光纖通信_(tái)05_光檢測(cè)器與光接收機(jī)

1、光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的基本組成部分之一，光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的基本組成部分之一，主要完成光電檢測(cè)及信號(hào)處理，即實(shí)現(xiàn)光電主要完成光電檢測(cè)及信號(hào)處理，即實(shí)現(xiàn)光電（O/E）轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換光接收機(jī)的首要任務(wù)是將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電光接收機(jī)的首要任務(wù)是將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再對(duì)電信號(hào)進(jìn)行整形、放大以及再生信號(hào)，再對(duì)電信號(hào)進(jìn)行整形、放大以及再生光接收機(jī)的首要部件是光檢測(cè)器，它是影響著光光接收機(jī)的首要部件是光檢測(cè)器，它是影響著光接收機(jī)性能的重要器件接收機(jī)性能的重要器件5.1 光檢測(cè)器光檢測(cè)器5.2 光電二極管光電二極管5.3 光接收機(jī)光接收機(jī)5.4 光中繼器光中繼器 光檢測(cè)器能檢測(cè)出入射其光敏面的光功

2、率，并轉(zhuǎn)光檢測(cè)器能檢測(cè)出入射其光敏面的光功率，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)變化的電流信號(hào)換為相應(yīng)變化的電流信號(hào)光檢測(cè)器有多種類型，如光檢測(cè)器有多種類型，如光電倍增管、熱電檢測(cè)器、光電二極管等光電倍增管、熱電檢測(cè)器、光電二極管等采用半導(dǎo)體材料的光電二極管由于尺寸小、材料采用半導(dǎo)體材料的光電二極管由于尺寸小、材料合適、靈敏度高、響應(yīng)速度快，在光纖通信中得合適、靈敏度高、響應(yīng)速度快，在光纖通信中得到廣泛應(yīng)用到廣泛應(yīng)用目前，較為常用的半導(dǎo)體光檢測(cè)器有目前，較為常用的半導(dǎo)體光檢測(cè)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(jī)的靈敏度，又常將為了提高接收機(jī)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(chǎng)效應(yīng)管（與場(chǎng)效應(yīng)管（FET）組）組合成為合成為PIN-FET和和APD-FET接收機(jī)組件，這樣接收機(jī)組件，這樣它們兼有光電轉(zhuǎn)換和放大作用它們兼有光電轉(zhuǎn)換和放大作用光纖通信系統(tǒng)對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是：光纖通信系統(tǒng)對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是：在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上要有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上要有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，光檢測(cè)器能輸出盡可能大的光電流。入射光功率，光檢測(cè)器能輸出盡可能大的光電流。波長(zhǎng)響應(yīng)要和光纖的三個(gè)低損耗窗口兼容。波長(zhǎng)響應(yīng)要和光纖的三個(gè)低損耗窗口兼容。有足夠高的響應(yīng)速度和足夠的工作帶寬。有足夠高的響應(yīng)速度和

4、足夠的工作帶寬。產(chǎn)生的附加噪聲要盡可能低，能夠接收極微弱的光信號(hào)。產(chǎn)生的附加噪聲要盡可能低，能夠接收極微弱的光信號(hào)。光電轉(zhuǎn)換線性好，保真度高。光電轉(zhuǎn)換線性好，保真度高。工作性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長(zhǎng)。工作性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長(zhǎng)。功耗和體積小，使用簡(jiǎn)便。功耗和體積小，使用簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)成結(jié)構(gòu)成耗盡區(qū)和擴(kuò)散區(qū)均為光耗盡區(qū)和擴(kuò)散區(qū)均為光子的吸收區(qū)子的吸收區(qū)因光而產(chǎn)生的載流子，因光而產(chǎn)生的載流子，所以稱為光生載流子所以稱為光生載流子在耗盡層，由于內(nèi)部電在耗盡層，由于內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向場(chǎng)的作用，電子向N區(qū)區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向運(yùn)動(dòng)，空穴向P

5、區(qū)運(yùn)動(dòng)，區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流形成漂移電流 在耗盡層兩側(cè)是沒(méi)有電場(chǎng)的中性區(qū)，由于熱運(yùn)動(dòng)，在耗盡層兩側(cè)是沒(méi)有電場(chǎng)的中性區(qū)，由于熱運(yùn)動(dòng)，部分光生電子和空穴通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入耗盡部分光生電子和空穴通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入耗盡層，然后在電場(chǎng)作用下，形成和漂移電流相同方層，然后在電場(chǎng)作用下，形成和漂移電流相同方向的擴(kuò)散電流向的擴(kuò)散電流漂移電流分量和擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電漂移電流分量和擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電流流當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之作線性變化，從當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 由于光生載流子擴(kuò)散速度慢于漂移速度，因而將由于光生載流子擴(kuò)散

6、速度慢于漂移速度，因而將引起響應(yīng)時(shí)延，使響應(yīng)電流脈沖后沿拖尾延長(zhǎng)引起響應(yīng)時(shí)延，使響應(yīng)電流脈沖后沿拖尾延長(zhǎng)一般對(duì)光電二極管采用反向偏壓，反向偏壓增加一般對(duì)光電二極管采用反向偏壓，反向偏壓增加了耗盡區(qū)的寬度，從而減少了光生電流中的擴(kuò)散了耗盡區(qū)的寬度，從而減少了光生電流中的擴(kuò)散分量，同時(shí)增強(qiáng)的電場(chǎng)也會(huì)加快光生載流子的漂分量，同時(shí)增強(qiáng)的電場(chǎng)也會(huì)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(yīng)時(shí)間移速度，有利于加快光生載流子的響應(yīng)時(shí)間光生載流子在外加負(fù)偏壓和內(nèi)建電場(chǎng)作用下，電光生載流子在外加負(fù)偏壓和內(nèi)建電場(chǎng)作用下，電子向子向N區(qū)漂移，空穴向區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，在外電路形成光區(qū)漂移，在外電路形成光

7、電流電流 光檢測(cè)器中最普通且實(shí)用是光檢測(cè)器中最普通且實(shí)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(jié)型光電二極管的區(qū)結(jié)型光電二極管的區(qū)別是在別是在P區(qū)和區(qū)和N區(qū)之間的區(qū)域有一層輕摻雜的區(qū)之間的區(qū)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(gè)耗盡區(qū)，在層較厚，幾乎占盡了整個(gè)耗盡區(qū)，在I層兩側(cè)是層兩側(cè)是摻雜濃度很高的摻雜濃度很高的P型和型和N型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，P層和層和N層很層很薄薄這種設(shè)計(jì)，使得絕大部分的入射光在這種設(shè)計(jì)，使得絕大部分的入射光在I層（耗盡區(qū)）層（耗盡區(qū)）

