第四章

光信號探測及恢復Vocabularyopticalreceiver光接收機signaldistortion信號畸變BER(bit-errorrate)誤碼率APD雪崩光電二極管ISI碼間串擾darkcurrent暗電流photoncurrent光生電流directdetection直接探測coherentdetection相干探測noisefigure噪聲指數(shù)highsensitivity高靈敏度responsivity響應(yīng)度thermalnoise熱噪聲shotnoise散粒噪聲noiseequivalentpower噪聲等效功率currentfluctuation電流波動excessnoisefactor過剩噪聲因子quantumlimit量子受限automaticgaincontrol自動增益控制pre-amplifier前置放大器decisioncircuit判決電路decisionthresholdvalue判決閾值clockrecovery時鐘恢復electron-holepair電子空穴對driftvelocity漂移速率Gaussianstatistics高斯統(tǒng)計high-passfilter高通濾波器linearchannel線性信道electro-opticaldelay電光延遲samplingtime采樣時間powerfluctuation功率波動optimumgain最優(yōu)增益complementaryerrorfunction互補誤差函數(shù)multiplicationfactor倍增因子spectraldensity譜密度intensitynoise強度噪聲Chapter42SOEI,HUSTtimingjitter定時抖動mode-partitionnoise模式分配噪聲parasiticreflection寄生反射depletionregion耗盡區(qū)biasvoltage偏置電壓reversebias反向偏置tunnelingbreakdown隧道擊穿equalizer均衡器stimulatedabsorption受激吸收quantumefficiency量子效率straylight雜散光sensitivitydegradation靈敏度劣化diffusive擴散gainflatness增益平坦ionizationcoefficient電離系數(shù)gainregion增益區(qū)boundarycondition邊界條件avalancheprocess雪崩過程pulsebroadening脈沖展寬stationaryrandomprocess平穩(wěn)隨機過程Poissonstatistics泊松統(tǒng)計Wiener-Khinchintheorem維納-辛欽定理pulseshaping脈沖整形transferfunction傳遞函數(shù)rectangularpulse矩形脈沖one/two-sided單/雙邊帶transparenttransmission透明傳輸wavelengthrouting波長路由point-to-point點對點topologystructure拓撲結(jié)構(gòu)powerbudget功率預(yù)算powermargin功率余量powerpenalty功率代價Chapter43SOEI,HUST第四章光信號探測及恢復4.1光探測器設(shè)計4.2光接收機結(jié)構(gòu)4.3接收機噪聲4.4接收機靈敏度4.5相干光接收機

要求高靈敏度，高響應(yīng)度，低成本，高可靠性，抗干擾Chapter45SOEI,HUST光信號驅(qū)動電壓O/E前置放大器自動增益控制放大器濾波器回路采樣時鐘恢復

PINorAPD電信號前向線性通道數(shù)據(jù)恢復4.1.1響應(yīng)率及帶寬1.受激吸收自發(fā)輻射受激輻射受激吸收LEDLDPD光源光電探測器Chapter46SOEI,HUST2.響應(yīng)率

光電流R為光探測器響應(yīng)度(單位為A/W).3.怎么增加響應(yīng)度R?Chapter47SOEI,HUST當

為量子效率電子產(chǎn)生速率光子注入速率Chapter48SOEI,HUST4.PD帶寬Chapter49SOEI,HUSTRCtimeconstantOpticalsignalPinVout(t)90%10%V0TrWTransittime光信號時間常數(shù)渡越時間Chapter410SOEI,HUST5.暗電流來源于電子空穴對產(chǎn)生的雜散光和熱4.1.2典型結(jié)構(gòu)和演進歷程Chapter411SOEI,HUSTP-N光電二極管p-n結(jié)加反向偏壓速度快速度慢a)Ap-n光電二極管加反壓；(b)PD內(nèi)部光功率分布;(c)漂移和擴散的載流子移動能帶圖

漂移成分擴散成分光電流

擴散成分使光電二極管瞬時響應(yīng)失真

解決方法：減小p、n區(qū)厚度，增加耗盡區(qū)寬度。Chapter412SOEI,HUST

i區(qū)→高阻抗→大電場→耗盡區(qū)→漂移成分占主導但是擴散成分仍然存在2.PIN光電二極管Chapter413SOEI,HUSTEg(i)<hv<Eg(p,n)Chapter414SOEI,HUST雙異質(zhì)結(jié)PINs受激輻射只在i區(qū)發(fā)生擴散電流完全被消除。(高響應(yīng)速度).

