1、12本章內(nèi)容 半導(dǎo)體光檢測器：PIN和APD光電二極管。 光接收機。 光接收機的噪聲與誤碼分析 接收機靈敏度分析3 掌握光檢測器的工作原理及特性。 掌握誤碼、靈敏度的概念與物理意義。4 光接收機是光纖通信系統(tǒng)的主要組成部分，它的性能是光接收機是光纖通信系統(tǒng)的主要組成部分，它的性能是整個光整個光纖通信系統(tǒng)性能的綜合反映。纖通信系統(tǒng)性能的綜合反映。由光發(fā)送機發(fā)出的光信號在光纖線路由光發(fā)送機發(fā)出的光信號在光纖線路中傳輸時，不僅會受到損耗的影響而造成中傳輸時，不僅會受到損耗的影響而造成幅度衰減幅度衰減，同時光纖色散，同時光纖色散和非線性效應(yīng)等可能會引起脈沖和非線性效應(yīng)等可能會引起脈沖波形展寬波形展寬，

2、由此造成的信號質(zhì)量下，由此造成的信號質(zhì)量下降，增加接收機接收信號的難度，這些都對接收機的性能提出了較降，增加接收機接收信號的難度，這些都對接收機的性能提出了較高的要求。高的要求。 光接收機的主要作用光接收機的主要作用是將經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減，波形被展寬是將經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減，波形被展寬的的微弱光信號微弱光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺⒔?jīng)放大處理，恢復(fù)為原來的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并?jīng)放大處理，恢復(fù)為原來的信號 目前常用的半導(dǎo)體光電檢測器有兩種：目前常用的半導(dǎo)體光電檢測器有兩種：PIN光電二極管和光電二極管和APD雪雪崩光電二極管。崩光電二極管。56 光電檢測器的作用是光電檢測器的作用是將光纖輸出的微弱

3、光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枌⒐饫w輸出的微弱光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，它是影響接收機性能的重要器件。對光檢測器的基本要求是：它是影響接收機性能的重要器件。對光檢測器的基本要求是： 在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度響應(yīng)度，即對一定的入射，即對一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流光功率，能夠輸出盡可能大的光電流 具有足夠快的具有足夠快的響應(yīng)速度響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)； 具有盡可能低的噪聲，具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響以降低器件本身對信號的影響； 不需要不需要過高的偏壓或偏流過高的偏壓或偏流，具有高可靠性和長壽命；，具

4、有高可靠性和長壽命； 檢測器幾何尺寸小，便于與光纖耦合以及與其它電路組裝。檢測器幾何尺寸小，便于與光纖耦合以及與其它電路組裝。78 最基本的半導(dǎo)體光檢測器是由反最基本的半導(dǎo)體光檢測器是由反向偏置的向偏置的PN結(jié)構(gòu)成的。在半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)成的。在半導(dǎo)體材料的的PN結(jié)面上，由于電子和空穴的擴散結(jié)面上，由于電子和空穴的擴散形成了形成了內(nèi)部的自建電場內(nèi)部的自建電場，它使電子和，它使電子和空穴產(chǎn)生了與擴散方向相反的漂移運空穴產(chǎn)生了與擴散方向相反的漂移運動。在動。在PN結(jié)界面附近形成了高電場的結(jié)界面附近形成了高電場的耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)兩邊兩邊，電場基本為，電場基本為0，稱為擴散區(qū)。稱為擴散區(qū)。

5、 耗盡區(qū)和擴散區(qū)均為光子的吸收區(qū)耗盡區(qū)和擴散區(qū)均為光子的吸收區(qū)，在入射光照射下，要吸收光能量產(chǎn)生光在入射光照射下，要吸收光能量產(chǎn)生光生載流子。生載流子。9hEggEhc半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)10光生載流子慢擴散使響應(yīng)變慢 限制因素：限制因素：由于光生載流子擴由于光生載流子擴散速度慢于漂移速度而引起的響散速度慢于漂移速度而引起的響應(yīng)變慢現(xiàn)象應(yīng)變慢現(xiàn)象 解決方法：解決方法：1）加反向偏壓增加反向偏壓增加耗盡區(qū)的寬度，減少光生電流加耗盡區(qū)的寬度，減少光生電流中的擴散分量，同時強電場也會中的擴散分量，同時強電場也會加快光生載流子的漂移速度加快光生載流子的漂移速度。2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化：如減小結(jié)構(gòu)優(yōu)化：如減小p區(qū)

6、和區(qū)和n區(qū)的厚區(qū)的厚度，采用度，采用PIN和和APD結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)等11 PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、型、N型半導(dǎo)體之間，加型半導(dǎo)體之間，加一層輕摻雜的一層輕摻雜的N型材料，稱為型材料，稱為I（Intrinsic，本征的）層。由于是輕，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴散后形成一個很寬的耗盡層，其摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴散后形成一個很寬的耗盡層，其原理如原理如圖圖所示。所示。PIN光電二極管12 I層較厚，幾乎占盡了整個耗盡區(qū)。絕大部分的入射光在層較厚，幾乎占盡了整個耗盡區(qū)。絕大部分的入射光在I層內(nèi)層內(nèi)被吸收并產(chǎn)生大量的電子被吸收并產(chǎn)生大量的電子-

