桂工光纖通信CH-3光接收機(jī)(final)

1、CH 3光纖通信B授課老師：覃國(guó)車(chē)授課老師：覃國(guó)車(chē)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(shū)參考書(shū)：1.Joseph C. 1.Joseph C. PalaisPalais，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(jī)1.1.光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器2.2.直接檢測(cè)光接收機(jī)直接檢測(cè)光接收機(jī)3.3.相干檢測(cè)光接收機(jī)相干檢測(cè)光接收機(jī)4.4.光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)CH 3什么是光接收機(jī)？什么是光接收機(jī)？CH 3什么是光接收機(jī)？什么是光接收機(jī)？CH 3光接收機(jī)的作用光接收機(jī)的作用光信號(hào)在光纖中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸，會(huì)受到光信號(hào)在光纖中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸，會(huì)受到損耗、色散和損耗、色散和非線(xiàn)性非線(xiàn)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(jī)的首要任務(wù)是：。因此，光接收機(jī)的首要任務(wù)是：1.要能探測(cè)到微

3、弱光信號(hào)，按照某種規(guī)律將光信要能探測(cè)到微弱光信號(hào)，按照某種規(guī)律將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換）。）。2.要能對(duì)光電轉(zhuǎn)換生產(chǎn)的電信號(hào)進(jìn)行要能對(duì)光電轉(zhuǎn)換生產(chǎn)的電信號(hào)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(jī)的分類(lèi)光接收機(jī)的分類(lèi)1.直接檢測(cè)接收機(jī)直接檢測(cè)接收機(jī)特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.沒(méi)有本振激光器，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低；沒(méi)有本振激光器，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低；2.只能檢測(cè)光信號(hào)的強(qiáng)度信息。只能檢測(cè)光信號(hào)的強(qiáng)度信息。CH 3光接收機(jī)的分類(lèi)光接收機(jī)的分類(lèi)2.相干檢測(cè)接收機(jī)相干檢測(cè)接收機(jī)特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.有本振激光器，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；有本振激光器，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；2.能檢測(cè)光信號(hào)的相位信息。能檢測(cè)

4、光信號(hào)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(cè)器一、光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器負(fù)責(zé)對(duì)光進(jìn)行解調(diào)，實(shí)現(xiàn)將光信號(hào)轉(zhuǎn)光電檢測(cè)器負(fù)責(zé)對(duì)光進(jìn)行解調(diào)，實(shí)現(xiàn)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換功能。換成電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換功能。CH 3一、光電檢測(cè)器一、光電檢測(cè)器光纖通信系統(tǒng)對(duì)光電檢測(cè)器的要求：光纖通信系統(tǒng)對(duì)光電檢測(cè)器的要求：(1)(1) 波長(zhǎng)波長(zhǎng)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(mǎn)足高工作碼速要求；，滿(mǎn)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(hào)；，能接收極微弱的光信號(hào)；(5) (5) 性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長(zhǎng)，功耗和體性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長(zhǎng)，功耗和體積小。積小。CH 3一、光電檢測(cè)器一、光電檢測(cè)器光電檢測(cè)原理光電檢測(cè)原理CH 3一、光電檢測(cè)器一、光電檢測(cè)器光電檢測(cè)原理光電檢測(cè)原理CH 3一、光電檢測(cè)器一、光電檢測(cè)器光電檢測(cè)原理光電檢測(cè)原理CH 3一、光電檢測(cè)器一、光電檢測(cè)器光電檢測(cè)原理光電檢測(cè)原理CH 3一、光電檢測(cè)器一、光電檢測(cè)器光電檢測(cè)