8、內(nèi)被吸收并產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)（光生載流內(nèi)被吸收并產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)（光生載流子）子）耗盡區(qū)的耗盡區(qū)的高電場(chǎng)高電場(chǎng)使得電子空穴對(duì)立即分開(kāi)并在使得電子空穴對(duì)立即分開(kāi)并在反向偏置電壓的作用下向兩端流動(dòng)，然后在邊界反向偏置電壓的作用下向兩端流動(dòng)，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(dǎo)體材料中，光功率的吸收呈指數(shù)規(guī)律，即在半導(dǎo)體材料中，光功率的吸收呈指數(shù)規(guī)律，即根據(jù)量子力學(xué)原理可知，每個(gè)在能級(jí)之間躍遷的根據(jù)量子力學(xué)原理可知，每個(gè)在能級(jí)之間躍遷的電子只能吸收一個(gè)光子電子只能吸收一個(gè)光子要產(chǎn)生光電流，入射光子的能量必須至少等于禁要產(chǎn)生光電流，入

9、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(dǎo)致了對(duì)光頻（也稱為帶隙能量），這導(dǎo)致了對(duì)光頻率率f或波長(zhǎng)或波長(zhǎng)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(duì)于對(duì)于Si材料，截止波長(zhǎng)為材料，截止波長(zhǎng)為1.06 m，Ge材料是材料是1.6 m如果波長(zhǎng)更長(zhǎng)，光子能量就不足以激勵(lì)一個(gè)價(jià)帶如果波長(zhǎng)更長(zhǎng)，光子能量就不足以激勵(lì)一個(gè)價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶中在短波長(zhǎng)段，材料的吸收系數(shù)在短波長(zhǎng)段，材料的吸收系數(shù)s變得

10、很大，光子變得很大，光子在接近光檢測(cè)器的表面就被吸收，電子空穴對(duì)在接近光檢測(cè)器的表面就被吸收，電子空穴對(duì)的壽命極短，結(jié)果載流子在由光檢測(cè)器電路收集的壽命極短，結(jié)果載流子在由光檢測(cè)器電路收集以前就已經(jīng)復(fù)合了以前就已經(jīng)復(fù)合了 要檢測(cè)某波長(zhǎng)的入射光，必須選擇適當(dāng)?shù)牟牧献鲆獧z測(cè)某波長(zhǎng)的入射光，必須選擇適當(dāng)?shù)牟牧献龀傻臋z測(cè)器成的檢測(cè)器一方面由禁帶寬度決定的截止波長(zhǎng)要大于入射光一方面由禁帶寬度決定的截止波長(zhǎng)要大于入射光波長(zhǎng)，否則材料對(duì)光透明，不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)，否則材料對(duì)光透明，不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換另一方面，吸收系數(shù)不能太大，以免降低光電轉(zhuǎn)另一方面，吸收系數(shù)不能太大，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率換效率 常用半導(dǎo)體材

11、料的禁帶寬度和相應(yīng)的截止波長(zhǎng)常用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度和相應(yīng)的截止波長(zhǎng) 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(gè)被吸收的上述討論的光電二極管都是基于每一個(gè)被吸收的光子只能產(chǎn)生一個(gè)電子光子只能產(chǎn)生一個(gè)電子但是如果產(chǎn)生的電子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下獲得了足但是如果產(chǎn)生的電子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下獲得了足夠能量，就會(huì)誘發(fā)許多的電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶，即夠能量，就會(huì)誘發(fā)許多的電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶，

12、即產(chǎn)生二次電子空穴對(duì)產(chǎn)生二次電子空穴對(duì)這些二次電子空穴對(duì)又被加速獲得足夠的能量，這些二次電子空穴對(duì)又被加速獲得足夠的能量，引發(fā)更多的電子空穴對(duì)，這一過(guò)程稱為雪崩放引發(fā)更多的電子空穴對(duì)，這一過(guò)程稱為雪崩放大大把具有這一現(xiàn)象的光電二極管稱為雪崩光電二極把具有這一現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上已考慮到使它能承受高反向偏壓在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)內(nèi)部形成結(jié)內(nèi)部形成一

13、個(gè)高電場(chǎng)區(qū)一個(gè)高電場(chǎng)區(qū) 高電場(chǎng)對(duì)光生載流子加速，使載流子獲得高的動(dòng)高電場(chǎng)對(duì)光生載流子加速，使載流子獲得高的動(dòng)能，從而在它漂移過(guò)程中可以碰撞電離而激發(fā)出能，從而在它漂移過(guò)程中可以碰撞電離而激發(fā)出新的電子空穴對(duì)，這個(gè)過(guò)程稱為碰撞電離新的電子空穴對(duì)，這個(gè)過(guò)程稱為碰撞電離 新產(chǎn)生的載流子同樣由電場(chǎng)加速，并獲得足夠的新產(chǎn)生的載流子同樣由電場(chǎng)加速，并獲得足夠的能量從而導(dǎo)致更多的碰撞電離產(chǎn)生，形成雪崩倍能量從而導(dǎo)致更多的碰撞電離產(chǎn)生，形成雪崩倍增效應(yīng)增效應(yīng) APD就是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的就是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測(cè)器高靈敏度的檢測(cè)器 雪崩過(guò)程產(chǎn)生了光電流雪崩過(guò)程產(chǎn)生了光

14、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(shí)際上，雪崩過(guò)程是一種統(tǒng)計(jì)過(guò)程，并不是每一實(shí)際上，雪崩過(guò)程是一種統(tǒng)計(jì)過(guò)程，并不是每一個(gè)載流子都經(jīng)過(guò)了同樣的倍增，所以個(gè)載流子都經(jīng)過(guò)了同樣的倍增，所以G只是一個(gè)統(tǒng)只是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值計(jì)平均值 pGIIG 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）可以對(duì)尚未進(jìn)入后面放）可以對(duì)尚未進(jìn)入后面放大器的輸入電路的初級(jí)光電流進(jìn)行內(nèi)部放大大器的輸入電路的初級(jí)光電流進(jìn)行內(nèi)部放大這樣可以顯著地增加接收機(jī)的靈敏度，因?yàn)樵谶€這樣可以顯著地增加接收機(jī)的靈敏度，因?yàn)樵谶€沒(méi)有遇到接收機(jī)電路的熱噪聲之前就已放大了光沒(méi)有遇到接收機(jī)電路的熱噪聲之

