桂工光纖通信CH3光接收機(final)

1、CH 3光纖通信B授課老師：覃國車授課老師：覃國車Email：2015年秋年秋CH 3教材教材：顧畹儀，：顧畹儀，光纖通信光纖通信（第（第2 2版），版），人民郵電出版社，人民郵電出版社，20112011。參考書參考書：1.Joseph C. Palais1.Joseph C. Palais，光纖通信光纖通信（第（第5 5版），版），電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，20152015。2.2.王輝王輝 等，等，光纖通信光纖通信( (第第3 3版版) )電子工業(yè)出版電子工業(yè)出版社，社，20142014。3.3.馬麗華馬麗華 等，等，光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)北京郵電大學(xué)出版社，出版社，2

2、0092009。CH 3第3章 光接收機1.1.光電檢測器光電檢測器2.2.直接檢測光接收機直接檢測光接收機3.3.相干檢測光接收機相干檢測光接收機4.4.光接收機的主要性能指標(biāo)光接收機的主要性能指標(biāo)CH 3什么是光接收機？什么是光接收機？CH 3什么是光接收機？什么是光接收機？CH 3光接收機的作用光接收機的作用光信號在光纖中經(jīng)過長距離傳輸，會受到光信號在光纖中經(jīng)過長距離傳輸，會受到損耗、色散和損耗、色散和非線性非線性的影響，不僅的影響，不僅幅度被衰減幅度被衰減，而且脈沖的，而且脈沖的波形被展寬和波形被展寬和變形變形。因此，光接收機的首要任務(wù)是：。因此，光接收機的首要任務(wù)是：1.要能探測到微

3、弱光信號，按照某種規(guī)律將光信要能探測到微弱光信號，按照某種規(guī)律將光信號轉(zhuǎn)換成電信號（號轉(zhuǎn)換成電信號（光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換）。）。2.要能對光電轉(zhuǎn)換生產(chǎn)的電信號進(jìn)行要能對光電轉(zhuǎn)換生產(chǎn)的電信號進(jìn)行整形、放大整形、放大以及再生以及再生。CH 3光接收機的分類光接收機的分類1.直接檢測接收機直接檢測接收機特點：特點：1.沒有本振激光器，實現(xiàn)簡單，成本低；沒有本振激光器，實現(xiàn)簡單，成本低；2.只能檢測光信號的強度信息。只能檢測光信號的強度信息。CH 3光接收機的分類光接收機的分類2.相干檢測接收機相干檢測接收機特點：特點：1.有本振激光器，實現(xiàn)復(fù)雜；有本振激光器，實現(xiàn)復(fù)雜；2.能檢測光信號的相位信息。能檢測

4、光信號的相位信息。CH 3光光CATVCATV接收模塊接收模塊PINPIN光光電電二二極極管管 CH 3一、光電檢測器一、光電檢測器光電檢測器負(fù)責(zé)對光進(jìn)行解調(diào)，實現(xiàn)將光信號轉(zhuǎn)光電檢測器負(fù)責(zé)對光進(jìn)行解調(diào)，實現(xiàn)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光電轉(zhuǎn)換功能。換成電信號的光電轉(zhuǎn)換功能。CH 3一、光電檢測器一、光電檢測器光纖通信系統(tǒng)對光電檢測器的要求：光纖通信系統(tǒng)對光電檢測器的要求：(1)(1) 波長波長響應(yīng)要和光纖低損耗窗口（響應(yīng)要和光纖低損耗窗口（0.85m0.85m、1.31m1.31m和和1.55m1.55m）相一致；）相一致；(2) (2) 響應(yīng)度要高響應(yīng)度要高，在一定的接收光功率，在一定的接收光功率

5、下能下能產(chǎn)產(chǎn)生最大的光電流；生最大的光電流；(3) (3) 響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快，滿足高工作碼速要求；，滿足高工作碼速要求；(4) (4) 噪聲要盡可能低噪聲要盡可能低，能接收極微弱的光信號；，能接收極微弱的光信號；(5) (5) 性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，功耗和體性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，功耗和體積小。積小。CH 3一、光電檢測器一、光電檢測器光電檢測原理光電檢測原理CH 3一、光電檢測器一、光電檢測器光電檢測原理光電檢測原理CH 3一、光電檢測器一、光電檢測器光電檢測原理光電檢測原理CH 3一、光電檢測器一、光電檢測器光電檢測原理光電檢測原理CH 3一、光電檢測器一、光電檢測器光電檢測