7、空穴對。在空穴對。在I層兩側(cè)是摻雜濃度很高的層兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和型和N型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，P層和層和N層很薄，吸收入射光的比例很小。因而光層很薄，吸收入射光的比例很小。因而光生電流中生電流中漂移分量占了主導(dǎo)地位漂移分量占了主導(dǎo)地位，這就大大加快了響應(yīng)速度。，這就大大加快了響應(yīng)速度。 帶隙選取時光僅在帶隙選取時光僅在I區(qū)吸收區(qū)吸收，如如InGaAs做本征層（吸收波長做本征層（吸收波長1.31.6um），），P+-InP層的吸層的吸收波長收波長0.9um。 但過大的耗盡區(qū)寬度將延長但過大的耗盡區(qū)寬度將延長光生載流子在耗盡區(qū)漂移的時間，光生載流子在耗盡區(qū)漂移的時間，反而導(dǎo)致響應(yīng)變慢，因此，可

8、通反而導(dǎo)致響應(yīng)變慢，因此，可通過控制耗盡區(qū)的寬度過控制耗盡區(qū)的寬度w，來改變器件的響應(yīng)速度。，來改變器件的響應(yīng)速度。13 I層較厚，幾乎占盡了整個耗盡區(qū)。絕大部分的入射光在層較厚，幾乎占盡了整個耗盡區(qū)。絕大部分的入射光在I層內(nèi)層內(nèi)被吸收并產(chǎn)生大量的電子被吸收并產(chǎn)生大量的電子-空穴對。在空穴對。在I層兩側(cè)是摻雜濃度很高的層兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和型和N型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，P層和層和N層很薄，吸收入射光的比例很小。因而光層很薄，吸收入射光的比例很小。因而光生電流中生電流中漂移分量占了主導(dǎo)地位漂移分量占了主導(dǎo)地位，這就大大加快了響應(yīng)速度。，這就大大加快了響應(yīng)速度。 帶隙選取時光僅在帶隙選取時光僅在

9、I區(qū)吸收區(qū)吸收，如如InGaAs做本征層（吸收波長做本征層（吸收波長1.31.6um），），P+-InP層的吸層的吸收波長收波長0.9um。 但過大的耗盡區(qū)寬度將延長但過大的耗盡區(qū)寬度將延長光生載流子在耗盡區(qū)漂移的時間，光生載流子在耗盡區(qū)漂移的時間，反而導(dǎo)致響應(yīng)變慢，因此，可通反而導(dǎo)致響應(yīng)變慢，因此，可通過控制耗盡區(qū)的寬度過控制耗盡區(qū)的寬度w，來改變器件的響應(yīng)速度。，來改變器件的響應(yīng)速度。142PIN光電二極管的主要特性光電二極管的主要特性 PIN管特性包括截止波長、響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)速度和暗電流管特性包括截止波長、響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)速度和暗電流（1）截止波長與吸收系數(shù)）截止波長與吸收

10、系數(shù) 只有入射光子的能量只有入射光子的能量hf大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，才能產(chǎn)生，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。因此對一種特定材料的檢測器存在著一個下限頻率光電效應(yīng)。因此對一種特定材料的檢測器存在著一個下限頻率fc和相和相應(yīng)的上限光波長應(yīng)的上限光波長c。gg1.24chcEE只有波長小于只有波長小于c的光才能使用由這種材料做的光才能使用由這種材料做成的器件檢測。成的器件檢測。c稱為器件的截止波長。稱為器件的截止波長。15 * 吸收系數(shù)與穿透效應(yīng)吸收系數(shù)與穿透效應(yīng) 其中：其中：a為材料吸收系數(shù)，為材料吸收系數(shù)，1/a為光在半導(dǎo)體中的穿透深度。為光在半導(dǎo)體中的穿透深度。 a越小，可

11、設(shè)計的本征層厚度越大，光子入射該區(qū)域被吸收的概越小，可設(shè)計的本征層厚度越大，光子入射該區(qū)域被吸收的概率越高。且率越高。且隨光波長減小而變大。在光波長很短時，光在半導(dǎo)體隨光波長減小而變大。在光波長很短時，光在半導(dǎo)體表面就被吸收殆盡，使得光電轉(zhuǎn)換效率很低。這限制了表面就被吸收殆盡，使得光電轉(zhuǎn)換效率很低。這限制了PIN在較短在較短波長上的應(yīng)用。波長上的應(yīng)用。 由上分析可見：由上分析可見：要檢測某波長的入射光，必須要選擇由適當(dāng)材要檢測某波長的入射光，必須要選擇由適當(dāng)材料做成的檢測器。料做成的檢測器。既要求禁帶寬度決定的截止波長要大于入射光波既要求禁帶寬度決定的截止波長要大于入射光波長，又有合適的吸收系

12、數(shù)，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率。長，又有合適的吸收系數(shù)，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率。(0)exp()dPPd16（2）響應(yīng)度和量子效率）響應(yīng)度和量子效率 響應(yīng)度和量子效率表征了光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率。響應(yīng)度和量子效率表征了光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率。 響應(yīng)度響應(yīng)度 響應(yīng)度定義響應(yīng)度定義 （A/W）（3-10） 其中，其中，Ip為光電檢測器的平均輸出電流，為光電檢測器的平均輸出電流，Pin為入射到光電二極管為入射到光電二極管上的平均光功率。上的平均光功率。 inpPIR 17 量子效率量子效率 量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為單位時量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為單位時間內(nèi)產(chǎn)