6、原理光電檢測(cè)原理CH 3一、光電檢測(cè)器一、光電檢測(cè)器光電檢測(cè)原理光電檢測(cè)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(duì)：空穴對(duì)：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(cè)器一、光電檢測(cè)器光電檢測(cè)原理光電檢測(cè)原理（二）擴(kuò)散電流（二）擴(kuò)散電流熱運(yùn)動(dòng)引起熱運(yùn)動(dòng)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(chǎng)力的驅(qū)使下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了與漂移電結(jié)中，在高場(chǎng)力的驅(qū)使下運(yùn)動(dòng)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(cè)器一、光電檢測(cè)器光電檢測(cè)原理光電檢測(cè)原理（三）幾個(gè)要思考的問(wèn)題（三）幾個(gè)要思考的問(wèn)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(chǎng)力的驅(qū)使下易于光子在耗盡層被吸收，在高場(chǎng)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(cè)器一、光電檢測(cè)器光電檢測(cè)原理光電檢測(cè)原理（三）幾個(gè)要思考的問(wèn)題（三）幾個(gè)要思考的問(wèn)題響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間1.1. 載流子穿越耗盡層需要時(shí)間。載流子穿越耗盡層需要時(shí)間。2.2.渡越時(shí)間與耗盡層寬度和反向電壓有關(guān)。渡越時(shí)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(diǎn)（一）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(gè)接近于本征半導(dǎo)體層是一個(gè)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(chǎng)區(qū)零場(chǎng)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(zhǎng)上截止波長(zhǎng)：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(zhǎng)定義為：止波長(zhǎng)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(zhǎng)下截止波長(zhǎng)：當(dāng)入射：當(dāng)入射波長(zhǎng)太短時(shí)，大量光子在零波長(zhǎng)太短時(shí)，大量光子在零場(chǎng)區(qū)被吸收?qǐng)鰠^(qū)被吸收，光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)下降。經(jīng)過(guò)，光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)下降。經(jīng)過(guò)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 GeGe 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管

10、（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(lái)衡量。成電能的效率。通常用量子效率和響應(yīng)度參數(shù)來(lái)衡量。 1.1.量子效率量子效率: : 定義為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光生定義為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光生電子空穴對(duì)數(shù)與單位時(shí)間入射的總光子數(shù)之比。電子空穴對(duì)數(shù)與單位時(shí)間入射的總光子數(shù)之比。 光電檢測(cè)器光電檢測(cè)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(cè)器光電檢測(cè)器平均輸入光功率平均輸入光功率單個(gè)光子能量單個(gè)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）光

11、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(lái)衡量。成電能的效率。通常用量子效率和響應(yīng)度參數(shù)來(lái)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(cè)器不是隨著光功率的輸入而瞬間響應(yīng)生成光電檢測(cè)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(xiàn)性關(guān)系的光生電流的，而是有一定與輸入光功率呈線(xiàn)性關(guān)系的

12、光生電流的，而是有一定的響應(yīng)時(shí)間。通常的響應(yīng)時(shí)間。通常用上升時(shí)間和下降時(shí)間來(lái)表示光電用上升時(shí)間和下降時(shí)間來(lái)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(shí)間上升時(shí)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(shí)間。所需的時(shí)間。下降時(shí)間下降時(shí)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(shí)間。所需的時(shí)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(shí)間常數(shù)時(shí)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(shí)間常數(shù)

13、（有圖可知電路的時(shí)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(shí)間）為所需的時(shí)間）為C Cd dR RL L，故上升時(shí)間為：，故上升時(shí)間為： t tr r = 2.19 = 2.19 C 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(shí)間常數(shù)時(shí)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 = 2.19 C Cd dR RL LCH 3二、二、PIN光

14、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(shí)間載流子在耗盡層的渡越時(shí)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(duì)在電場(chǎng)的作用下進(jìn)空六對(duì)在電場(chǎng)的作用下進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)的速度與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。行漂移運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)的速度與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)電場(chǎng)較低時(shí)，漂移運(yùn)動(dòng)的速度正比于電場(chǎng)強(qiáng)度當(dāng)電場(chǎng)較低時(shí)，漂移運(yùn)動(dòng)的速度正比于電場(chǎng)強(qiáng)度E。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一值當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)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(yùn)動(dòng)的速度不再變化，即達(dá)到極限漂移速流子的漂移運(yùn)動(dòng)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。若想使載流子能

15、以極限漂移速度渡越耗盡區(qū)，反向偏壓須滿(mǎn)足：向偏壓須滿(mǎn)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(yùn)動(dòng)引起的時(shí)間延遲擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)引起的時(shí)間延遲若在若在零電場(chǎng)的表層里產(chǎn)生較多的電子零電場(chǎng)的表層里產(chǎn)生較多的電子- -空穴對(duì)空穴對(duì)，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(yùn)動(dòng)引起的時(shí)間延遲擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)引起的時(shí)間延遲這部分載流子作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的附加時(shí)延會(huì)這部分載流子作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的附加時(shí)延會(huì)使檢測(cè)器

16、輸使檢測(cè)器輸出的電脈沖的下降沿的拖尾加長(zhǎng)出的電脈沖的下降沿的拖尾加長(zhǎng)，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(shí)間常數(shù)時(shí)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(shí)間渡越時(shí)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(shí)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(shí)間延遲 l 由于漂移運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)速度，故漂移運(yùn)由于漂移運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)速度，故漂移運(yùn)動(dòng)的