InPInGaAsInPChapter415SOEI,HUSTChapter416SOEI,HUST典型結(jié)構(gòu)(a)AnAPD反向偏置下不同層的電場分布情況；(b)直通型APD設(shè)計。3.雪崩光電二極管(APDs)Chapter417SOEI,HUST工作原理:碰撞電離一個加速的電子提供一部分動能給價帶中的另一個電子，最終由價帶傳送到導帶，留下空穴。光子

單個原生電子具有高動能的電子大量二次電子和空穴i區(qū):吸收;增益區(qū):碰撞和電離后倍增吸收加速碰撞電離主要參數(shù)碰撞電離系數(shù):(αe:電子;αh:空穴)取決于材料合電場

Chapter418SOEI,HUST倍增因素倍增區(qū)電流：ie,ih:分別為電子和空穴對應(yīng)電流總電流:Chapter419SOEI,HUST假設(shè):增益區(qū)電場是統(tǒng)一的(是常數(shù)),只有電子跨越邊界進入n區(qū)。考慮邊界條件：

Chapter420SOEI,HUSTChapter421SOEI,HUST響應(yīng)度M:平均APD增益雪崩!when是碰撞系數(shù)比帶寬

M0-低頻增益,τe-有效傳輸時間Chapter422SOEI,HUSTChapter423SOEI,HUST

不同APD結(jié)構(gòu)Chapter424SOEI,HUST直通型APD0.85um:Si,KA<<1M~100,B~100Mb/s1.31um,1.55um:Ge,InGaAs解決方法:寬帶隙→能施加高反壓

吸收層和倍增層運用相同的材料倍增窄帶隙大噪聲，(ilayer)Chapter425SOEI,HUSTSAM-APD:吸收倍增分離APDp+-InPn+-InPn-InPi-InGaAsMA-+問題:InP&InGaAs寬帶隙不同EInp=1.35eVEInGaAs=0.75eV1)空穴易在雙異質(zhì)結(jié)上被捕獲2)響應(yīng)慢&帶寬小解決方法:Chapter426SOEI,HUSTChapter427SOEI,HUSTp+-InPn+-InPn-InPInGaAsMA-+InGaAsPGSAGM-APD(吸收（分階）倍增分離)p+-InPN+-InPn-InPInGaAsMA-+InGaAsPGN+-InPCChapter428SOEI,HUSTSAGCM-APD(C-電荷層)PN光電二極管PIN雙異質(zhì)結(jié)PINAPDSAM-APDSAGM-APD：Mf=70GHzSAGCM-APD：Mf=140GHz第四章光信號探測及恢復4.1光探測器設(shè)計4.2光接收機結(jié)構(gòu)4.3接收機噪聲4.4接收機靈敏度4.5相干光接收機TIA4.2.1前向Chapter431SOEI,HUST等價電路：(a)前端高阻抗光接收機電路和(b)前端跨阻抗光接收機電路。兩種電路中光電二極管都相當于電源。設(shè)計要求大負載阻抗接收帶寬

高輸出電壓低熱噪聲改善靈敏度接收機靈敏度和帶寬之間須平衡!Chapter432SOEI,HUST互阻抗放大器(TIA)高靈敏度和大帶寬4.2.2線性通道Chapter433SOEI,HUST1.組成具有自動增益控制（AGC）的放大器：接收一定范圍輸入AC電壓，輸出恒定幅值電壓，實現(xiàn)增益平坦。低通濾波器：減少噪聲，決定接收機BW，為電壓脈沖整形以減小碼間串擾（ISI）。2.低通濾波器最優(yōu)化Chapter434SOEI,HUST輸入信號：輸出脈沖的優(yōu)化整形便于判決：連續(xù)余弦脈沖顯示歸零信號性質(zhì)。Chapter435SOEI,HUST線性通道轉(zhuǎn)移通道如下：上升余弦眼圖包含信息(NRZ)Chapter436SOEI,HUST4.2.3回路判決Chapter437SOEI,HUST組成：時鐘恢復(CR)+回路判決CR從接收到的信號分離在f=B處的光譜分量，為判決提供比特信息，使判決同步。RZ信號易進行時鐘恢復，而NRZ信號較難。最佳采樣時間由眼圖決定。第四章光信號探測及恢復4.1光探測器設(shè)計4.2光接收機結(jié)構(gòu)4.3接收機噪聲4.4接收機靈敏度4.5相干光接收機O/E倍增放大PinIp=RPinIo=MRPinIA=AMRPin背景噪聲，差拍噪聲散粒噪聲；暗電流噪聲額外噪聲負載阻抗熱噪聲；有功分量。接收機噪聲散粒噪聲：電子隨機產(chǎn)生，是具有泊松分布（近似高斯分布）的靜態(tài)隨機過程。Chapter440SOEI,HUST4.3.1噪聲機理具有散粒噪聲的光電二極管電流：根據(jù)維爾-辛欽定理知，自相關(guān)函數(shù)與光譜密度有關(guān)。平均電流與散粒噪聲相關(guān)的電流波動考慮暗電流雙邊光譜密度單邊光譜密度Chapter441SOEI,HUST總傳播函數(shù)有效噪聲帶寬噪聲電流均方根2.熱噪聲：一定溫度下，不加電壓時，電子在電阻中隨機移動。由熱噪聲引起的電流波動是具有高斯統(tǒng)計特征的靜態(tài)隨機過程具有熱噪聲的光電二極管電流功率譜密度Fn:表征被前置和主放大器的電阻加強的熱噪聲因素。雙邊光譜密度單邊光譜密度Chapter442SOEI,HUST總噪聲功率