13、生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即 變化后變化后: 結(jié)論結(jié)論: 光電二極管的光電二極管的響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)度和量子效率與入射光頻率（波長）有與入射光頻率（波長）有關(guān)；對于某種既定的關(guān)；對于某種既定的PIN光檢測器，通常具有光檢測器，通常具有最佳工作波長最佳工作波長。inpinpPIhfPeI入射光子數(shù)目空穴對數(shù)目子光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電ehf 1.24eeRhfh c 18PIN光電二極管響應(yīng)度 、量子效應(yīng)率 與波長 的關(guān)系 R1030507090GeInGaAs0.70.91.11.31.51.700.20.40.60.81.0m (W1)Si19 （3）

14、響應(yīng)速度）響應(yīng)速度 響應(yīng)速度是指半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號響應(yīng)速度是指半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號變化快慢的狀態(tài)。一般用響應(yīng)時間變化快慢的狀態(tài)。一般用響應(yīng)時間或截止頻率或截止頻率fc(帶寬帶寬B)表示。表示。 取決于取決于RC上升時間、載流子渡越時間、載流子擴散時間上升時間、載流子渡越時間、載流子擴散時間。 *對于數(shù)字脈沖調(diào)制信號，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的對于數(shù)字脈沖調(diào)制信號，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到上升到90%定義為脈沖上升時間定義為脈沖上升時間RC。 *載流子的渡越時間載流子的渡越時間d=w/v 減小耗盡層的寬度減小耗盡層的寬度w或者增

15、加光電二極管的反向偏壓或者增加光電二極管的反向偏壓都可以縮短都可以縮短渡越時間。渡越時間。20 （4）暗電流）暗電流 在理想條件下，當(dāng)沒有光照時，光電檢測器應(yīng)無光電流輸出。在理想條件下，當(dāng)沒有光照時，光電檢測器應(yīng)無光電流輸出。但是實際上由于熱激勵等，在無光情況下，光電檢測器仍有電流輸?shù)菍嶋H上由于熱激勵等，在無光情況下，光電檢測器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。出，這種電流稱為暗電流。 嚴(yán)格地說，暗電流應(yīng)包括嚴(yán)格地說，暗電流應(yīng)包括體暗電流和漏電流體暗電流和漏電流兩部分。前者由半兩部分。前者由半導(dǎo)體材料及摻雜濃度決定，后者由半導(dǎo)體表面的缺陷引起。通常用導(dǎo)體材料及摻雜濃度決定，后者由半導(dǎo)體表面的

16、缺陷引起。通常用暗電流密度來表示暗電流密度來表示(單位面積上的暗電流單位面積上的暗電流)。 暗電流的存在會限制光電二極管所能檢測的最小光功率，暗電流的存在會限制光電二極管所能檢測的最小光功率，引起引起接收機的噪聲增大，降低接收機的靈敏度接收機的噪聲增大，降低接收機的靈敏度。因此，器件的暗電流越。因此，器件的暗電流越小越好。小越好。21 （5）噪聲）噪聲 噪聲包括散粒噪聲噪聲包括散粒噪聲(Shot Noise)(由信號電流和暗電流產(chǎn)生由信號電流和暗電流產(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)生由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生)。 1 1） i i2 2shsh=2e(I=2e(I

17、P P+I+Id d)B )B 稱為量子噪聲稱為量子噪聲( (由于入射光子和所形成的電子由于入射光子和所形成的電子- -空穴空穴對都具有離散性和隨機性而產(chǎn)生對都具有離散性和隨機性而產(chǎn)生) )。 d d是暗電流產(chǎn)生的噪聲。是暗電流產(chǎn)生的噪聲。 2 2）熱噪聲熱噪聲 負(fù)載電阻的熱噪聲。負(fù)載電阻的熱噪聲。 RKTB4i2T=22 雪崩光電二極管，又稱雪崩光電二極管，又稱APD（Avalanche Photo Diode）。它不）。它不但具有光但具有光/電轉(zhuǎn)換作用，而且具有電轉(zhuǎn)換作用，而且具有內(nèi)部放大內(nèi)部放大作用，其放大作用是靠作用，其放大作用是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)完成的。管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)完

18、成的。1APD的工作原理和結(jié)構(gòu)的工作原理和結(jié)構(gòu) APD的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的P-N結(jié)上加高反向電壓，在結(jié)上加高反向電壓，在結(jié)區(qū)形成一個強電場；在高場區(qū)內(nèi)光生載流子被強電場加速，獲得結(jié)區(qū)形成一個強電場；在高場區(qū)內(nèi)光生載流子被強電場加速，獲得高的動能，與晶格的原子發(fā)生高的動能，與晶格的原子發(fā)生碰撞電離碰撞電離，產(chǎn)生的二次電子，產(chǎn)生的二次電子空穴在空穴在強電場中又被加速，再次碰撞，再次電離，如此強電場中又被加速，再次碰撞，再次電離，如此循環(huán)循環(huán)下去，形成連下去，形成連鎖反應(yīng)，致使耗盡層內(nèi)的載流子數(shù)雪崩似的急劇增加，通過二極管鎖反應(yīng)，致使耗盡層內(nèi)的載流子數(shù)雪崩似的急劇