15、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(chǎn)生大的著光電流的大的起伏，產(chǎn)生大的APD噪聲，因此噪聲，因此要在增益和噪聲之間進(jìn)行折中，選擇合適的要在增益和噪聲之間進(jìn)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(jié)構(gòu)是拉通（最常用的具有低倍增噪聲的結(jié)構(gòu)是拉通（reach-through）型的）型的APD 電場(chǎng)雪崩區(qū)雪崩電離所需的最小電場(chǎng)WM耗盡區(qū)N+Pi()P+P型重型重?fù)诫s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(shù)語(yǔ)來(lái)源于光電二極管的工作情況這一術(shù)語(yǔ)來(lái)

16、源于光電二極管的工作情況當(dāng)加上一個(gè)較低的反向偏置電壓時(shí)，大部分的電當(dāng)加上一個(gè)較低的反向偏置電壓時(shí)，大部分的電壓降在壓降在PN+ 結(jié)上結(jié)上增加電壓，耗盡區(qū)寬度也將增加，直到加到增加電壓，耗盡區(qū)寬度也將增加，直到加到PN+ 結(jié) 上 的 峰 值 電 場(chǎng) 低 于 雪 崩 擊 穿 所 需 電 場(chǎng) 的結(jié) 上 的 峰 值 電 場(chǎng) 低 于 雪 崩 擊 穿 所 需 電 場(chǎng) 的5%10% 時(shí)才停止，此時(shí)耗盡區(qū)也正好拉通到時(shí)才停止，此時(shí)耗盡區(qū)也正好拉通到了整個(gè)本征區(qū)了整個(gè)本征區(qū) 在一般的操作過(guò)程中，在一般的操作過(guò)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(qū)進(jìn)入，并在區(qū)進(jìn)入，并在區(qū)被

17、吸收，區(qū)被吸收，區(qū)區(qū)就是收集光生載流子的區(qū)域就是收集光生載流子的區(qū)域光子被吸收后釋放它的能量，產(chǎn)生的電子空穴光子被吸收后釋放它的能量，產(chǎn)生的電子空穴對(duì)立即由對(duì)立即由區(qū)的電場(chǎng)分開(kāi)，然后通過(guò)區(qū)的電場(chǎng)分開(kāi)，然后通過(guò)區(qū)漂移到區(qū)漂移到PN+ 結(jié)區(qū)，結(jié)區(qū)，PN+ 結(jié)上的高電場(chǎng)使得電子產(chǎn)生雪崩結(jié)上的高電場(chǎng)使得電子產(chǎn)生雪崩倍增倍增 APD的增益機(jī)理對(duì)溫度非常敏感，在于電子和空的增益機(jī)理對(duì)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(fā)生碰撞的平均自由度在高溫條件下，粒子之間發(fā)生碰撞的平均自由度變小了，因而許多載流子沒(méi)有機(jī)會(huì)獲得產(chǎn)生二次變小了，因而許多載流子沒(méi)有機(jī)會(huì)

18、獲得產(chǎn)生二次載流子所需要的高速度，會(huì)導(dǎo)致增益降低載流子所需要的高速度，會(huì)導(dǎo)致增益降低這種對(duì)溫度的依賴性在高偏置電壓下尤其明顯，這種對(duì)溫度的依賴性在高偏置電壓下尤其明顯，一個(gè)小小的溫度變化都能引起增益的很大變化一個(gè)小小的溫度變化都能引起增益的很大變化 當(dāng)保持所加偏置電壓不當(dāng)保持所加偏置電壓不變時(shí)降低溫度，則電子變時(shí)降低溫度，則電子和空穴的電離速率會(huì)增和空穴的電離速率會(huì)增加，因而雪崩增益也會(huì)加，因而雪崩增益也會(huì)增加增加為了保證溫度變化時(shí)增益值不變，就必須改變?yōu)榱吮ＷC溫度變化時(shí)增益值不變，就必須改變PN結(jié)倍增區(qū)的電場(chǎng)，這就要求接收機(jī)加入一個(gè)補(bǔ)償結(jié)倍增區(qū)的電場(chǎng)，這就要求接收機(jī)加入一個(gè)補(bǔ)償電路，以便在溫

19、度變化時(shí)調(diào)整光檢測(cè)器的偏置電電路，以便在溫度變化時(shí)調(diào)整光檢測(cè)器的偏置電壓壓 可以運(yùn)用溫度與電離速率的關(guān)系得到增益曲線，可以運(yùn)用溫度與電離速率的關(guān)系得到增益曲線，但計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，可以從一個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式求得但計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，可以從一個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式求得 BsGVRIVG11與與APD材料材料及波長(zhǎng)有關(guān)及波長(zhǎng)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù) 在了解光檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)與原理后，再來(lái)討論衡量在了解光檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)與原理后，再來(lái)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(gè)重要參數(shù)，并作出比較的幾個(gè)重要參數(shù)，并作出比較 光電二極管的兩個(gè)重要特性參數(shù)是其量子效率和光電二極管的兩個(gè)重

20、要特性參數(shù)是其量子效率和響應(yīng)速度，這些參數(shù)主要由器件材料的帶隙能量、響應(yīng)速度，這些參數(shù)主要由器件材料的帶隙能量、工作波長(zhǎng)、工作波長(zhǎng)、P區(qū)、區(qū)、I區(qū)、區(qū)、N區(qū)的摻雜濃度和寬度所區(qū)的摻雜濃度和寬度所決定決定另外一個(gè)重要參數(shù)是檢測(cè)器噪聲，它將直接影響另外一個(gè)重要參數(shù)是檢測(cè)器噪聲，它將直接影響到接收機(jī)的靈敏度到接收機(jī)的靈敏度 量子效率量子效率表示每個(gè)能量為表示每個(gè)能量為hf的入射光子所產(chǎn)生的的入射光子所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，由下式給出電子空穴對(duì)，由下式給出在光電二極管的實(shí)際應(yīng)用中，在光電二極管的實(shí)際應(yīng)用中，100個(gè)光子會(huì)產(chǎn)生個(gè)光子會(huì)產(chǎn)生30到到95個(gè)電子空穴對(duì)，因此檢測(cè)器的量子效率個(gè)電子空穴對(duì)，因此檢測(cè)器

