光接收機(jī)總結(jié)

1、光接收機(jī)總結(jié)1, 普通PIN接收機(jī)和APD接收機(jī)（直接檢測(cè)）PIN光電二極管是在普通光電二極管的 PN結(jié)中加入低摻雜的近乎本征半導(dǎo) 體的I區(qū)形成的，用以加寬PN結(jié)的耗盡層（電子移動(dòng)快）而減小擴(kuò)散區(qū)（電子 擴(kuò)散慢），使電子空穴能夠快速通過(guò)耗盡層到達(dá) P和N區(qū)，大大加快響應(yīng)速度。 PIN的探測(cè)效率也很高。PIN探測(cè)器擁有極寬的帶寬，商業(yè)化的超過(guò)了 50GHz。PIN探測(cè)器的結(jié)構(gòu)也 非常簡(jiǎn)單，如圖所示是PIN接受機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，光信號(hào)經(jīng)過(guò) PIN光電探測(cè)器后經(jīng) 射頻放大器，在通過(guò)窄帶濾波器濾波，采樣后經(jīng)閾值判決得到數(shù)據(jù)。器件，一個(gè)光子至多產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，不適合用來(lái)檢測(cè)微弱信號(hào)。對(duì)于10Gbps的0

2、0!信號(hào)，若BER要達(dá)到10八-9，這種接收機(jī)要求需要 6200PPB1。APD是利用雪崩特性制成的高增益光電二極管，APD接收機(jī)原理圖與PIN接 收機(jī)一致。一個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)后發(fā)生碰撞電離效應(yīng)產(chǎn)生了大量電子空 穴對(duì)，因此能夠探測(cè)很微弱的信號(hào)。APD接收機(jī)靈敏度一般比 PIN接收機(jī)好510dB,對(duì)于10Gbps的信號(hào)，誤碼率達(dá)到10八-9需要1000PPB2。APD的噪聲很大，主要是倍增噪聲，而且 APD般需要很高的反向偏壓來(lái) 產(chǎn)生雪崩效應(yīng)。同時(shí)，和PIN相比，APD只有很窄的線性效應(yīng)（光電流和光功率 成比例）。2, 光電倍增管PMT （單光子檢測(cè)）光電倍增管是利用外光電效應(yīng)和二次電子

3、發(fā)射效應(yīng)來(lái)探測(cè)光信號(hào)的電真空 器件，由陰極、電子倍增極、打拿極和收集極陽(yáng)極等構(gòu)成。陰極和陽(yáng)極之間加上 高壓，光子在陰極表面產(chǎn)生光電子，這些光電子被電場(chǎng)加速后通過(guò)倍增系統(tǒng)產(chǎn)生 大量二次電子，經(jīng)陽(yáng)極吸收形成輸出電流。PMT的計(jì)數(shù)頻率可以達(dá)到幾十 MHz,具有高靈敏度和低噪聲的特點(diǎn)，同時(shí) 探測(cè)面積大直徑可達(dá)幾英寸、響應(yīng)速度快上升時(shí)間小于1ns、高增益超過(guò)以及寬譜寬等特點(diǎn)。PMT的量子效率受陰極材料和工作頻率的影響：在紫外和可見(jiàn) 光譜范圍中，材料是GaAsP時(shí)，量子效率可以達(dá)到40%，在近紅外區(qū)域，材料為 GaAsInP時(shí)，量子效率小于1%,限制了 PMT的使用。LCTSX勺LCT終端的接收機(jī)用的是P

4、MT,碲鎘汞APD作為備份接收機(jī)。3, APD接收機(jī)（單光子檢測(cè)）APD單光子檢測(cè)器的原理是讓偏置電壓大于雪崩電壓（即蓋革模式），當(dāng)有光子進(jìn)入時(shí)，會(huì)產(chǎn)生uA甚至mA級(jí)別的光電流。由于任何光子或噪聲都將產(chǎn)生雪崩，所以會(huì)影響對(duì)每個(gè)光子之間的的檢測(cè)，需要電路來(lái)抑制雪崩。如圖2所示， 一般有三種方式來(lái)抑制雪崩，無(wú)源抑制、有緣抑制、門模抑制。無(wú)源抑制就是在 有光子進(jìn)入時(shí)，APD雪崩，里面的結(jié)電容和分布電容通過(guò)電阻放電，然后停止恢 復(fù)到接收光子狀態(tài)。這種模式的計(jì)數(shù)率很慢，由電容放電時(shí)間決定，在幾百ns級(jí)別。有源抑制即利用雪崩信號(hào)的上升沿作為觸發(fā)信號(hào)， 通過(guò)反饋控制驅(qū)動(dòng)電源， 達(dá)到抑制的目的。門模抑制，即在