6、原理光電檢測原理CH 3一、光電檢測器一、光電檢測器光電檢測原理光電檢測原理（一）漂移電流（一）漂移電流(1)(1) 產(chǎn)生電子產(chǎn)生電子空穴對：空穴對：當(dāng)入射光子能量大于當(dāng)入射光子能量大于禁帶寬度禁帶寬度能量；能量；(2) (2) 產(chǎn)生電流產(chǎn)生電流：施加反向電壓。：施加反向電壓。CH 3一、光電檢測器一、光電檢測器光電檢測原理光電檢測原理（二）擴(kuò)散電流（二）擴(kuò)散電流熱運動引起熱運動引起PNPN結(jié)外的中性區(qū)的空穴和電子擴(kuò)散結(jié)外的中性區(qū)的空穴和電子擴(kuò)散至至PNPN結(jié)中，在高場力的驅(qū)使下運動產(chǎn)生了與漂移電結(jié)中，在高場力的驅(qū)使下運動產(chǎn)生了與漂移電流方向相同的流方向相同的擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流。高阻區(qū)高阻區(qū)中性

7、區(qū)中性區(qū)CH 3一、光電檢測器一、光電檢測器光電檢測原理光電檢測原理（三）幾個要思考的問題（三）幾個要思考的問題光電轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率1.1.光子在耗盡層被吸收，在高場力的驅(qū)使下易于光子在耗盡層被吸收，在高場力的驅(qū)使下易于收集載流子。收集載流子。2.2.光子在中性區(qū)被吸收，不易于收集載流子。光子在中性區(qū)被吸收，不易于收集載流子。CH 3一、光電檢測器一、光電檢測器光電檢測原理光電檢測原理（三）幾個要思考的問題（三）幾個要思考的問題響應(yīng)時間響應(yīng)時間1.1. 載流子穿越耗盡層需要時間。載流子穿越耗盡層需要時間。2.2.渡越時間與耗盡層寬度和反向電壓有關(guān)。渡越時間與耗盡層寬度和反向電壓有關(guān)。CH

8、3二、二、PIN光電二極管光電二極管（一）結(jié)構(gòu)特點（一）結(jié)構(gòu)特點1.增加光電轉(zhuǎn)換效率：增加光電轉(zhuǎn)換效率：（1）I層很寬，層很寬，P+、N+區(qū)很薄區(qū)很薄。（2）P+區(qū)表面鍍有抗反射膜。區(qū)表面鍍有抗反射膜。2.提高響應(yīng)速度：提高響應(yīng)速度：I層是一個接近于本征半導(dǎo)體層是一個接近于本征半導(dǎo)體的低摻雜的低摻雜N區(qū)，區(qū)，反向電壓完全施反向電壓完全施加在加在I區(qū)區(qū)， P+、N+ 為為零場區(qū)零場區(qū)。CH 3二、二、PIN光電二極管光電二極管（二）光譜特性（二）光譜特性1.1.上截止波長上截止波長：受激吸收的條件：受激吸收的條件，所以上截，所以上截止波長定義為：止波長定義為：CH 3二、二、PIN光電二極管光電

9、二極管（二）光譜特性（二）光譜特性CH 3二、二、PIN光電二極管光電二極管（二）光譜特性（二）光譜特性2.2.下截止波長下截止波長：當(dāng)入射：當(dāng)入射波長太短時，大量光子在零波長太短時，大量光子在零場區(qū)被吸收場區(qū)被吸收，光電轉(zhuǎn)換效率會下降。經(jīng)過，光電轉(zhuǎn)換效率會下降。經(jīng)過x x距離后吸距離后吸收的光功率為：收的光功率為：P(xP(x) = P(0) 1 e) = P(0) 1 e- - ( ( )x)x SiSi材料的材料的PDPD：0.5-1.0 0.5-1.0 mm Ge Ge 或或InGaAsInGaAs材料：材料：1.1-1.6 1.1-1.6 mmCH 3二、二、PIN光電二極管光電二極

10、管（二）光電轉(zhuǎn)換效率（二）光電轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率是指光電轉(zhuǎn)換效率是指PINPIN光電二極管將入射光能轉(zhuǎn)換光電二極管將入射光能轉(zhuǎn)換成電能的效率。通常用量子效率和響應(yīng)度參數(shù)來衡量。成電能的效率。通常用量子效率和響應(yīng)度參數(shù)來衡量。 1.1.量子效率量子效率: : 定義為單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光生定義為單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光生電子空穴對數(shù)與單位時間入射的總光子數(shù)之比。電子空穴對數(shù)與單位時間入射的總光子數(shù)之比。 光電檢測器光電檢測器平均輸出電流平均輸出電流單位電荷量單位電荷量光電檢測器光電檢測器平均輸入光功率平均輸入光功率單個光子能量單個光子能量CH 3二、二、PIN光電二極管光電二極管（二）光電轉(zhuǎn)換效率（二）