21、的量子效率范圍是范圍是30%95%hfPeIp/0入射的光子數(shù)個(gè)數(shù)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區(qū)的厚為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區(qū)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(qū)越厚，光生載流子漂移越過(guò)反向偏但是，耗盡區(qū)越厚，光生載流子漂移越過(guò)反向偏置結(jié)的時(shí)間就越長(zhǎng)置結(jié)的時(shí)間就越長(zhǎng)由于載流子的漂移時(shí)間決定了光電二極管的響應(yīng)由于載流子的漂移時(shí)間決定了光電二極管的響應(yīng)速度，所以必須在響應(yīng)速度和量子效率之間采取速度，所以必須在響應(yīng)速度和量子效率之間采取折衷折衷 光電二極管的性能經(jīng)常使用響應(yīng)度光電二極管的性能經(jīng)常使用響應(yīng)度R0來(lái)表征來(lái)表征若入射

22、光功率為若入射光功率為P0時(shí)產(chǎn)生的平均光電流為時(shí)產(chǎn)生的平均光電流為Ip，則，則響應(yīng)度響應(yīng)度R0（A/W）定義為）定義為 hfePIRp00這個(gè)參數(shù)描述了單位光功率產(chǎn)生光生電流的大小這個(gè)參數(shù)描述了單位光功率產(chǎn)生光生電流的大小將將 和普朗克常數(shù)和普朗克常數(shù)h代入，得到代入，得到 Cf 24. 10R在工作波長(zhǎng)一定在工作波長(zhǎng)一定時(shí)，時(shí)，與與R0具有具有定量的關(guān)系定量的關(guān)系 幾種材料的幾種材料的PIN光電二極管的響應(yīng)度與波長(zhǎng)關(guān)系光電二極管的響應(yīng)度與波長(zhǎng)關(guān)系 光子能量一定時(shí)，大多數(shù)的光電二極管的量子效光子能量一定時(shí)，大多數(shù)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(wú)關(guān)，因此響率和入射到光電二極管

23、上的光功率無(wú)關(guān)，因此響應(yīng)度是一個(gè)線性函數(shù)，也就是說(shuō)光電流應(yīng)度是一個(gè)線性函數(shù)，也就是說(shuō)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(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)量子效率并不是一個(gè)常然而，在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)量子效率并不是一個(gè)常數(shù)，因?yàn)楣庾幽芰吭诟淖償?shù)，因?yàn)楣庾幽芰吭诟淖儗?duì)于給定的材料，當(dāng)入射光波長(zhǎng)越來(lái)越長(zhǎng)時(shí)，光對(duì)于給定的材料，當(dāng)入射光波長(zhǎng)越來(lái)越長(zhǎng)時(shí)，光子能量變得越來(lái)越小，當(dāng)這個(gè)能量不足以激發(fā)一子能量變得越來(lái)越小，當(dāng)這個(gè)能量不足以激發(fā)一個(gè)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶上時(shí)，響應(yīng)度就會(huì)在截個(gè)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶上時(shí)，響應(yīng)度就會(huì)在截止波長(zhǎng)處迅速減小止波長(zhǎng)處迅速減小 對(duì)于對(duì)于APD光電二極管

24、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(shù)目有關(guān)，與倍增無(wú)關(guān)，所以不管始載流子數(shù)目有關(guān)，與倍增無(wú)關(guān)，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(yīng)度響應(yīng)度RAPD來(lái)表征來(lái)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(yīng)倍，所以它的響應(yīng)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(yīng)速度可以用響應(yīng)時(shí)間表征光電二極管響應(yīng)速度可以用響應(yīng)時(shí)間表征 光電二極管產(chǎn)生光電流的響應(yīng)時(shí)間主要取決于下光

25、電二極管產(chǎn)生光電流的響應(yīng)時(shí)間主要取決于下面三個(gè)因素：面三個(gè)因素：耗盡區(qū)的光載流子的渡越時(shí)間；耗盡區(qū)的光載流子的渡越時(shí)間；耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光載流子的擴(kuò)散時(shí)間；耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光載流子的擴(kuò)散時(shí)間；光電二極管以及與其相關(guān)電路的光電二極管以及與其相關(guān)電路的RC時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) 光電二極管的響應(yīng)速度基本取決于光生載流子渡光電二極管的響應(yīng)速度基本取決于光生載流子渡越耗盡層區(qū)所需的時(shí)間越耗盡層區(qū)所需的時(shí)間載流子渡越時(shí)間載流子渡越時(shí)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(guān)有關(guān) 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渡越時(shí)間。增

26、加反向偏壓，可增加自都可以縮短渡越時(shí)間。增加反向偏壓，可增加自建場(chǎng)，使漂移速度加快，渡越時(shí)間縮短建場(chǎng)，使漂移速度加快，渡越時(shí)間縮短 vwtd一般情況下，耗盡區(qū)的電場(chǎng)足夠高，載流子可以一般情況下，耗盡區(qū)的電場(chǎng)足夠高，載流子可以達(dá)到它們的極限速度達(dá)到它們的極限速度對(duì)于對(duì)于Si，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到2104V/cm量級(jí)時(shí)，量級(jí)時(shí)，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(qū)寬度為光電二極管的耗盡區(qū)寬度為10m，極，極限響應(yīng)時(shí)間為限響應(yīng)時(shí)間為0.1 ns 相比高電場(chǎng)區(qū)載流子的漂移，耗盡區(qū)外的載流子相比高電場(chǎng)

27、區(qū)載流子的漂移，耗盡區(qū)外的載流子擴(kuò)散過(guò)程就要慢得多，因此為了得到高速光電二擴(kuò)散過(guò)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(yīng)該在耗盡區(qū)或非常接近耗盡極管，光生載流子應(yīng)該在耗盡區(qū)或非常接近耗盡區(qū)的地方產(chǎn)生，使載流子擴(kuò)散時(shí)間小于或等于渡區(qū)的地方產(chǎn)生，使載流子擴(kuò)散時(shí)間小于或等于渡越時(shí)間越時(shí)間從光電二極管結(jié)構(gòu)可以看出，光基本被耗盡層吸從光電二極管結(jié)構(gòu)可以看出，光基本被耗盡層吸收，所以擴(kuò)散時(shí)間對(duì)響應(yīng)速度影響很小收，所以擴(kuò)散時(shí)間對(duì)響應(yīng)速度影響很小 響應(yīng)速度除了與上面提到的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度除了與上面提到的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)外，它還與負(fù)載電路速度有關(guān)外，它還與負(fù)載電路RC參數(shù)有關(guān)參