17、渡越時(shí)間不是影響動(dòng)的渡越時(shí)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(zhǎng)途光纖通信系統(tǒng)中僅有毫瓦級(jí)的光功率從在長(zhǎng)途光纖通信系統(tǒng)中僅有毫瓦級(jí)的光功率從光發(fā)射機(jī)輸出，經(jīng)過(guò)幾十光發(fā)射機(jī)輸出，經(jīng)過(guò)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(jī)處的光信號(hào)將變得十分微弱。達(dá)光接收機(jī)處的光信號(hào)將變得十分微弱。為了使光接收機(jī)的判決電路正為了使光接收機(jī)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(jí)放大：引入額外噪聲！在光電轉(zhuǎn)換之后采用多級(jí)放大：引入額外噪聲！提高光電轉(zhuǎn)換效率，使光電轉(zhuǎn)換

18、輸出的電信號(hào)足夠大。提高光電轉(zhuǎn)換效率，使光電轉(zhuǎn)換輸出的電信號(hào)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(duì)空穴對(duì)二次電子二次電子空穴對(duì)空穴對(duì)APDAPD在結(jié)構(gòu)上被設(shè)計(jì)成能夠承受高反向偏壓在結(jié)構(gòu)上被設(shè)計(jì)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的倍增因子在的倍

19、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(diǎn)（三）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(diǎn)（三）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(diǎn)（三）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

20、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(diǎn)（三）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(shí)上升時(shí)間間(ns)波長(zhǎng)波長(zhǎng)(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(cè)光接收機(jī)四、直接檢測(cè)光

21、接收機(jī)直接檢測(cè)（直接檢測(cè)（DDDD）的數(shù)字光接收機(jī)框圖）的數(shù)字光接收機(jī)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(cè)光接收機(jī)四、直接檢測(cè)光接收機(jī)功能功能：把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。：把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。通常為通常為PINPIN光電二極管（輸入光功率超過(guò)光電二極管（輸入光功率超過(guò)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(jí)級(jí), ,必須將這個(gè)微弱的電必須將這個(gè)微弱的電流經(jīng)負(fù)載電阻建立起信號(hào)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(hào)電壓后送入前置放大器放大 。CH 3四、直接檢測(cè)光接收機(jī)四、直接檢測(cè)光接收機(jī)功能功能：

22、對(duì)光電檢測(cè)器產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)進(jìn)行放大。：對(duì)光電檢測(cè)器產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)進(jìn)行放大。由于前端噪聲對(duì)整個(gè)放大器輸出噪聲影響甚大，因此由于前端噪聲對(duì)整個(gè)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(jí)。數(shù)量級(jí)。CH 3四、直接檢測(cè)光接收機(jī)四、直接檢測(cè)光接收機(jī)功能功能：提供高的增益，將前置放大器的輸出信號(hào)放大：提供高的增益，將前置放大器的輸出信號(hào)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(hào)號(hào)一般一般為為1V1V3V(3V(峰峰峰峰值值) )。

23、。CH 3四、直接檢測(cè)光接收機(jī)四、直接檢測(cè)光接收機(jī)功能功能：對(duì)主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行：對(duì)主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號(hào)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(cè)光接收機(jī)四、直接檢測(cè)光接收機(jī)功能功能：控制主放大器的增益，在接收機(jī)平均入射功率：控制主放大器的增益，在接收機(jī)平均入射功率很大時(shí)把放大器的增益自動(dòng)控制在固定的輸出電平上。很大時(shí)把放大器的增益自動(dòng)控制在固定的輸出電平上。變換成與輸入信號(hào)的峰值成比例的直流信號(hào)變換成與輸入信號(hào)的峰值成比例的直流信號(hào)CH 3四、直接檢測(cè)光接收機(jī)四、直接檢測(cè)光

24、接收機(jī)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(cè)光接收機(jī)四、直接檢測(cè)光接收機(jī)功能功能：為了精確地確定：為了精確地確定“判決時(shí)刻判決時(shí)刻”，需要從信號(hào)碼，需要從信號(hào)碼流中提取準(zhǔn)確的時(shí)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(shí)鐘信息作為標(biāo)定，以保證與發(fā)送端一致。 信號(hào)碼流信號(hào)碼流CH 3四、直接檢測(cè)光接收機(jī)四、直接檢測(cè)光接收機(jī)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(gè)矩形地個(gè)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)生一個(gè)