11、光電轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率是指光電轉(zhuǎn)換效率是指PINPIN光電二極管將入射光能轉(zhuǎn)換光電二極管將入射光能轉(zhuǎn)換成電能的效率。通常用量子效率和響應(yīng)度參數(shù)來衡量。成電能的效率。通常用量子效率和響應(yīng)度參數(shù)來衡量。2.2.響應(yīng)響應(yīng)度度: : 定義為光生電流與入射光功率之比定義為光生電流與入射光功率之比。CH 3二、二、PIN光電二極管光電二極管（二）光電轉(zhuǎn)換效率（二）光電轉(zhuǎn)換效率0eh CH 3二、二、PIN光電二極管光電二極管（三）響應(yīng)速度（三）響應(yīng)速度光電檢測器不是隨著光功率的輸入而瞬間響應(yīng)生成光電檢測器不是隨著光功率的輸入而瞬間響應(yīng)生成與輸入光功率呈線性關(guān)系的光生電流的，而是有一定與輸入光功率呈線性關(guān)

12、系的光生電流的，而是有一定的響應(yīng)時間。通常的響應(yīng)時間。通常用上升時間和下降時間來表示光電用上升時間和下降時間來表示光電二極管的響應(yīng)速度二極管的響應(yīng)速度。上升時間上升時間：光生電流脈沖前沿由最大幅度的：光生電流脈沖前沿由最大幅度的1010%上升到上升到90%90%所需的時間。所需的時間。下降時間下降時間：光生電流脈沖后沿由最大幅度的：光生電流脈沖后沿由最大幅度的9090%下降到下降到10%10%所需的時間。所需的時間。CH 3二、二、PIN光電二極管光電二極管（三）響應(yīng)速度（三）響應(yīng)速度電路電路RC時間常數(shù)時間常數(shù)PINPIN光電二極管的等效電路圖為：光電二極管的等效電路圖為：有圖可知電路的時間

13、常數(shù)（有圖可知電路的時間常數(shù)（v v從從0 0上升至最大值上升至最大值的的63%63%所需的時間）為所需的時間）為C Cd dR RL L，故上升時間為：，故上升時間為： t tr r = 2.19 C = 2.19 Cd dR RL L光光電電流流二極管結(jié)電容二極管結(jié)電容負(fù)載電阻負(fù)載電阻CH 3二、二、PIN光電二極管光電二極管（三）響應(yīng)速度（三）響應(yīng)速度電路電路RC時間常數(shù)時間常數(shù)其中結(jié)電容其中結(jié)電容C Cd d= = A/wA/w，w w為耗盡層寬度，為耗盡層寬度，A A為結(jié)區(qū)有為結(jié)區(qū)有效面積。效面積。t tr r = 2.19 C = 2.19 Cd dR RL LCH 3二、二、PI

14、N光電二極管光電二極管（三）響應(yīng)速度（三）響應(yīng)速度載流子在耗盡層的渡越時間載流子在耗盡層的渡越時間在耗盡區(qū)里產(chǎn)生的電子在耗盡區(qū)里產(chǎn)生的電子- -空六對在電場的作用下進(jìn)空六對在電場的作用下進(jìn)行漂移運動。漂移運動的速度與電場強度有關(guān)。行漂移運動。漂移運動的速度與電場強度有關(guān)。當(dāng)電場較低時，漂移運動的速度正比于電場強度當(dāng)電場較低時，漂移運動的速度正比于電場強度E。當(dāng)電場強度達(dá)到某一值當(dāng)電場強度達(dá)到某一值Es（大約為（大約為106 Vm）后，載）后，載流子的漂移運動的速度不再變化，即達(dá)到極限漂移速流子的漂移運動的速度不再變化，即達(dá)到極限漂移速度。若想使載流子能以極限漂移速度渡越耗盡區(qū)，反度。若想使載流

15、子能以極限漂移速度渡越耗盡區(qū)，反向偏壓須滿足：向偏壓須滿足：V EsW 。CH 3二、二、PIN光電二極管光電二極管（三）響應(yīng)速度（三）響應(yīng)速度擴(kuò)散運動引起的時間延遲擴(kuò)散運動引起的時間延遲若在若在零電場的表層里產(chǎn)生較多的電子零電場的表層里產(chǎn)生較多的電子- -空穴對空穴對，那，那么其中的一部分將被復(fù)合掉，么其中的一部分將被復(fù)合掉，還有一部分先擴(kuò)散到耗還有一部分先擴(kuò)散到耗盡區(qū)，然后被電路吸收。盡區(qū)，然后被電路吸收。CH 3二、二、PIN光電二極管光電二極管（三）響應(yīng)速度（三）響應(yīng)速度擴(kuò)散運動引起的時間延遲擴(kuò)散運動引起的時間延遲這部分載流子作擴(kuò)散運動的附加時延會這部分載流子作擴(kuò)散運動的附加時延會使檢