19、增加，通過二極管的電流也就猛增，這就是雪崩倍增效應(yīng)。的電流也就猛增，這就是雪崩倍增效應(yīng)。 APD就是利用就是利用雪崩效應(yīng)使光電流雪崩效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器，得到倍增的高靈敏度的檢測器，其噪聲特性優(yōu)于其噪聲特性優(yōu)于PIN+FET的組合結(jié)構(gòu)。的組合結(jié)構(gòu)。2324 結(jié)構(gòu)：對結(jié)構(gòu)：對P區(qū)、區(qū)、n區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s，并在區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s，并在I區(qū)和區(qū)和n區(qū)之間引入一層區(qū)之間引入一層P區(qū)作為區(qū)作為碰撞電離層碰撞電離層，即增益區(qū)，以產(chǎn)生二次電子，即增益區(qū)，以產(chǎn)生二次電子-空穴對?？昭▽?。 目前目前APD有保護(hù)環(huán)型和拉通（又稱通達(dá)）型。有保護(hù)環(huán)型和拉通（又稱通達(dá)）型。 拉通型雪崩光電二極管（拉通型雪崩光

20、電二極管（RAPD）的結(jié)構(gòu)示意圖和電場分布如圖）的結(jié)構(gòu)示意圖和電場分布如圖所示。圖（所示。圖（a）所示的是縱向剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖（）所示的是縱向剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖（b）所示的）所示的是將縱向剖面順時針轉(zhuǎn)是將縱向剖面順時針轉(zhuǎn)90的示意圖。圖（的示意圖。圖（c）所示的是它的電場）所示的是它的電場強度隨位置變化的分布圖。強度隨位置變化的分布圖。 APD隨使用的材料不同有幾種：隨使用的材料不同有幾種：Si-APD（工作在短波長區(qū)）；（工作在短波長區(qū)）；Ge-APD和和InGaAs-APD（工作在長波長區(qū)）等。（工作在長波長區(qū)）等。 25RAPD的結(jié)構(gòu)圖和能帶示意圖26 2APD的特性的特性 APD

21、除了除了PIN的特性之外還包括雪崩倍增特性、溫度特性等。的特性之外還包括雪崩倍增特性、溫度特性等。 （1）倍增因子）倍增因子g(平均倍增平均倍增G） 倍增因子倍增因子g g實際上是電流增益系數(shù)實際上是電流增益系數(shù), ,定義為倍增的光電流與初始定義為倍增的光電流與初始光生電流之比，一般用平均倍增光生電流之比，一般用平均倍增G G表示。表示。 電流增益系數(shù)電流增益系數(shù)G G與外加的偏壓有關(guān)與外加的偏壓有關(guān)。偏壓上升，耗盡層的電場增強，。偏壓上升，耗盡層的電場增強，使靠近雪崩區(qū)的部分電場超過碰撞電離所需的最低電壓，拓寬雪崩使靠近雪崩區(qū)的部分電場超過碰撞電離所需的最低電壓，拓寬雪崩區(qū)，倍增作用變大區(qū)，

22、倍增作用變大。MPIG=I27 G隨偏壓的變化，使雪崩管可以提供適當(dāng)?shù)膭討B(tài)范圍隨偏壓的變化，使雪崩管可以提供適當(dāng)?shù)膭討B(tài)范圍。如。如 圖，其動態(tài)增益范圍達(dá)圖，其動態(tài)增益范圍達(dá)11dB，大大，大大減輕后面放大器的動態(tài)范圍要求。減輕后面放大器的動態(tài)范圍要求。 G與入射波長、溫度有關(guān)與入射波長、溫度有關(guān)。 （2）溫度特性）溫度特性 環(huán)境溫度對環(huán)境溫度對APD的特性有很大的的特性有很大的影響。隨著溫度的升高，倍增因子將影響。隨著溫度的升高，倍增因子將下降，暗電流更加嚴(yán)重。因此必須增下降，暗電流更加嚴(yán)重。因此必須增加溫度補償措施。加溫度補償措施。28 （3）噪聲特性）噪聲特性 PIN管的噪聲源主要是管的噪

23、聲源主要是“散粒噪聲散粒噪聲”。對于。對于APD而言，雪崩過程而言，雪崩過程會對初始電流會對初始電流“散粒噪聲散粒噪聲”產(chǎn)生倍增作用，稱雪崩倍增噪聲。此外，產(chǎn)生倍增作用，稱雪崩倍增噪聲。此外，雪崩過程也是隨機的，雪崩過程也是隨機的，引起電流起伏產(chǎn)生倍加噪聲成分引起電流起伏產(chǎn)生倍加噪聲成分，故噪聲按，故噪聲按2F(G)比例增加。比例增加。 用倍增指數(shù)用倍增指數(shù)x對對F(G)近似表示：近似表示： x值與制造器件的材料和工藝等因素有關(guān)。值與制造器件的材料和工藝等因素有關(guān)。 Si-APD的的x= 0.30.5，Ge-APD的的x=0.81.0，InGaAs-APD的的x=0.50.7 APD的倍增因子