具有散粒噪聲和熱噪聲的光電流：

注意is(t),iT(t)

是獨立的隨機過程Chapter443SOEI,HUST1.PIN接收機4.3.2光接收機的信噪比（SNR）Chapter444SOEI,HUST熱噪聲限制噪聲等效功率(NEP):

每單位帶寬的光功率引入SNR=1

可探測性:(NEP)-1平均信號功率噪聲功率散粒噪聲限制SNR可根據(jù)1bit所對應(yīng)的光子數(shù)Np來得出選擇Chapter445SOEI,HUST2.APD接收機FA(M):額外噪聲因素，Chapter446SOEI,HUST散粒噪聲加強：經(jīng)過碰撞電離過程，二次電子空穴對隨機產(chǎn)生。熱噪聲限制散粒噪聲限制最佳APD增益Chapter447SOEI,HUST同等條件下，因過剩噪聲的影響，APD的SNR下降了FA倍。在實際光接收機中由于熱噪聲占支配地位，因此APD仍具有吸引力。第四章光信號探測及恢復4.1光探測器設(shè)計4.2光接收機結(jié)構(gòu)4.3接收機噪聲4.4接收機靈敏度4.5相干光接收機誤比特率(BER)：接收機采樣判決1bit發(fā)生錯誤的概率。Chapter450SOEI,HUST4.4.1誤比特率和靈敏度(假設(shè)p(1)=p(0)=1/2)

(complementaryerrorfunction)Chapter451SOEI,HUST判決閾值：選取最佳ID使BER最小化。

當ID如下式時BER最小：Q因素Chapter452SOEI,HUSTQ和BER的關(guān)系：

Chapter453SOEI,HUSTChapter454SOEI,HUST2.靈敏度：當接收機誤比特率在10-9時，接收機的最小平均功率。平均接收功率：Chapter455SOEI,HUSTPIN接收機

APD接收機接收功率最小值：Chapter456SOEI,HUST4.4.2誤比特率和信噪比散粒噪聲限制

熱噪聲限制Chapter457SOEI,HUST4.4.3靈敏度退化Powerpenalty:非理想條件使最小平均接收功率增大。

消光比；強度噪聲；

時間抖動；

模式電流分配噪聲；

寄生反射消光比ideal:rex=0infact:rex≠0Ib<Ith,P0=0,弛豫振蕩減緩，電光延遲增加。Ib>Ith,P0≠0,rex≠0,調(diào)制帶寬增大。對PIN接收機，熱噪聲受限：

功率損耗:對APD接收機，

δex大兩倍Chapter458SOEI,HUSTChapter459SOEI,HUST消光比與功率損耗關(guān)系強度噪聲參數(shù)與功率損耗關(guān)系強度噪聲功率波動

電流波動Chapter460SOEI,HUST模式電流分配噪聲；寄生反射RZ,Error-free時間抖動Chapter461SOEI,HUST時間抖動采樣時間采樣值抖動信號附加抖動（噪聲）比特流間波動問題

光接收機靈敏度分析某PIN光接收機等效噪聲帶寬近似等于接收光信號比特速率的一半，工作在1550nm時量子效率為0.9，前端總電容為0.003pF，放大器噪聲指數(shù)為3dB，忽略暗電流，分別計算下面受限情況下，該接收機工作在10Gb/s時誤碼率要求為10－12時對應(yīng)的靈敏度（單位為dBm）：1）熱噪聲受限；2）散粒噪聲受限。注：普朗克常數(shù)：；基本電荷電量：；玻爾茲曼常數(shù)：Chapter462SOEI,HUST第四章光信號探測及恢復4.1光探測器設(shè)計4.2光接收機結(jié)構(gòu)4.3接收機噪聲4.4接收機靈敏度4.5相干光接收機直接探測是探測光信號的常見方法。電場的二次檢測。僅探測強度！4.5.1工作原理強度，相位，偏振態(tài)！LO頻率≈載波頻率：intradynedetection相干探測：電場的線性檢測（通過與本地振蕩器干涉）。1.直接探測和相干探測比較：Chapter464SOEI,HUSTRef1.Fiber-OpticCommunicationSystems(Edition4),pp158~161直接探測DirectDetection&相干探測CoherentDetection只給出了余弦組件(換句話說,同相分量的LO階段),和正弦組件(正交分量)不能被檢測到。因此,這種類型的零差接收機無法提取完整的復振幅信息信號。準備另一LO,相移90o，那么信號同相和正交分量都能被檢測出來。相位差法Thisfunctioncanbeachievedbya90ohybrid.4.5.2典型結(jié)構(gòu)1.相位差法:光電流I1，I2，I3，I4

可以提供輸入信號場實部、虛部的全部信息。I1I4Chapter467SOEI,HUSTRef2.OpticalFiberTelecommunic