16、測器輸使檢測器輸出的電脈沖的下降沿的拖尾加長出的電脈沖的下降沿的拖尾加長，從而明顯地響應(yīng)光，從而明顯地響應(yīng)光電二極管的響應(yīng)速度。電二極管的響應(yīng)速度。CH 3二、二、PIN光電二極管光電二極管（三）響應(yīng)速度（三）響應(yīng)速度影響響應(yīng)速度的主要因素有：影響響應(yīng)速度的主要因素有：l 光電二極管結(jié)電容及其負(fù)載電阻的光電二極管結(jié)電容及其負(fù)載電阻的RCRC時間常數(shù)時間常數(shù)l 載流子在耗盡區(qū)里的載流子在耗盡區(qū)里的渡越時間渡越時間l 耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子由于擴(kuò)散而產(chǎn)生的時間延遲耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子由于擴(kuò)散而產(chǎn)生的時間延遲 l 由于漂移運動速度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散運動速度，故漂移運由于漂移運動速度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散運動速度，故漂移運

17、動的渡越時間不是影響動的渡越時間不是影響PINPIN響應(yīng)速度的主要因素。響應(yīng)速度的主要因素。CH 3三、雪崩光電二極管（三、雪崩光電二極管（APD）在長途光纖通信系統(tǒng)中僅有毫瓦級的光功率從在長途光纖通信系統(tǒng)中僅有毫瓦級的光功率從光發(fā)射機輸出，經(jīng)過幾十光發(fā)射機輸出，經(jīng)過幾十kmkm光纖的傳輸衰減，到光纖的傳輸衰減，到達(dá)光接收機處的光信號將變得十分微弱。達(dá)光接收機處的光信號將變得十分微弱。為了使光接收機的判決電路正為了使光接收機的判決電路正常工作，應(yīng)該采取什么措施？常工作，應(yīng)該采取什么措施？在光電轉(zhuǎn)換之后采用多級放大：引入額外噪聲！在光電轉(zhuǎn)換之后采用多級放大：引入額外噪聲！提高光電轉(zhuǎn)換效率，使光電

18、轉(zhuǎn)換輸出的電信號足夠大。提高光電轉(zhuǎn)換效率，使光電轉(zhuǎn)換輸出的電信號足夠大。CH 3三、雪崩光電二極管（三、雪崩光電二極管（APD）（一）工作原理（一）工作原理光電效應(yīng)光電效應(yīng) + + 碰撞電離碰撞電離 = = 雪崩雪崩倍增倍增效應(yīng)效應(yīng)一次電子一次電子空穴對空穴對二次電子二次電子空穴對空穴對APDAPD在結(jié)構(gòu)上被設(shè)計成能夠承受高反向偏壓在結(jié)構(gòu)上被設(shè)計成能夠承受高反向偏壓CH 3三、雪崩光電二極管（三、雪崩光電二極管（APD）（二）平均雪崩增益（二）平均雪崩增益平均平均雪崩增益定義為雪崩增益定義為: : 倍增后輸出電流的平均值倍增后輸出電流的平均值一次光電流一次光電流一般一般APDAPD的倍增因子在

19、的倍增因子在4040100100之間。之間。APDAPD的響應(yīng)的響應(yīng)度比度比PINPIN增加了增加了G G倍倍. .CH 3三、雪崩光電二極管（三、雪崩光電二極管（APD）（二）平均雪崩增益（二）平均雪崩增益反 向偏壓 U光電 流暗電流輸出光 電流 I00UBCH 3三、雪崩光電二極管（三、雪崩光電二極管（APD）（二）平均雪崩增益（二）平均雪崩增益CH 3三、雪崩光電二極管（三、雪崩光電二極管（APD）（三）結(jié)構(gòu)特點（三）結(jié)構(gòu)特點CH 3三、雪崩光電二極管（三、雪崩光電二極管（APD）（三）結(jié)構(gòu)特點（三）結(jié)構(gòu)特點CH 3三、雪崩光電二極管（三、雪崩光電二極管（APD）（三）結(jié)構(gòu)特點（三）結(jié)構(gòu)

20、特點拉通型拉通型CH 3三、雪崩光電二極管（三、雪崩光電二極管（APD）（三）結(jié)構(gòu)特點（三）結(jié)構(gòu)特點拉通型拉通型CH 3PIN光電二極管和光電二極管和APD的比較的比較材料材料結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)上升時上升時間間(ns)波長波長(nm)響應(yīng)度響應(yīng)度(A/W)增益增益暗電流暗電流(nA)硅硅PIN0.5300-11000.511硅硅APD0.5400-10007515015鍺鍺PIN0.1500-18000.71200鍺鍺APD11000-16003550700InGaAsPIN0.3900-17000.6110InGaAsAPD0.251000H 3四、直接檢測光接收機四、直接檢