24、隨工作偏壓的增大而增加，但的倍增因子隨工作偏壓的增大而增加，但噪聲隨之增大的噪聲隨之增大的速度更快速度更快，存在一個最佳倍增因子，存在一個最佳倍增因子opt。最佳被增因子可以通過。最佳被增因子可以通過對接收機的實際調(diào)整來得到。對接收機的實際調(diào)整來得到。 ( )xF GG29 （3）APD響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)度和量子效率 *APD光生電流倍增光生電流倍增G倍，故響應(yīng)度比倍，故響應(yīng)度比PIN提高了提高了G倍。倍。 *量子效率只與初始載流子數(shù)目有關(guān)，與倍增無關(guān)。量子效率只與初始載流子數(shù)目有關(guān)，與倍增無關(guān)。 （4）APD的線性飽和的線性飽和 PIN廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)，尤其在靈敏度要求不高的低速率系

25、廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)，尤其在靈敏度要求不高的低速率系統(tǒng)（統(tǒng)（622Mb/s），通常制作成），通常制作成PIN-FET組件使用；組件使用；APD多用于光接收多用于光接收機要求較高的場合，如小信號測量或延長系統(tǒng)傳輸距離。機要求較高的場合，如小信號測量或延長系統(tǒng)傳輸距離。30 直接檢測數(shù)字光接收機主要由光接收電路和輸出接口電路組成，直接檢測數(shù)字光接收機主要由光接收電路和輸出接口電路組成，主要包括光檢測和前置放大器、主放大器、自動增益控制（主要包括光檢測和前置放大器、主放大器、自動增益控制（AGC）電路、均衡器、基線處理、電路、均衡器、基線處理、定時判決與時鐘提取定時判決與時鐘提取以及等。以及等。

26、光接收機的主要性能指標(biāo)：光接收機的主要性能指標(biāo)： 接收靈敏度接收靈敏度：反映了接收機檢測微弱信號的能力：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：衡量數(shù)字系統(tǒng)傳輸質(zhì)量好壞的主要指標(biāo)；：衡量數(shù)字系統(tǒng)傳輸質(zhì)量好壞的主要指標(biāo)； 動態(tài)范圍動態(tài)范圍：反映了接收機適應(yīng)輸入信號變化的能力；：反映了接收機適應(yīng)輸入信號變化的能力；31 光電檢測器光電檢測器光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。光電檢測的輸出信號電流很小，光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。光電檢測的輸出信號電流很小，必須由低噪聲、寬頻帶的前置放大器進(jìn)行放大。光電檢測器和前置必須由低噪聲、寬頻帶的前置放大器進(jìn)行放大。光電檢測器和前置放大器構(gòu)成接收機端，放大

27、器構(gòu)成接收機端，其噪聲性能決定靈敏度的主要因素其噪聲性能決定靈敏度的主要因素。 主放大器與均衡器主放大器與均衡器對信號進(jìn)行高增益的放大并對經(jīng)傳輸和放大后對信號進(jìn)行高增益的放大并對經(jīng)傳輸和放大后的失真信號進(jìn)行補償，整形，提高信噪比，減少誤碼率，使輸出的的失真信號進(jìn)行補償，整形，提高信噪比，減少誤碼率，使輸出的脈沖適合判決的要求。脈沖適合判決的要求。 基線處理基線處理是將信號的基線（低電平）固定在某一電平上，解決信是將信號的基線（低電平）固定在某一電平上，解決信號的基線漂移，以便于判決。號的基線漂移，以便于判決。 定時判決與時鐘提取電路定時判決與時鐘提取電路作用是從收到的帶有噪聲和畸變的波形作用是

28、從收到的帶有噪聲和畸變的波形中識別信碼中識別信碼“1”和和“0”，由再生電路重新產(chǎn)生和發(fā)端一樣的數(shù)字脈，由再生電路重新產(chǎn)生和發(fā)端一樣的數(shù)字脈沖序列。從判決電路輸出的數(shù)字信號至接口的譯碼電路進(jìn)行沖序列。從判決電路輸出的數(shù)字信號至接口的譯碼電路進(jìn)行碼型反碼型反變換變換，恢復(fù)原來的碼型。，恢復(fù)原來的碼型。32 1光檢測與前置放大光檢測與前置放大 光纖線路傳輸后，到達(dá)接收端已經(jīng)很微弱。檢測器輸出的電流僅光纖線路傳輸后，到達(dá)接收端已經(jīng)很微弱。檢測器輸出的電流僅在在nA數(shù)量級。數(shù)量級。所以必須采用多級放大將微弱的電信號放大至判決電所以必須采用多級放大將微弱的電信號放大至判決電路能正確識別。路能正確識別。

29、由于信號微弱又帶有噪聲，如果采用一般的放大器進(jìn)行放大，放由于信號微弱又帶有噪聲，如果采用一般的放大器進(jìn)行放大，放大器本身就會將前一級放大器所引入的噪聲也進(jìn)行放大，信噪比并大器本身就會將前一級放大器所引入的噪聲也進(jìn)行放大，信噪比并沒有得到改善。因此多級放大器的前級必須滿足低噪聲、高增益的沒有得到改善。因此多級放大器的前級必須滿足低噪聲、高增益的要求，改善信噪比，因此必須選擇一個高性能的前放。要求，改善信噪比，因此必須選擇一個高性能的前放。 前置放大器的的類型目前有前置放大器的的類型目前有3種：低阻抗前置放大器、高阻抗前種：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和置放大器和跨阻抗前置放大器跨阻抗前置放