5、沒(méi)有光子到達(dá)的時(shí)候APD兩端電壓高于雪崩電壓相當(dāng)于門打開(kāi)，沒(méi)有的時(shí)候則關(guān)閉，大大提高APD的性能和壽命。對(duì)APD性能影響最大是暗計(jì)數(shù)，暗計(jì)數(shù)有產(chǎn)生原因有多種，有本身的原因，如熱噪聲， 也有外部原因，如黑體輻射、后脈沖計(jì)數(shù)、隧穿效應(yīng)，門模模式能夠有效減小后 脈沖計(jì)數(shù)和熱噪聲，因此門模模式為 APD的最佳工作模式。APD單光子計(jì)數(shù)器 噪聲表現(xiàn)為暗計(jì)數(shù)和變化的量子效率， 在一個(gè)門時(shí)間內(nèi)最多測(cè)一個(gè)光子，且在門 關(guān)閉時(shí)間內(nèi)無(wú)法接受光子，限制了靈敏度。3可見(jiàn)光頻段Si-APD量子效率可以達(dá)到85%, Ge-APD工作在8001550nm波 段，InGaAs-APD工作在9001700nm波段，在1550n

6、m窗口應(yīng)用較多，量子效率 多為10%20%暗計(jì)數(shù)大多在KHz量級(jí)。IIA”如圖3所示是各種探測(cè)器參考性能對(duì)比圖，圖中可以看出PMT光電倍增管）暗計(jì)數(shù)較高，Si-A PD主要工作在可見(jiàn)光波段。In GaAs-A PD單光子計(jì)數(shù)器的量子 效率可以達(dá)到20%暗計(jì)數(shù)也較低，但是重復(fù)頻率不高，超導(dǎo)納米線單光子探測(cè) 器SSPD的重復(fù)頻率很高，暗計(jì)數(shù)很低，量子效率較低。該圖只是作為參考，比 如后面講到SSPD1過(guò)一些方法量子效率能達(dá)到很高。探鷹器工作(nm)應(yīng)用波段Ciun)量子效率工作頻率(Hz)暗計(jì)數(shù)(/)PMT500-1050600-80030%10X1(/2X| elemenl, 4 pm x 4.

7、2 pm detector - flrfl mitt MbW鉗卻朝 FWff 刪胡1*如 IWHMzO1 -.011十.：八/_2 pm K 4 2 ipm/deletdora/ Single 4 pmi x 4 2 jjiri iXeclOr產(chǎn)/f /圖4（1） 4元超導(dǎo)納米線結(jié)構(gòu)（2）脈沖寬度和探測(cè)效率關(guān)系圖5, 超導(dǎo)體轉(zhuǎn)換邊緣傳感器TES（單光子檢測(cè)）這種單光子探測(cè)器的工作原理是讓超導(dǎo)體工作在超導(dǎo)狀態(tài)下， 當(dāng)入射光入射 到生長(zhǎng)在絕緣襯底上的超導(dǎo)薄膜并被吸收， 溫度上升轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，由于環(huán)境的 低溫再次回到超導(dǎo)態(tài)，此時(shí)監(jiān)測(cè)電阻率的變化就能實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)。TES的量子效率能做到非常的高，達(dá)到