21、測光接收機直接檢測（直接檢測（DDDD）的數(shù)字光接收機框圖）的數(shù)字光接收機框圖 光光電電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換整形、放大、再生整形、放大、再生CH 3四、直接檢測光接收機四、直接檢測光接收機功能功能：把接收到的光信號轉(zhuǎn)化成電信號。：把接收到的光信號轉(zhuǎn)化成電信號。通常為通常為PINPIN光電二極管（輸入光功率超過光電二極管（輸入光功率超過1 1W W）和）和A APDPD，輸出電流一般在，輸出電流一般在A A數(shù)數(shù)量量級級, ,必須將這個微弱的電必須將這個微弱的電流經(jīng)負(fù)載電阻建立起信號電壓后送入前置放大器放大流經(jīng)負(fù)載電阻建立起信號電壓后送入前置放大器放大 。CH 3四、直接檢測光接收機四、直接檢測光接收機功能功

22、能：對光電檢測器產(chǎn)生的微弱電流信號進(jìn)行放大。：對光電檢測器產(chǎn)生的微弱電流信號進(jìn)行放大。由于前端噪聲對整個放大器輸出噪聲影響甚大，因此由于前端噪聲對整個放大器輸出噪聲影響甚大，因此前置放大器必須是前置放大器必須是低噪聲和高帶寬低噪聲和高帶寬的。前置放大器輸出的。前置放大器輸出電流一般在電流一般在mVmV數(shù)量級。數(shù)量級。CH 3四、直接檢測光接收機四、直接檢測光接收機功能功能：提供高的增益，將前置放大器的輸出信號放大：提供高的增益，將前置放大器的輸出信號放大到適合于判決電路所需的電平。到適合于判決電路所需的電平。主放大器的主放大器的輸輸出信出信號號一般一般為為1V1V3V(3V(峰峰峰峰值值) )

23、。 。CH 3四、直接檢測光接收機四、直接檢測光接收機功能功能：對主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號進(jìn)行：對主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號進(jìn)行整整形形，使之成為，使之成為最有利于判決、碼間干擾最小最有利于判決、碼間干擾最小的升余弦波形。的升余弦波形。CH 3四、直接檢測光接收機四、直接檢測光接收機功能功能：控制主放大器的增益，在接收機平均入射功率：控制主放大器的增益，在接收機平均入射功率很大時把放大器的增益自動控制在固定的輸出電平上。很大時把放大器的增益自動控制在固定的輸出電平上。變換成與輸入信號的峰值成比例的直流信號變換成與輸入信號的峰值成比例的直流信號CH 3四、直接檢測光接收機四、直接檢

24、測光接收機功能功能：判決均衡器輸出的碼是：判決均衡器輸出的碼是“0”0”還是還是“1”1”。 CH 3四、直接檢測光接收機四、直接檢測光接收機功能功能：為了精確地確定：為了精確地確定“判決時刻判決時刻”，需要從信號碼，需要從信號碼流中提取準(zhǔn)確的時鐘信息作為標(biāo)定，以保證與發(fā)送端一致。流中提取準(zhǔn)確的時鐘信息作為標(biāo)定，以保證與發(fā)送端一致。 信號碼流信號碼流CH 3四、直接檢測光接收機四、直接檢測光接收機功能功能：若判決結(jié)果為：若判決結(jié)果為“1”1”，則由再生電路重新產(chǎn)生一，則由再生電路重新產(chǎn)生一個矩形地個矩形地“1”1”脈沖；如果判決結(jié)果為脈沖；如果判決結(jié)果為“0”0”，則由再生電，則由再生電路產(chǎn)生

25、一個路產(chǎn)生一個“0”0”。如果在發(fā)射端進(jìn)行了線路編碼（或擾。如果在發(fā)射端進(jìn)行了線路編碼（或擾亂），在接收端需要有相應(yīng)的譯碼（或解擾）電路。亂），在接收端需要有相應(yīng)的譯碼（或解擾）電路。 CH 3五、光接收機的主要性能指標(biāo)五、光接收機的主要性能指標(biāo)誤碼率誤碼率是指在一定的時間間隔內(nèi)，發(fā)生差錯的脈沖是指在一定的時間間隔內(nèi)，發(fā)生差錯的脈沖數(shù)和在這個時間間隔內(nèi)傳輸?shù)目偯}沖數(shù)之比。數(shù)和在這個時間間隔內(nèi)傳輸?shù)目偯}沖數(shù)之比。（一）誤碼率（一）誤碼率光纖通信系統(tǒng)的誤碼率較低，典型誤碼率范圍是光纖通信系統(tǒng)的誤碼率較低，典型誤碼率范圍是1010-9-9到到1010-12-12。光接收機的誤碼來自于系統(tǒng)的光接收機的