30、大器（或跨導(dǎo)前置放大器（或跨導(dǎo)前置放大器,等效電路如后等效電路如后圖）。圖）。33(a) 雙極型晶體管； (b) 場效應(yīng)管； (c) 跨阻型 偏壓(a)偏壓(b)偏壓(c)Rf三種類型前置放大器的比較：三種類型前置放大器的比較： (1) 雙極型晶體管前置放大器雙極型晶體管前置放大器的主要的主要特點特點是輸入阻抗低，是輸入阻抗低， 電電路時間常數(shù)路時間常數(shù)RC小于信號脈沖寬度小于信號脈沖寬度T，因而碼間干擾小，適用于高，因而碼間干擾小，適用于高速率傳輸系統(tǒng)。速率傳輸系統(tǒng)。 (2) 場效應(yīng)管前置放大器場效應(yīng)管前置放大器的主要的主要特點特點是輸入阻抗高，是輸入阻抗高， 噪聲小，噪聲小，高頻特性較差，

31、適用于低速率傳輸系統(tǒng)。高頻特性較差，適用于低速率傳輸系統(tǒng)。 (3) 跨阻型前置放大器跨阻型前置放大器最大的最大的優(yōu)點優(yōu)點是改善了帶寬特性和動態(tài)是改善了帶寬特性和動態(tài)范圍，并具有良好的噪聲特性。范圍，并具有良好的噪聲特性。 34光 檢 測 器電 路 部 分GaAs基 片N-InP基 片P-接 觸 片N-接 觸 片35 2主放大器和均衡放大器主放大器和均衡放大器 信號經(jīng)前置放大器輸出仍然比較微弱，不能滿足幅度判決的要信號經(jīng)前置放大器輸出仍然比較微弱，不能滿足幅度判決的要求，因此還必須加以放大。其作用是：求，因此還必須加以放大。其作用是： 1）提供足夠的增益）提供足夠的增益 2）并通過它實現(xiàn)自動增益

32、控制）并通過它實現(xiàn)自動增益控制(AGC)，使輸入光信號在一定，使輸入光信號在一定范圍內(nèi)變化時，范圍內(nèi)變化時， 輸出電信號保持恒定。輸出電信號保持恒定。36 均放電路的主要作用均放電路的主要作用是對已畸變是對已畸變(失真失真)和有碼間干擾的電信號和有碼間干擾的電信號進(jìn)行均衡補償，減小誤碼率。如成為升余弦頻譜脈沖。進(jìn)行均衡補償，減小誤碼率。如成為升余弦頻譜脈沖。37 3基線與定時再生基線與定時再生 由于傳輸線路上所傳送的碼流中由于傳輸線路上所傳送的碼流中“0”、“1”分布并不均勻，并分布并不均勻，并不可避免地有連續(xù)的不可避免地有連續(xù)的“0”或連續(xù)的或連續(xù)的“1”出現(xiàn)，使得信號中的直流出現(xiàn)，使得信號

33、中的直流成分有起伏變化，這種信號在接收機中處理時，因各級間的耦合成分有起伏變化，這種信號在接收機中處理時，因各級間的耦合均為均為RC耦合，這會使耦合，這會使信號的信號的基線基線(低電平低電平)隨直流成分的隨直流成分的變化而漂移變化而漂移。這種漂移嚴(yán)重時，會使判決產(chǎn)生誤碼。這種漂移嚴(yán)重時，會使判決產(chǎn)生誤碼。 雖然線路碼型變換使碼流中的雖然線路碼型變換使碼流中的“0”、“1”分布盡可能均勻，信分布盡可能均勻，信號中的直流分量盡可能恒定，但難以達(dá)到理想程度。因此在定時號中的直流分量盡可能恒定，但難以達(dá)到理想程度。因此在定時再生電路中，首先要對基線漂移進(jìn)行處理，即將再生電路中，首先要對基線漂移進(jìn)行處理

34、，即將信號的基線信號的基線（低（低電平）固定在某一電平上。然后進(jìn)行電平）固定在某一電平上。然后進(jìn)行幅度判決幅度判決，再經(jīng)過時鐘提取，再經(jīng)過時鐘提取，還原出還原出幅度和時鐘準(zhǔn)確的再生信號幅度和時鐘準(zhǔn)確的再生信號。3839 輸出電路輸出電路是光端機接收部分在定時再生之后的信號處理部分。是光端機接收部分在定時再生之后的信號處理部分。通常包括線路碼型反變換（包括解擾碼）、輸出接口兩大部分。通常包括線路碼型反變換（包括解擾碼）、輸出接口兩大部分。線路碼型反變換將送過來的光線路碼還原成普通二進(jìn)制碼，輸出線路碼型反變換將送過來的光線路碼還原成普通二進(jìn)制碼，輸出接口將二進(jìn)制碼變換成符合接口將二進(jìn)制碼變換成符合