8、 90%,而且暗計(jì)數(shù)非常的低，甚至可 以實(shí)現(xiàn)光子數(shù)分辨功能，但是有個(gè)明顯的缺點(diǎn)是由于超導(dǎo)體材料再次冷卻到超導(dǎo) 狀態(tài)時(shí)間較長(zhǎng)，重復(fù)頻率較低，僅在 KHz量級(jí)。6,前置放大直接檢測(cè)（直接檢測(cè)）圖5（ 1）是普通前置放大器的接收機(jī)模型，圖 5（ 2）是采用平衡接收的前 置放大器接收機(jī)模型。文獻(xiàn)中提到了這種接收機(jī)在Gbps速率下，對(duì)未編碼的 DPSK（DPSK對(duì)靈敏度的要求和 4-PPM差不多，均相對(duì)00K有3dB優(yōu)勢(shì)）靈敏度 達(dá)25-30PPBBER應(yīng)該是10八-9）,對(duì)編碼的DPSK靈敏度達(dá)7-8PPB,而對(duì)于M-PPM, M較大或者帶寬擴(kuò)展系數(shù)較大（即降低帶寬利用率）的情況下可以實(shí)現(xiàn)1-2PPB

9、而且通過(guò)WDM可以很容易的實(shí)現(xiàn)Tbps的速率。光放大器的ASE放大器自發(fā)輻 射噪聲）噪聲對(duì)接收機(jī)性能影響很大。8LLCD項(xiàng)目中LLST衛(wèi)星終端的接收機(jī)采用的是前置放大直接檢測(cè)接收機(jī)接收 4-PPM信號(hào)。如圖6所示，光信號(hào)經(jīng)放大濾波后由 PD轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再放大后 一路經(jīng)一個(gè)時(shí)隙與自己混合，得到差信號(hào)和和信號(hào)，分別經(jīng)兩個(gè)時(shí)隙延時(shí)后與自 己進(jìn)入判決電路得到信號(hào)的高位和低位，實(shí)現(xiàn)解調(diào) 10。LCRD項(xiàng)目也將使用與 此類似的前置放大直接檢測(cè)接收機(jī)，并且同時(shí)有DPSK和PPM兩種調(diào)制方式的收?qǐng)D6 LLST前置放大直接檢測(cè)接收機(jī)零差接收是指本地RF信號(hào)提取出來(lái)。RF信號(hào)提取8寫到在6Gbps未7,相干接收

10、機(jī)（相干檢測(cè)）相干接收機(jī)有兩種，一種是零差接收，一種是外差接收。 振蕩器與接收信號(hào)光同頻，經(jīng)混頻濾波后將調(diào)制在光信號(hào)上的 而外差接收指本地振蕩器與光信號(hào)不同頻，經(jīng)混頻后用特殊方法將 出來(lái)，外差接收在空間光通信中應(yīng)用較少，不再贅述。文獻(xiàn)PSK零差系統(tǒng)只編碼PSK接收機(jī)靈敏度要求35PPB 8Gpbs時(shí)要求為80PPB和前置放大DPSK 幾乎沒(méi)有區(qū)別，在小于 Gbps速率下則比DPSK更好一些，在4和565Mbps速率 下分別是16和20PPB從理論上講，PSK的零差接收機(jī)會(huì)優(yōu)于 DPSK2咅，優(yōu)于 OOK4倍，其中2倍是由于從星座圖看出0和1信號(hào)距離是OOK的2倍，另外2 倍則是零差相干接收提供

11、的更高的靈敏度。 實(shí)際上由于各種原因 比前置放大DPSK接收機(jī)略好，而且需要復(fù)雜的鎖相系統(tǒng)。7所示。種子光源BPSK零差解調(diào)系歐洲LCTSX項(xiàng)目的LCT終端使用的零差相干接收，工作原理如圖經(jīng)相位調(diào)制器和光放大器發(fā)射到信道，接收機(jī)是基于光學(xué)costas鎖相的 振和接收信號(hào)光干涉，拍出 RF信號(hào)，再經(jīng)濾波得到 RF信號(hào)。COWFDrilna mrxrLI QWPFin*沖EJ蟻MnorPMJ CotKirwvt1 BMlWfr - TLOLWPriJHMafUnrqrr4EHridlMimrOptics UnitWKfrqifciinr參考文獻(xiàn)1 S.B. Alexa nder. Op tical

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