26、誤碼來自于系統(tǒng)的各種噪聲和干擾各種噪聲和干擾。這。這種噪聲經(jīng)接收機轉(zhuǎn)換為電流噪聲疊加在接收機前端的種噪聲經(jīng)接收機轉(zhuǎn)換為電流噪聲疊加在接收機前端的信號上。信號上。CH 3五、光接收機的主要性能指標(biāo)五、光接收機的主要性能指標(biāo)接收靈敏度接收靈敏度S Sr r ：在一定誤碼率條件（：在一定誤碼率條件（BER=10BER=109 9）下，接收機能檢測到的最小平均信號光功率下，接收機能檢測到的最小平均信號光功率P Pminmin。在。在工程上常用相對功率值（工程上常用相對功率值（dBmdBm）來表示，即）來表示，即 （二）靈敏度（二）靈敏度CH 3五、光接收機的主要性能指標(biāo)五、光接收機的主要性能指標(biāo)靈敏度

27、主要取決于靈敏度主要取決于光電檢測器的響應(yīng)度光電檢測器的響應(yīng)度以及檢測器以及檢測器和放大器引入的和放大器引入的噪聲噪聲。（二）靈敏度（二）靈敏度影響因素之一影響因素之一0eh CH 3五、光接收機的主要性能指標(biāo)五、光接收機的主要性能指標(biāo)噪聲主要來自于檢測器和放大器引入的噪聲，有以噪聲主要來自于檢測器和放大器引入的噪聲，有以下幾種類型：下幾種類型：（二）靈敏度（二）靈敏度影響因素之一影響因素之一1 1散粒噪聲散粒噪聲：當(dāng)光進(jìn)入光電二極管時，：當(dāng)光進(jìn)入光電二極管時，光子的產(chǎn)光子的產(chǎn)生和結(jié)合具有統(tǒng)計特性，使得實際電子數(shù)圍繞平均值生和結(jié)合具有統(tǒng)計特性，使得實際電子數(shù)圍繞平均值的起伏的起伏，這種噪聲稱為

28、散粒噪聲。，這種噪聲稱為散粒噪聲。2 2熱噪聲熱噪聲：起源于電阻內(nèi)的電子的熱運動起源于電阻內(nèi)的電子的熱運動，即使，即使沒有外加電壓，由于電子熱運動的隨機性，使得電子沒有外加電壓，由于電子熱運動的隨機性，使得電子的瞬間數(shù)目圍繞它的平均值起伏。的瞬間數(shù)目圍繞它的平均值起伏。CH 3五、光接收機的主要性能指標(biāo)五、光接收機的主要性能指標(biāo)噪聲主要來自于檢測器和放大器引入的噪聲，有以噪聲主要來自于檢測器和放大器引入的噪聲，有以下幾種類型：下幾種類型：（二）靈敏度（二）靈敏度影響因素之一影響因素之一暗電流暗電流：光電二極管在反偏壓條件下，即使處于沒：光電二極管在反偏壓條件下，即使處于沒有光照的環(huán)境中，電路中

29、也會有反向直流電流，叫做有光照的環(huán)境中，電路中也會有反向直流電流，叫做暗電流。暗電流。3 3暗電流噪聲暗電流噪聲：對一個接收機來說，對一個接收機來說，暗電流決定暗電流決定了其可探測的信號功率水平的噪聲基底了其可探測的信號功率水平的噪聲基底。暗電流的典。暗電流的典型值為幾型值為幾nAnA。如果暗電流達(dá)到了。如果暗電流達(dá)到了100nA100nA，可能會引起，可能會引起嚴(yán)重的問題。嚴(yán)重的問題。CH 3五、光接收機的主要性能指標(biāo)五、光接收機的主要性能指標(biāo)比特速率比特速率對接收機靈敏度的影響：對接收機靈敏度的影響：（二）靈敏度（二）靈敏度影響因素之二影響因素之二隨著隨著比特速率的增加比特速率的增加，放大