35、ITU-T建議的輸出信號給數(shù)字復(fù)用設(shè)建議的輸出信號給數(shù)字復(fù)用設(shè)備。在備。在“光電合架光電合架”設(shè)備中，可省輸出接口，將碼型反變換部分設(shè)備中，可省輸出接口，將碼型反變換部分和光接收電路裝在同一塊機盤中。和光接收電路裝在同一塊機盤中。 其他電路：其他電路： *告警電路告警電路 *倒換電路倒換電路 *公務(wù)電路公務(wù)電路 * 電源電路電源電路40光接收機的光接收機的噪聲有兩部分：噪聲有兩部分： 外部電磁干擾產(chǎn)生外部電磁干擾產(chǎn)生： 其危害可以通過屏蔽或濾波加以消除；其危害可以通過屏蔽或濾波加以消除； 內(nèi)部產(chǎn)生：內(nèi)部產(chǎn)生： 是在信號檢測和放大過程中引入的隨機噪聲，只能是在信號檢測和放大過程中引入的隨機噪聲，

36、只能通過通過器件的選擇和電路器件的選擇和電路的設(shè)計與制造盡可能減的設(shè)計與制造盡可能減小，小，一般不可能完全消一般不可能完全消除。我們要討論的是內(nèi)除。我們要討論的是內(nèi)部產(chǎn)生的隨機噪聲。部產(chǎn)生的隨機噪聲。 41 光接收機的內(nèi)部噪聲包括輸入噪聲、散粒噪聲和熱噪聲。如圖光接收機的內(nèi)部噪聲包括輸入噪聲、散粒噪聲和熱噪聲。如圖 輸入噪聲輸入噪聲：隨信號來，在光發(fā)送機和傳輸過程產(chǎn)生，如消光比：隨信號來，在光發(fā)送機和傳輸過程產(chǎn)生，如消光比和碼間干擾、光功率的動態(tài)波動等。和碼間干擾、光功率的動態(tài)波動等。 散粒噪聲散粒噪聲包括量子噪聲、暗電流包括量子噪聲、暗電流/漏電流噪聲和漏電流噪聲和APD倍增噪聲倍增噪聲 熱

37、噪聲熱噪聲主要是前置放大器的噪聲（包括電阻熱噪聲及晶體管組主要是前置放大器的噪聲（包括電阻熱噪聲及晶體管組件內(nèi)部噪聲）、負(fù)載電阻的熱噪聲。件內(nèi)部噪聲）、負(fù)載電阻的熱噪聲。42 1）PIN的噪聲性能。的噪聲性能。 對于光檢測器的噪聲，采用的主要方法是從建立噪聲的數(shù)學(xué)模對于光檢測器的噪聲，采用的主要方法是從建立噪聲的數(shù)學(xué)模型著手進(jìn)行分析。假定有固定型著手進(jìn)行分析。假定有固定P(t)的光脈沖入射光電管，其產(chǎn)生電的光脈沖入射光電管，其產(chǎn)生電子子-空穴對的總數(shù)和產(chǎn)生的時間空穴對的總數(shù)和產(chǎn)生的時間tn都是泊松分布隨機過程。都是泊松分布隨機過程。每秒產(chǎn)生的電子每秒產(chǎn)生的電子-空穴對平均數(shù)：空穴對平均數(shù)： 在

38、在t,t+T時間小段內(nèi)產(chǎn)生電子時間小段內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對總數(shù)的概率分布為：空穴對總數(shù)的概率分布為：( )( )ntP thf()/ !( ) ( )( ) ( )nt Tt TttP Nnennt d tP t d thf （其中為出現(xiàn)電子數(shù)的統(tǒng)計平均值）43 在數(shù)字光通信系統(tǒng)中，如發(fā)在數(shù)字光通信系統(tǒng)中，如發(fā)“1”碼，接收端收到光脈沖能量為碼，接收端收到光脈沖能量為Ed，應(yīng)該產(chǎn)生電子。如發(fā)，應(yīng)該產(chǎn)生電子。如發(fā)“0”碼，接收端收收不到光能量，不產(chǎn)碼，接收端收收不到光能量，不產(chǎn)生電子。生電子。故只有發(fā)故只有發(fā)“1”碼時，接收端存在一定的概率不產(chǎn)生電子，碼時，接收端存在一定的概率不產(chǎn)生電子，發(fā)生誤碼

39、，其大小為發(fā)生誤碼，其大小為： 在時間在時間T段內(nèi)，光功率段內(nèi)，光功率P(t)的積分就是總能量的積分就是總能量Ed，如果脈沖寬，如果脈沖寬度為度為T秒，則秒，則T秒內(nèi)產(chǎn)生的平均電子數(shù)為：秒內(nèi)產(chǎn)生的平均電子數(shù)為：dEhf 010(0)/ !/0!dEnhfdEPNenehf 如果規(guī)定誤碼率指標(biāo)為不超過如果規(guī)定誤碼率指標(biāo)為不超過Pe=10-9，則最小必須接收的光，則最小必須接收的光脈能量為：脈能量為：minmin( 0/ 1hfhfP“ ”碼“”碼均衡時，平均檢測光功率）44 光接收機的誤碼主要由散粒噪聲、倍增噪聲、熱噪聲等綜合的光接收機的誤碼主要由散粒噪聲、倍增噪聲、熱噪聲等綜合的總噪聲引起。總