28、數(shù)有關(guān) 光接收機(jī)中光檢測(cè)的簡(jiǎn)單模型和其等效電路光接收機(jī)中光檢測(cè)的簡(jiǎn)單模型和其等效電路 當(dāng)光檢測(cè)器受到光脈沖照射時(shí)，響應(yīng)時(shí)間可以使當(dāng)光檢測(cè)器受到光脈沖照射時(shí)，響應(yīng)時(shí)間可以使用檢測(cè)器輸出脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間來(lái)表示用檢測(cè)器輸出脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間來(lái)表示 如果光電二極管的電容較大，那它的響應(yīng)時(shí)間就如果光電二極管的電容較大，那它的響應(yīng)時(shí)間就會(huì)受到負(fù)載電阻會(huì)受到負(fù)載電阻RL和光電二極管結(jié)電容所構(gòu)成的和光電二極管結(jié)電容所構(gòu)成的RC時(shí)間常數(shù)的限制時(shí)間常數(shù)的限制在高速應(yīng)用情況下，光電二極管的設(shè)計(jì)電容為幾在高速應(yīng)用情況下，光電二極管的設(shè)計(jì)電容為幾個(gè)皮法甚至更小個(gè)皮法甚至更小 器件的響應(yīng)速度受到渡越時(shí)間或電

29、路上升時(shí)間的器件的響應(yīng)速度受到渡越時(shí)間或電路上升時(shí)間的制約，而后者的影響更大。目前，已經(jīng)有制約，而后者的影響更大。目前，已經(jīng)有100 ps的實(shí)用化器件的實(shí)用化器件 噪聲是光檢測(cè)器的一個(gè)重要參數(shù)噪聲是光檢測(cè)器的一個(gè)重要參數(shù)噪聲的存在同樣限制了光檢測(cè)器所能檢測(cè)出的最噪聲的存在同樣限制了光檢測(cè)器所能檢測(cè)出的最小光功率，直接影響了接收機(jī)的靈敏度小光功率，直接影響了接收機(jī)的靈敏度光檢測(cè)器的噪聲主要包括：熱噪聲、暗電流噪聲光檢測(cè)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(cè)器在無(wú)內(nèi)部增益時(shí)，其主要噪聲包括散彈光檢測(cè)器在無(wú)內(nèi)部增益時(shí)，其主要噪聲包括散彈噪聲（又稱

30、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(dǎo)體光電二極管，在無(wú)光照處于反向偏壓下的半導(dǎo)體光電二極管，在無(wú)光照射時(shí)仍有電流通過(guò)，這部分電流稱為暗電流，可射時(shí)仍有電流通過(guò)，這部分電流稱為暗電流，可以分為兩個(gè)部分：以分為兩個(gè)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(jié)區(qū)載流子的熱擴(kuò)散產(chǎn)生結(jié)區(qū)載流子的熱擴(kuò)散產(chǎn)生 另一部分是由半導(dǎo)體表面缺陷引起的表面漏電流，稱為另一部分是由半導(dǎo)體表面缺陷引起的表面漏電流，稱

31、為表面暗電流，也簡(jiǎn)稱漏電流。它是由表面缺陷、清潔程表面暗電流，也簡(jiǎn)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(dǎo)體材料及摻雜濃度決定，對(duì)于體暗電流由半導(dǎo)體材料及摻雜濃度決定，對(duì)于APD而言，由此產(chǎn)生的載流子同樣會(huì)得到而言，由此產(chǎn)生的載流子同樣會(huì)得到PN結(jié)區(qū)結(jié)區(qū)高電場(chǎng)的加速，并因雪崩效應(yīng)而倍增高電場(chǎng)的加速，并因雪崩效應(yīng)而倍增 由于雪崩效應(yīng)是一種體效應(yīng)，所以表面漏電流并由于雪崩效應(yīng)是一種體效應(yīng)，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(dāng)偏一般而言，反向偏壓增大，暗電流也增

32、大。當(dāng)偏壓增大到一定程度時(shí)，暗電流激增，產(chǎn)生反向擊壓增大到一定程度時(shí)，暗電流激增，產(chǎn)生反向擊穿，發(fā)生反向擊穿的電壓值即為反向擊穿電壓穿，發(fā)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(shí)的偏置電壓為工作時(shí)的偏置電壓為1030 V，離擊穿電壓較遠(yuǎn)，離擊穿電壓較遠(yuǎn)暗電流會(huì)引起噪聲，限制了光電二極管所能檢測(cè)暗電流會(huì)引起噪聲，限制了光電二極管所能檢測(cè)的最小光功率，也就是降低了接收機(jī)的靈敏度的最小光功率，也就是降低了接收機(jī)的靈敏度 光電二極管受到入射光照射時(shí)，所產(chǎn)生的電子光電二極管受到入射光照射時(shí)，所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)具有離散性和隨機(jī)性

33、，構(gòu)成了散彈噪聲空穴對(duì)具有離散性和隨機(jī)性，構(gòu)成了散彈噪聲另外載流子越過(guò)耗盡區(qū)時(shí)的隨機(jī)起伏也構(gòu)成散彈另外載流子越過(guò)耗盡區(qū)時(shí)的隨機(jī)起伏也構(gòu)成散彈噪聲噪聲散彈噪聲（或散粒噪聲）是由光的粒子性產(chǎn)生的，散彈噪聲（或散粒噪聲）是由光的粒子性產(chǎn)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(nèi)，量子噪聲均方根電流和光電流內(nèi)，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(shù)噪聲系數(shù)F(G) 是噪聲系數(shù)，和雪崩特性有關(guān)是噪聲系數(shù)，和雪崩特性有關(guān)對(duì)于對(duì)于PIN光電二極管，光電二極管，F(xiàn)(G) 和和G都等于都等于1 對(duì)于對(duì)于APD光電二極管，光電二極

