決電路難免發生錯誤判決，即發生錯誤判決，即“1”碼誤判為碼誤判為“0”碼，或把碼，或把“0”碼誤判為碼誤判為“1”碼碼 信號電平bonboffvth方差2off2on方差閾值電平光接收機對碼元錯誤判決的概率稱為誤碼率光接收機對碼元錯誤判決的概率稱為誤碼率在二進制情況下，等于誤比特率（在二進制情況下，等于誤比特率（BER，Bit-Error-Rate），它反映出在較長時間間隔內的傳），它反映出在較長時間間隔內的傳輸碼流中，錯誤判決的碼元數輸碼流中

46、，錯誤判決的碼元數Ne在所接收到的碼在所接收到的碼元總數元總數Nt中所占的比例中所占的比例 BtNNNBERete對二進制系統而言，誤碼率可以由下式給出對二進制系統而言，誤碼率可以由下式給出要確定誤碼率，不僅要知道噪聲的大小，而且要要確定誤碼率，不僅要知道噪聲的大小，而且要知道噪聲的功率分布知道噪聲的功率分布然而，光接收機的噪聲功率分布十分復雜然而，光接收機的噪聲功率分布十分復雜一種簡化的計算是假定總噪聲的概率分布為高斯一種簡化的計算是假定總噪聲的概率分布為高斯分布，這是由分布，這是由S. D. Personick提出的提出的 )0/1 ()0() 1/0() 1 (PPPPBER設設“0”和

47、和“1”等概率發送，得到等概率發送，得到 QeQerfdxeQPBERQQxe2/2/222121211誤差函數誤差函數 onthonoffoffthvbbvQ xydyexerf022因子因子Q和特定誤碼率下的信噪比相關，因此，被廣和特定誤碼率下的信噪比相關，因此，被廣泛用來說明接收機的性能泛用來說明接收機的性能給出了給出了BER隨隨Q變化的情況變化的情況當當on=off=，且，且boff=0，bon=V，則閾值，則閾值由于由于通常稱為根噪聲，因此，比值也就是峰值均通常稱為根噪聲，因此，比值也就是峰值均方根信噪比方根信噪比 2/Vvth 22121VerfPe接收機靈敏度是光接收機最主要的性

48、能指標之一，接收機靈敏度是光接收機最主要的性能指標之一，是表征光接收機調整到最佳狀態時，接收微弱光是表征光接收機調整到最佳狀態時，接收微弱光信號的能力信號的能力它可用下列三種物理量表示它可用下列三種物理量表示在保證達到所要求的誤碼率（或信噪比）條件下，在保證達到所要求的誤碼率（或信噪比）條件下，接收機所需的：接收機所需的：輸入的最小平均光功率輸入的最小平均光功率PR每個光脈沖的最低平均光子數每個光脈沖的最低平均光子數n0每個光脈沖的最低平均能量每個光脈沖的最低平均能量Ed 以上三個表示方法有所不同，但所表示的物理意以上三個表示方法有所不同，但所表示的物理意義是一致的，在工程上通常采用光功率的定

49、義方義是一致的，在工程上通常采用光功率的定義方法法對于對于“1”、“0”碼等概率的碼等概率的NRZ碼脈沖，三種表碼脈沖，三種表示方法之間有如下關系示方法之間有如下關系ThfnTEPdR220一個光子一個光子的能量的能量 脈沖碼脈沖碼元時隙元時隙 PR的單位是的單位是W，常用，常用mW若用若用dBm來表示靈敏度來表示靈敏度Sr，則可寫為，則可寫為在實際工程應用中，接收機所需的最小接收光功在實際工程應用中，接收機所需的最小接收光功率率PR可按照下面給出的近似公式計算可按照下面給出的近似公式計算 當采用當采用PIN光電二極管時，在則光電二極管時，在則當采用當采用APD光電二極管時，在則光電二極管時，