40、噪聲引起。誤碼的多少及分布不僅和總噪聲的大小有關(guān)，還與誤碼的多少及分布不僅和總噪聲的大小有關(guān)，還與總噪聲的分布有關(guān)?？傇肼暤姆植加嘘P(guān)。入射光子在入射光子在PIN內(nèi)產(chǎn)生的電子或在內(nèi)產(chǎn)生的電子或在APD內(nèi)產(chǎn)內(nèi)產(chǎn)生的一次電子通常服從泊松分布。生的一次電子通常服從泊松分布。但經(jīng)過電子倍增，再經(jīng)放大、均但經(jīng)過電子倍增，再經(jīng)放大、均衡后，噪聲分布變得很復(fù)雜。通衡后，噪聲分布變得很復(fù)雜。通常常假定總噪聲服從高斯分布假定總噪聲服從高斯分布進(jìn)行進(jìn)行簡化計算。簡化計算。 I1是是“1”碼的電流，碼的電流，I0是是“0”碼的電流。碼的電流。 Im是是“”碼的平均碼的平均電流，而電流，而“0”碼的平均電流為碼的平均電

41、流為0。D為判決門限值，一般取為判決門限值，一般取D=Im/2。tIsImI1(t)I0(t)判決門限D(zhuǎn)045 誤碼率誤碼率BER 定義為定義為：BER= 錯誤接收的碼元數(shù)錯誤接收的碼元數(shù)/傳輸?shù)拇a元總傳輸?shù)拇a元總數(shù)要確定誤碼率，不僅要知道數(shù)要確定誤碼率，不僅要知道噪聲功率的大小噪聲功率的大小，而且要知道噪聲，而且要知道噪聲的的概率分布概率分布: *在在“”碼時，碼時，如果在取樣如果在取樣時刻帶有噪聲的電流時刻帶有噪聲的電流I1D，則可能，則可能被誤判為被誤判為“”碼。碼。 *假設(shè)噪聲電流假設(shè)噪聲電流(或電壓或電壓)的瞬時的瞬時值服從高斯分布值服從高斯分布，其概率密度函，其概率密度函數(shù)為數(shù)為:

42、221( )exp22VP V46 在判決點上電壓超過在判決點上電壓超過V0的概率即為的概率即為”0”碼誤為碼誤為”1”的概率的概率 : 在發(fā)在發(fā)“0”碼時，碼時， 平均噪聲功率平均噪聲功率N0=NA，NA為前置放大器的平均為前置放大器的平均噪聲功率。這時沒有光信號輸入，光檢測器的平均噪聲功率噪聲功率。這時沒有光信號輸入，光檢測器的平均噪聲功率ND=0 (略去暗電流略去暗電流)。則發(fā)。則發(fā)“0”碼的條件下噪聲的概率密度函數(shù)為碼的條件下噪聲的概率密度函數(shù)為 :0220,01002/0011()expexp2222eDDNVxPP VDdVdxNN2002001()exp22VP VNN 收收“1

43、”碼時，碼時， 平均噪聲功率平均噪聲功率N1=NA+ND，這時噪聲電流的幅度為，這時噪聲電流的幅度為I1-Im，判決門限值仍為，判決門限值仍為D，則只要取樣值，則只要取樣值Im-I1Im-D或或I1-Im D-Im，就可能把就可能把“”碼誤判為碼誤判為“0”碼碼:12()/0,1011()exp22mVDNemmyPP VVVDdy47 其中其中 Q值表示判決點門限值與值表示判決點門限值與噪聲電壓（電流）有效值的比噪聲電壓（電流）有效值的比值，稱為超擾比，含有信噪比值，稱為超擾比，含有信噪比的概念。不同的概念。不同Q值對應(yīng)不同的值對應(yīng)不同的誤碼率值。誤碼率值。 誤碼率誤碼率e,01和和e,10

44、不一定相等不一定相等,但對于但對于0/1碼等概率出現(xiàn)的碼碼等概率出現(xiàn)的碼流流, 可以通過調(diào)節(jié)判決器門限可以通過調(diào)節(jié)判決器門限D(zhuǎn),使使e,01=e,10,從而獲得最小誤碼從而獲得最小誤碼率率.此時總誤碼率為此時總誤碼率為:01VQ=mDDNN2,01,10,01,10Q111exp2222eeeeexPPPPPdx1015101410131012101110101091081071061054.555.566.577.5Q誤碼率48（）光接收機的靈敏度（）光接收機的靈敏度 光接收機的靈敏度是指光接收機的靈敏度是指在系統(tǒng)滿足給定誤碼率指標(biāo)的條件下在系統(tǒng)滿足給定誤碼率指標(biāo)的條件下，光接收機所需的最小平均接收光功率光接收機所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用）。工程中常用毫毫瓦分貝（瓦分貝（dBm）來表示，即來表示，即 （2）光接收機的動態(tài)范圍）光接收機的動態(tài)范圍 光接收機的動態(tài)范圍是指光接收機的動態(tài)范圍是指在保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)的條件下，在保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)的條件下，接接收機的最低輸入光功率（收機的最低輸入光功率（dBm）和最大允許輸入光功率（）和最大允許輸入光功率（dBm）之差（之差（dB）。）。)dBm(mW1lg10minRPP )dB(lg1010lg1