34、管，F(xiàn)(G) 即為過(guò)剩噪聲系數(shù)，即為過(guò)剩噪聲系數(shù)，用來(lái)描述倍增噪聲用來(lái)描述倍增噪聲由于由于APD光電二極管的倍增是隨機(jī)的，這種隨機(jī)性的光電二極管的倍增是隨機(jī)的，這種隨機(jī)性的電流起伏將帶來(lái)附加噪聲，即倍增噪聲電流起伏將帶來(lái)附加噪聲，即倍增噪聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可以將實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可以將F(G) 近似為近似為 xGGF)(0 x1.0當(dāng)當(dāng)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(shí)，它的信號(hào)時(shí)，它的信號(hào)電流比無(wú)倍增時(shí)增大了電流比無(wú)倍增時(shí)增大了G倍，信號(hào)功率增大了倍，信號(hào)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率大于信號(hào)功率

35、增大的速率率增大的速率大于信號(hào)功率增大的速率因此選用因此選用APD時(shí)，應(yīng)選用時(shí)，應(yīng)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(fù)載電阻熱噪聲是由光電二極管的負(fù)載電阻RL和后接的放和后接的放大器的輸入電阻產(chǎn)生大器的輸入電阻產(chǎn)生一般情況下，放大器輸入阻抗遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻一般情況下，放大器輸入阻抗遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻RL，所以放大電路的熱噪聲遠(yuǎn)小于所以放大電路的熱噪聲遠(yuǎn)小于RL的熱噪聲的熱噪聲光檢測(cè)器負(fù)載電阻的均方熱噪聲電流為光檢測(cè)器負(fù)載電阻的均方熱噪聲電流為 LTRkTBi42降低器件的絕對(duì)溫度可以降低熱噪聲，降低檢測(cè)降低器件的絕對(duì)溫度可以降低熱噪聲，降低檢測(cè)帶寬也可以減少熱噪聲帶寬也可以減少熱

36、噪聲因?yàn)闊嵩肼暿且环N白噪聲，所以在檢測(cè)器前面可因?yàn)闊嵩肼暿且环N白噪聲，所以在檢測(cè)器前面可以用光濾波器去除信號(hào)帶寬以外的熱噪聲以用光濾波器去除信號(hào)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(zhǎng)響應(yīng)波長(zhǎng)響應(yīng)（m）0.41.01.01.6響應(yīng)度響應(yīng)度R0（AW）0.4（850 nm）0.6（1300 nm）暗電流暗電流Id（nA）0.1125響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間t（ns）2100.21結(jié)電容結(jié)電容Cd（pF）0.5112工作電壓（工作電壓（V）-5-15-5-15分別列出了

37、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(zhǎng)響應(yīng)波長(zhǎng)響應(yīng)（m）0.41.011.65響應(yīng)度響應(yīng)度R0（AW）0.50.50.7暗電流暗電流Id（nA）0.111020響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間t（ns）0.20.50.10.3結(jié)電容結(jié)電容Cd（pF）12 100 k（R1K檔）檔） 100 k（R1K檔）檔）無(wú)窮大無(wú)窮大（R1K檔）檔）光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的主要組成部分，它的光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的主要組成部分，它的性能是整個(gè)光纖通信系統(tǒng)性能的綜合反映性能是整個(gè)光纖通信系統(tǒng)性能的綜合反映光接收機(jī)是由光檢測(cè)器、放大器和

38、信號(hào)處理電路光接收機(jī)是由光檢測(cè)器、放大器和信號(hào)處理電路組成組成光接收機(jī)的主要作用是將經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰光接收機(jī)的主要作用是將經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減，波形被展寬的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并減，波形被展寬的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并經(jīng)放大處理，恢復(fù)為原來(lái)的信號(hào)經(jīng)放大處理，恢復(fù)為原來(lái)的信號(hào) 典型光纖數(shù)字傳輸鏈路路徑中可以看出接收端的典型光纖數(shù)字傳輸鏈路路徑中可以看出接收端的主要處理過(guò)程主要處理過(guò)程 一般而言，光檢測(cè)器產(chǎn)生的電流通常很小，而且一般而言，光檢測(cè)器產(chǎn)生的電流通常很小，而且還會(huì)受到光檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲的影響還會(huì)受到光檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲的影響當(dāng)光電二極管輸出的電信號(hào)被放大時(shí)，放大

39、器電當(dāng)光電二極管輸出的電信號(hào)被放大時(shí)，放大器電路上的附加噪聲將進(jìn)一步使信號(hào)劣化路上的附加噪聲將進(jìn)一步使信號(hào)劣化由于接收機(jī)電路中的噪聲源，使得信號(hào)一般都有由于接收機(jī)電路中的噪聲源，使得信號(hào)一般都有一個(gè)能正確處理的最低限一個(gè)能正確處理的最低限由于接收機(jī)首先檢測(cè)到微弱的失真信號(hào)，然后根由于接收機(jī)首先檢測(cè)到微弱的失真信號(hào)，然后根據(jù)這個(gè)放大的失真信號(hào)來(lái)判斷所傳輸數(shù)據(jù)的類型，據(jù)這個(gè)放大的失真信號(hào)來(lái)判斷所傳輸數(shù)據(jù)的類型，所以光接收機(jī)的設(shè)計(jì)比光發(fā)送機(jī)的設(shè)計(jì)要復(fù)雜得所以光接收機(jī)的設(shè)計(jì)比光發(fā)送機(jī)的設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多多 直接檢測(cè)數(shù)字光接收機(jī)原理方框圖直接檢測(cè)數(shù)字光接收機(jī)原理方框圖主放大、均衡濾波和自動(dòng)增益控制光檢測(cè)與前

40、置放大 判決與再生 光檢測(cè)器與前置放大器合起來(lái)稱為接收機(jī)前端，光檢測(cè)器與前置放大器合起來(lái)稱為接收機(jī)前端，是光接收機(jī)的核心是光接收機(jī)的核心其作用是將耦合入光電檢測(cè)器的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)其作用是將耦合入光電檢測(cè)器的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)變光生電流，然后進(jìn)行預(yù)放大，并將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變光生電流，然后進(jìn)行預(yù)放大，并將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，以便后級(jí)作進(jìn)一步處理?yè)Q為電壓信號(hào)，以便后級(jí)作進(jìn)一步處理前端性能是決定光接收機(jī)的主要因素，要求低噪前端性能是決定光接收機(jī)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(cè)器可以采用光檢測(cè)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二極管（極管（