50、在則mW 1lg10RrPS 23081025. 3RRPR67091064. 1RRPRR0為基準計算碼速率，為基準計算碼速率，R0 = 25 Mb/s 對于不同的誤碼率要求，接收機的靈敏度也不同對于不同的誤碼率要求，接收機的靈敏度也不同在一定誤碼率條件下，影響接收機靈敏度的因素在一定誤碼率條件下，影響接收機靈敏度的因素有：碼間干擾、消光比、暗電流、量子效率、光有：碼間干擾、消光比、暗電流、量子效率、光波波長、信號速率、各種噪聲等波波長、信號速率、各種噪聲等而產生誤碼的主要原因是噪聲，光信號通過接收而產生誤碼的主要原因是噪聲，光信號通過接收機時，受到各種噪聲影響，降低接收機的靈敏度機時，受到

51、各種噪聲影響，降低接收機的靈敏度因此，對接收機噪聲的研究分析是光接收機的主因此，對接收機噪聲的研究分析是光接收機的主要課題要課題 動態范圍是光接收機的另一重要指標動態范圍是光接收機的另一重要指標光接收機的動態范圍光接收機的動態范圍D定義為：在保證系統的誤碼定義為：在保證系統的誤碼率指標要求下，接收機最低輸入光功率率指標要求下，接收機最低輸入光功率Pmin（以（以dBm表示）和最大允許輸入光功率表示）和最大允許輸入光功率Pmax（以（以dBm表示）之差（以表示）之差（以dB表示），即有表示），即有minmaxminmaxlg10mW 1lg10mW 1lg10PPPPD之所以要求光接收機有一個動

52、態范圍，是因為光之所以要求光接收機有一個動態范圍，是因為光接收機的輸入光信號不是固定不變的，為了保證接收機的輸入光信號不是固定不變的，為了保證系統正常工作，光接收機必須具備適應輸入信號系統正常工作，光接收機必須具備適應輸入信號在一定范圍變化的能力在一定范圍變化的能力低于這個動態范圍的下限（即靈敏度），如前所低于這個動態范圍的下限（即靈敏度），如前所述將產生過大的誤碼述將產生過大的誤碼高于這個動態范圍的上限（即接收機的過載功高于這個動態范圍的上限（即接收機的過載功率），在判決時也將造成過大的誤碼率），在判決時也將造成過大的誤碼 動態范圍表征了光接收機對輸入信號的適應能力動態范圍表征了光接收機對輸

53、入信號的適應能力 光信號在光纖傳輸過程中會出現兩個問題：光信號在光纖傳輸過程中會出現兩個問題： 光纖的損耗特性使光信號的幅度衰減，限制了光信號的光纖的損耗特性使光信號的幅度衰減，限制了光信號的傳輸距離；傳輸距離； 光纖的色散特性使光信號波形失真，造成碼間干擾，使光纖的色散特性使光信號波形失真，造成碼間干擾，使誤碼率增加誤碼率增加 光纖線路上的損耗和色散不但限制了光信號的傳光纖線路上的損耗和色散不但限制了光信號的傳輸距離，也限制了光纖的傳輸容量輸距離，也限制了光纖的傳輸容量為增加光纖的通信距離和通信容量，必須設置光為增加光纖的通信距離和通信容量，必須設置光中繼器（或稱再生器）中繼器（或稱再生器）

54、光中繼器的功能是補償光能量損耗，對畸變失真光中繼器的功能是補償光能量損耗，對畸變失真的信號波形進行整形的信號波形進行整形 光中繼器主要有兩種：光中繼器主要有兩種：一種是傳統的光中繼器（即光電中繼器）一種是傳統的光中繼器（即光電中繼器）另一種是全光中繼器另一種是全光中繼器 在光放大器研制成功之前，主要采用光電混合中在光放大器研制成功之前，主要采用光電混合中繼器放大光信號繼器放大光信號首先將光纖中送來的光信號轉換為電信號，然后首先將光纖中送來的光信號轉換為電信號，然后對電信號進行放大，最后再將放大了的電信號轉對電信號進行放大，最后再將放大了的電信號轉換為光信號送到光纖中去，即光電光方式換為光信號送到光纖中去，即光電光方式 根據不同的要求，可將中繼器分為三種類型：根據不同的要求，可將中繼器分為三種類型：只有放大和均衡功能的只有放大和均衡功能的1R（Re-amplifying）中繼）中繼器，用于模擬信號的傳輸器，用于模擬信號的傳輸2R中繼器，即在中