30、器和均衡濾波器的帶，放大器和均衡濾波器的帶寬增加，寬增加，噪聲等效帶寬也隨之增大噪聲等效帶寬也隨之增大，造成光電檢測，造成光電檢測器和放大器引入的器和放大器引入的噪聲影響加劇噪聲影響加劇，導(dǎo)致光接收機，導(dǎo)致光接收機靈靈敏度下降敏度下降。CH 3五、光接收機的主要性能指標(biāo)五、光接收機的主要性能指標(biāo)輸入波形輸入波形對接收機靈敏度的影響：對接收機靈敏度的影響：（二）靈敏度（二）靈敏度影響因素之四影響因素之四1.1.在比特速率一定的情況下，輸入脈沖波形越窄，在比特速率一定的情況下，輸入脈沖波形越窄，所需的接收機靈敏度越高。所需的接收機靈敏度越高。2.2.在比特速率一定的情況下，發(fā)送歸零碼型時接在比特速

31、率一定的情況下，發(fā)送歸零碼型時接收機所需的靈敏度比非歸零碼型要高。收機所需的靈敏度比非歸零碼型要高。CH 3五、光接收機的主要性能指標(biāo)五、光接收機的主要性能指標(biāo)消光比消光比對接收機靈敏度的影響：對接收機靈敏度的影響：（二）靈敏度（二）靈敏度影響因素之四影響因素之四CH 3五、光接收機的主要性能指標(biāo)五、光接收機的主要性能指標(biāo)光接收機的動態(tài)范圍光接收機的動態(tài)范圍D D：在保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)：在保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)要求下，接收機的最低輸出光功率（用要求下，接收機的最低輸出光功率（用dBmdBm來描述）來描述）和最大允許輸入光功率（用和最大允許輸入光功率（用dBmdBm來描述）之差。來描述）之差。（

32、三）動態(tài)范圍（三）動態(tài)范圍低于這個動態(tài)范圍的下限（即靈敏度）低于這個動態(tài)范圍的下限（即靈敏度）, ,將產(chǎn)生過將產(chǎn)生過大的誤碼；高于這個動態(tài)范圍的上限（即接收機的過大的誤碼；高于這個動態(tài)范圍的上限（即接收機的過載功率），在判決時亦將造成過大的誤碼。載功率），在判決時亦將造成過大的誤碼。數(shù)字光接數(shù)字光接收機的動態(tài)范圍一般應(yīng)大于收機的動態(tài)范圍一般應(yīng)大于15 dB。CH 3六、相干檢測光接收機六、相干檢測光接收機 相干光通信的定義相干光通信的定義相干光通信相干光通信：在發(fā)射端對光載波進(jìn)行幅度、頻率或：在發(fā)射端對光載波進(jìn)行幅度、頻率或相位調(diào)制，在接收端，則采用零差檢測或外差檢測等相位調(diào)制，在接收端，則采

33、用零差檢測或外差檢測等相干檢測技術(shù)進(jìn)行信息接收的通信方式。相干檢測技術(shù)進(jìn)行信息接收的通信方式。信號光信號光混頻器混頻器基帶信號基帶信號s sL LCH 3（一）相干檢測方式的分類（一）相干檢測方式的分類六、六、相干檢測相干檢測光接收機光接收機 1. 1.零差檢測零差檢測選擇選擇L L=s s, ,即即IFIF=0=0。零差檢測接收光功率可以零差檢測接收光功率可以放大幾個數(shù)量級，雖然噪聲也增大，但仍能使靈敏放大幾個數(shù)量級，雖然噪聲也增大，但仍能使靈敏度大幅提高，但技術(shù)復(fù)雜，必須嚴(yán)格控制相位。度大幅提高，但技術(shù)復(fù)雜，必須嚴(yán)格控制相位。 CH 3（一）相干檢測方式的分類（一）相干檢測方式的分類六、六

34、、相干檢測相干檢測光接收機光接收機 2. 2.外差檢測外差檢測 選擇選擇Ls,即即IF= s L 0。外差檢測外差檢測也能提高靈敏度，信噪比改善比零差檢測低也能提高靈敏度，信噪比改善比零差檢測低3dB，但因無需實現(xiàn)相位鎖定，接收機設(shè)計相對簡但因無需實現(xiàn)相位鎖定，接收機設(shè)計相對簡單。 CH 3（一）相干檢測方式的分類（一）相干檢測方式的分類六、六、相干檢測相干檢測光接收機光接收機 3. 3.同步檢測與異步檢測同步檢測與異步檢測在相干光通信中，帶有相位跟蹤的接收機叫做在相干光通信中，帶有相位跟蹤的接收機叫做同步接收機。沒有相位相位跟蹤的接收機叫做異同步接收機。沒有相位相位跟蹤的接收機叫做異步接收機