41、APD），應(yīng)當(dāng)視具體情況而定），應(yīng)當(dāng)視具體情況而定 前置放大器主要作用是保持檢測(cè)到的電信號(hào)不失前置放大器主要作用是保持檢測(cè)到的電信號(hào)不失真地放大和保證噪聲最小，一般采用場(chǎng)效應(yīng)晶體真地放大和保證噪聲最小，一般采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管（管（FET） 目前，光檢測(cè)器與前置放大有商用集成組件目前，光檢測(cè)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(dòng)增益控制組成光接主放大器、均衡濾波器和自動(dòng)增益控制組成光接收機(jī)的線性通道收機(jī)的線性通道主放大器一般是多級(jí)放大器，它的功能主要是提主放大器一般是多級(jí)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(huán)路來(lái)控制主放大器的增益，以就是用反饋環(huán)路

42、來(lái)控制主放大器的增益，以擴(kuò)大接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍 均衡器的作用是對(duì)主放輸出的、已畸變（失真）均衡器的作用是對(duì)主放輸出的、已畸變（失真）和有碼間干擾的電信號(hào)進(jìn)行整形和補(bǔ)償和有碼間干擾的電信號(hào)進(jìn)行整形和補(bǔ)償 所傳輸?shù)臄?shù)字脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)光纖傳輸后，又經(jīng)所傳輸?shù)臄?shù)字脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)光纖傳輸后，又經(jīng)過(guò)光電檢測(cè)器、放大器等，由于傳輸帶寬的限制，過(guò)光電檢測(cè)器、放大器等，由于傳輸帶寬的限制，不再是矩形脈沖形式，產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象不再是矩形脈沖形式，產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象這將導(dǎo)致相鄰碼元的重疊，從而產(chǎn)生碼間干擾，這將導(dǎo)致相鄰碼元的重疊，從而產(chǎn)生碼間干擾，嚴(yán)重時(shí)將造成判決電路的誤判，產(chǎn)生誤碼嚴(yán)重時(shí)將造成判決電路的誤

43、判，產(chǎn)生誤碼 通過(guò)均衡器對(duì)主放大器輸出的失真數(shù)字脈沖進(jìn)行通過(guò)均衡器對(duì)主放大器輸出的失真數(shù)字脈沖進(jìn)行整形和補(bǔ)償，使之成為有利于判決的碼間干擾最整形和補(bǔ)償，使之成為有利于判決的碼間干擾最小的信號(hào)波形小的信號(hào)波形如升余弦波形如升余弦波形 判決器、譯碼器和時(shí)鐘恢復(fù)組成光接收機(jī)的判決、判決器、譯碼器和時(shí)鐘恢復(fù)組成光接收機(jī)的判決、再生部分再生部分時(shí)鐘恢復(fù)電路從碼流中恢復(fù)出時(shí)鐘信號(hào)（定時(shí)信時(shí)鐘恢復(fù)電路從碼流中恢復(fù)出時(shí)鐘信號(hào)（定時(shí)信號(hào)），并提供給判決電路號(hào)），并提供給判決電路判決電路在時(shí)鐘信號(hào)控制下，將均衡后的脈沖輸判決電路在時(shí)鐘信號(hào)控制下，將均衡后的脈沖輸出信號(hào)判決輸出為出信號(hào)判決輸出為“1”或或“0”，恢

44、復(fù)出所傳輸?shù)模謴?fù)出所傳輸?shù)亩M(jìn)制脈沖信號(hào)二進(jìn)制脈沖信號(hào) 再生過(guò)程再生過(guò)程實(shí)際應(yīng)用中，可以選用時(shí)鐘數(shù)據(jù)再生器組件，實(shí)際應(yīng)用中，可以選用時(shí)鐘數(shù)據(jù)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(jī)主要性能指標(biāo)有：光接收機(jī)主要性能指標(biāo)有：接收靈敏度，反映了接收機(jī)檢測(cè)微弱信號(hào)的能力；接收靈敏度，反映了接收機(jī)檢測(cè)微弱信號(hào)的能力；誤碼率或信噪比；誤碼率或信噪比；動(dòng)態(tài)范圍，反映了接收機(jī)適應(yīng)輸入信號(hào)變化的能力動(dòng)態(tài)范圍，反映了接收機(jī)適應(yīng)輸入信號(hào)變化的能力 在數(shù)字接收機(jī)中，來(lái)自放大、均衡后的信號(hào)在每在數(shù)字接收機(jī)中，來(lái)自放大、均衡后的信號(hào)在每一時(shí)刻都會(huì)和一個(gè)閾值進(jìn)行比較，以判定當(dāng)前時(shí)一時(shí)刻都會(huì)和一

45、個(gè)閾值進(jìn)行比較，以判定當(dāng)前時(shí)隙的信號(hào)是隙的信號(hào)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(fā)生錯(cuò)誤判決，即發(fā)生錯(cuò)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(hào)電平bonboffvth方差2off2on方差閾值電平光接收機(jī)對(duì)碼元錯(cuò)誤判決的概率稱為誤碼率光接收機(jī)對(duì)碼元錯(cuò)誤判決的概率稱為誤碼率在二進(jìn)制情況下，等于誤比特率（在二進(jìn)制情況下，等于誤比特率（BER，Bit-Error-Rate），它反映出在較長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)的傳），它反映出在較長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)的傳輸碼流中，錯(cuò)誤判決的碼元數(shù)輸碼流中，錯(cuò)誤判決的碼

46、元數(shù)Ne在所接收到的碼在所接收到的碼元總數(shù)元總數(shù)Nt中所占的比例中所占的比例 BtNNNBERete對(duì)二進(jìn)制系統(tǒng)而言，誤碼率可以由下式給出對(duì)二進(jìn)制系統(tǒng)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(jī)的噪聲功率分布十分復(fù)雜然而，光接收機(jī)的噪聲功率分布十分復(fù)雜一種簡(jiǎn)化的計(jì)算是假定總噪聲的概率分布為高斯一種簡(jiǎn)化的計(jì)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(shè)設(shè)“0”和和“1”等概率

47、發(fā)送，得到等概率發(fā)送，得到 QeQerfdxeQPBERQQxe2/2/222121211誤差函數(shù)誤差函數(shù) onthonoffoffthvbbvQ xydyexerf022因子因子Q和特定誤碼率下的信噪比相關(guān)，因此，被廣和特定誤碼率下的信噪比相關(guān)，因此，被廣泛用來(lái)說(shuō)明接收機(jī)的性能泛用來(lái)說(shuō)明接收機(jī)的性能給出了給出了BER隨隨Q變化的情況變化的情況當(dāng)當(dāng)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(jī)靈敏度是光接收機(jī)最主要的性能指標(biāo)之一，接

48、收機(jī)靈敏度是光接收機(jī)最主要的性能指標(biāo)之一，是表征光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，接收微弱光是表征光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，接收微弱光信號(hào)的能力信號(hào)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(dá)到所要求的誤碼率（或信噪比）條件下，在保證達(dá)到所要求的誤碼率（或信噪比）條件下，接收機(jī)所需的：接收機(jī)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(gè)光脈沖的最低平均光子數(shù)每個(gè)光脈沖的最低平均光子數(shù)n0每個(gè)光脈沖的最低平均能量每個(gè)光脈沖的最低平均能量Ed 以上三個(gè)表示方法有所不同，但所表示的物理意以上三個(gè)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義方義是一致的

49、，在工程上通常采用光功率的定義方法法對(duì)于對(duì)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(guān)系示方法之間有如下關(guān)系ThfnTEPdR220一個(gè)光子一個(gè)光子的能量的能量 脈沖碼脈沖碼元時(shí)隙元時(shí)隙 PR的單位是的單位是W，常用，常用mW若用若用dBm來(lái)表示靈敏度來(lái)表示靈敏度Sr，則可寫(xiě)為，則可寫(xiě)為在實(shí)際工程應(yīng)用中，接收機(jī)所需的最小接收光功在實(shí)際工程應(yīng)用中，接收機(jī)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(jì)算可按照下面給出的近似公式計(jì)算 當(dāng)采用當(dāng)采用PIN光電二極管時(shí)，在則光電二極管時(shí)，在則當(dāng)采用當(dāng)采用APD光電二極管時(shí)，在則光電二極管時(shí)，在則mW 1l

50、g10RrPS 23081025. 3RRPR67091064. 1RRPRR0為基準(zhǔn)計(jì)算碼速率，為基準(zhǔn)計(jì)算碼速率，R0 = 25 Mb/s 對(duì)于不同的誤碼率要求，接收機(jī)的靈敏度也不同對(duì)于不同的誤碼率要求，接收機(jī)的靈敏度也不同在一定誤碼率條件下，影響接收機(jī)靈敏度的因素在一定誤碼率條件下，影響接收機(jī)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(zhǎng)、信號(hào)速率、各種噪聲等波波長(zhǎng)、信號(hào)速率、各種噪聲等而產(chǎn)生誤碼的主要原因是噪聲，光信號(hào)通過(guò)接收而產(chǎn)生誤碼的主要原因是噪聲，光信號(hào)通過(guò)接收機(jī)時(shí)，受到各種噪聲影響，降低接收機(jī)的靈敏度機(jī)時(shí)，受到各種噪聲影響，

51、降低接收機(jī)的靈敏度因此，對(duì)接收機(jī)噪聲的研究分析是光接收機(jī)的主因此，對(duì)接收機(jī)噪聲的研究分析是光接收機(jī)的主要課題要課題 動(dòng)態(tài)范圍是光接收機(jī)的另一重要指標(biāo)動(dòng)態(tài)范圍是光接收機(jī)的另一重要指標(biāo)光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍D定義為：在保證系統(tǒng)的誤碼定義為：在保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)要求下，接收機(jī)最低輸入光功率率指標(biāo)要求下，接收機(jī)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(jī)有一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，是因?yàn)?/p>

52、光之所以要求光接收機(jī)有一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，是因?yàn)楣饨邮諜C(jī)的輸入光信號(hào)不是固定不變的，為了保證接收機(jī)的輸入光信號(hào)不是固定不變的，為了保證系統(tǒng)正常工作，光接收機(jī)必須具備適應(yīng)輸入信號(hào)系統(tǒng)正常工作，光接收機(jī)必須具備適應(yīng)輸入信號(hào)在一定范圍變化的能力在一定范圍變化的能力低于這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的下限（即靈敏度），如前所低于這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的下限（即靈敏度），如前所述將產(chǎn)生過(guò)大的誤碼述將產(chǎn)生過(guò)大的誤碼高于這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的上限（即接收機(jī)的過(guò)載功高于這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的上限（即接收機(jī)的過(guò)載功率），在判決時(shí)也將造成過(guò)大的誤碼率），在判決時(shí)也將造成過(guò)大的誤碼 動(dòng)態(tài)范圍表征了光接收機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的適應(yīng)能力動(dòng)態(tài)范圍表征了光接收機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的適應(yīng)能

53、力 光信號(hào)在光纖傳輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：光信號(hào)在光纖傳輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題： 光纖的損耗特性使光信號(hào)的幅度衰減，限制了光信號(hào)的光纖的損耗特性使光信號(hào)的幅度衰減，限制了光信號(hào)的傳輸距離；傳輸距離； 光纖的色散特性使光信號(hào)波形失真，造成碼間干擾，使光纖的色散特性使光信號(hào)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(hào)的傳光纖線路上的損耗和色散不但限制了光信號(hào)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(shè)置光為增加光纖的通信距離和通信容量，必須設(shè)置光中繼器（或稱再生器）中繼器（或稱再生器）光中繼器的功能

54、是補(bǔ)償光能量損耗，對(duì)畸變失真光中繼器的功能是補(bǔ)償光能量損耗，對(duì)畸變失真的信號(hào)波形進(jìn)行整形的信號(hào)波形進(jìn)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(tǒng)的光中繼器（即光電中繼器）一種是傳統(tǒng)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(hào)繼器放大光信號(hào)首先將光纖中送來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后首先將光纖中送來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，最后再將放大了的電信號(hào)轉(zhuǎn)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，最后再將放大了的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送到光纖中去，即光電光方式換為光信號(hào)送到光纖中去，即光電光方式 根據(jù)不同的要求，可將中繼器分為三種類型：根據(jù)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(hào)的傳輸器，用于模擬信號(hào)的傳輸2R中繼器，即在