35、。異步接收機的性能要差于同步接收機，步接收機。異步接收機的性能要差于同步接收機，但是異步接收機結(jié)構(gòu)簡單，使用成本低。但是異步接收機結(jié)構(gòu)簡單，使用成本低。 CH 3（二）相干接收機的構(gòu)成（二）相干接收機的構(gòu)成六、六、相干檢測相干檢測光接收機光接收機功能功能：使信號光和本振光發(fā)生光場干涉，輸出的光：使信號光和本振光發(fā)生光場干涉，輸出的光信號的信號的中頻信號功率分量中頻信號功率分量攜帶了信號光的攜帶了信號光的幅度、頻率幅度、頻率或相位或相位信息。信息。信號光信號光CH 3（二）相干接收機的構(gòu)成（二）相干接收機的構(gòu)成六、六、相干檢測相干檢測光接收機光接收機功能功能：生成一個和信號光的頻差和相位差保持恒

36、定：生成一個和信號光的頻差和相位差保持恒定的的本振光本振光。信號光信號光CH 3（二）相干接收機的構(gòu)成（二）相干接收機的構(gòu)成六、六、相干檢測相干檢測光接收機光接收機功能功能：光電轉(zhuǎn)換，信號光攜帶信息的參數(shù)（幅度、：光電轉(zhuǎn)換，信號光攜帶信息的參數(shù)（幅度、相位、或頻率）的取值不同，光電檢測器輸出的電流相位、或頻率）的取值不同，光電檢測器輸出的電流信號不同，從而能檢測信號光的不同狀態(tài)。信號不同，從而能檢測信號光的不同狀態(tài)。信號光信號光CH 3（二）相干接收機的構(gòu)成（二）相干接收機的構(gòu)成六、六、相干檢測相干檢測光接收機光接收機功能功能：濾除帶外噪聲，放大信號，提高信噪比。：濾除帶外噪聲，放大信號，提高

37、信噪比。信號光信號光CH 3（二）相干接收機的構(gòu)成（二）相干接收機的構(gòu)成六、六、相干檢測相干檢測光接收機光接收機功能功能：從反饋信號中提取控制分量用于控制本振激：從反饋信號中提取控制分量用于控制本振激光器的頻率和相位，使得本振光和信號光之間的頻差光器的頻率和相位，使得本振光和信號光之間的頻差和相位差保持恒定。和相位差保持恒定。信號光信號光CH 3（二）相干接收機的構(gòu)成（二）相干接收機的構(gòu)成六、六、相干檢測相干檢測光接收機光接收機功能功能：若采用外差檢測，還需要將中頻信號解調(diào)為：若采用外差檢測，還需要將中頻信號解調(diào)為基帶信號?；鶐盘枴Ｐ盘柟庑盘柟釩H 3（三）相干檢測接收機的特點（三）相干檢測

38、接收機的特點六、六、相干檢測相干檢測光接收機光接收機1.1.靈敏度高，中繼距離長靈敏度高，中繼距離長 相干光通信的一個最主要的優(yōu)點是相干檢測能相干光通信的一個最主要的優(yōu)點是相干檢測能改善接收機的靈敏度。由于熱噪聲、暗電流等因素改善接收機的靈敏度。由于熱噪聲、暗電流等因素的影響，的影響，IM/DDIM/DD系統(tǒng)的靈敏度通常比量子極限靈敏度系統(tǒng)的靈敏度通常比量子極限靈敏度低低20dB20dB。而在相干通信系統(tǒng)中，在同等熱噪聲和暗。而在相干通信系統(tǒng)中，在同等熱噪聲和暗電流作用下，電流作用下，通過提高本振光功率可以使靈敏度充通過提高本振光功率可以使靈敏度充分接近量子極限分接近量子極限。CH 3（三）相

39、干檢測接收機的特點（三）相干檢測接收機的特點六、六、相干檢測相干檢測光接收機光接收機 2. 2.選擇性好，通信容量大選擇性好，通信容量大 在相干外差探測中，探測的是信號光和本振光的在相干外差探測中，探測的是信號光和本振光的混頻光，因此混頻光，因此只有在中頻頻帶內(nèi)的噪聲才可以進(jìn)入只有在中頻頻帶內(nèi)的噪聲才可以進(jìn)入系統(tǒng)系統(tǒng)，而其它噪聲均被帶寬較窄的微波中頻放大器，而其它噪聲均被帶寬較窄的微波中頻放大器濾除。可見，外差探測有良好的濾波性能。此外，濾除。可見，外差探測有良好的濾波性能。此外，由于相干探測優(yōu)良的波長選擇性，可用于信道間隔由于相干探測優(yōu)良的波長選擇性，可用于信道間隔小到小到GHzGHz量級的光頻分復(fù)用技術(shù)，量級的光頻分復(fù)用技術(shù)，實現(xiàn)多信道復(fù)用，實現(xiàn)多信道復(fù)用，有效使用光纖帶寬有效使用光纖帶寬。CH 3（三）相干檢測接收機的特點（