25、路產(chǎn)生一個(gè)“0”0”。如果在發(fā)射端進(jìn)行了線(xiàn)路編碼（或擾。如果在發(fā)射端進(jìn)行了線(xiàn)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(jī)的主要性能指標(biāo)五、光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)誤碼率誤碼率是指在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，發(fā)生差錯(cuò)的脈沖是指在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，發(fā)生差錯(cuò)的脈沖數(shù)和在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)傳輸?shù)目偯}沖數(shù)之比。數(shù)和在這個(gè)時(shí)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(jī)的誤碼來(lái)自于系統(tǒng)的光接收機(jī)的誤碼

26、來(lái)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(jī)轉(zhuǎn)換為電流噪聲疊加在接收機(jī)前端的種噪聲經(jīng)接收機(jī)轉(zhuǎn)換為電流噪聲疊加在接收機(jī)前端的信號(hào)上。信號(hào)上。CH 3五、光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)五、光接收機(jī)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(jī)能檢測(cè)到的最小平均信號(hào)光功率下，接收機(jī)能檢測(cè)到的最小平均信號(hào)光功率P Pminmin。在。在工程上常用相對(duì)功率值（工程上常用相對(duì)功率值（dBmdBm）來(lái)表示，即）來(lái)表示，即 （二）靈敏度（二）靈敏度CH 3五、光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)五、光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)靈敏度主要

27、取決于靈敏度主要取決于光電檢測(cè)器的響應(yīng)度光電檢測(cè)器的響應(yīng)度以及檢測(cè)器以及檢測(cè)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(jī)的主要性能指標(biāo)五、光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)噪聲主要來(lái)自于檢測(cè)器和放大器引入的噪聲，有以噪聲主要來(lái)自于檢測(cè)器和放大器引入的噪聲，有以下幾種類(lèi)型：下幾種類(lèi)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(shí)，：當(dāng)光進(jìn)入光電二極管時(shí)，光子的產(chǎn)光子的產(chǎn)生和結(jié)合具有統(tǒng)計(jì)特性，使得實(shí)際電子數(shù)圍繞平均值生和結(jié)合具有統(tǒng)計(jì)特性，使得實(shí)際電子數(shù)圍繞平均值的起伏的起伏，這種噪聲稱(chēng)為散粒

28、噪聲。，這種噪聲稱(chēng)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(yùn)動(dòng)起源于電阻內(nèi)的電子的熱運(yùn)動(dòng)，即使，即使沒(méi)有外加電壓，由于電子熱運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，使得電子沒(méi)有外加電壓，由于電子熱運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)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(jī)的主要性能指標(biāo)五、光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)噪聲主要來(lái)自于檢測(cè)器和放大器引入的噪聲，有以噪聲主要來(lái)自于檢測(cè)器和放大器引入的噪聲，有以下幾種類(lèi)型：下幾種類(lèi)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(méi)：光電二極管在反偏壓條件下，即使處于沒(méi)有光照的環(huán)境中，電路中也會(huì)

29、有反向直流電流，叫做有光照的環(huán)境中，電路中也會(huì)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(duì)一個(gè)接收機(jī)來(lái)說(shuō)，對(duì)一個(gè)接收機(jī)來(lái)說(shuō)，暗電流決定暗電流決定了其可探測(cè)的信號(hào)功率水平的噪聲基底了其可探測(cè)的信號(hào)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(huì)引起，可能會(huì)引起嚴(yán)重的問(wèn)題。嚴(yán)重的問(wèn)題。CH 3五、光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)五、光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)比特速率比特速率對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響：對(duì)接收機(jī)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，放大器和

30、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(cè)，造成光電檢測(cè)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(jī)，導(dǎo)致光接收機(jī)靈靈敏度下降敏度下降。CH 3五、光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)五、光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)輸入波形輸入波形對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響：對(duì)接收機(jī)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(jī)靈敏度越高。所需的接收機(jī)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(shí)接在比特速率一

31、定的情況下，發(fā)送歸零碼型時(shí)接收機(jī)所需的靈敏度比非歸零碼型要高。收機(jī)所需的靈敏度比非歸零碼型要高。CH 3五、光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)五、光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)消光比消光比對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響：對(duì)接收機(jī)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(jī)的主要性能指標(biāo)五、光接收機(jī)的主要性能指標(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 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(jī)的最低輸出光功率（用要求下，接收機(jī)的最低輸出光功率（用dBmdBm來(lái)描述）來(lái)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(lái)描述）之差。來(lái)描述）之差。（三）

32、動(dòng)態(tài)范圍（三）動(dòng)態(tài)范圍低于這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的下限（即靈敏度）低于這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的下限（即靈敏度）, ,將產(chǎn)生過(guò)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)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)載功率），在判決時(shí)亦將造成過(guò)大的誤碼。載功率），在判決時(shí)亦將造成過(guò)大的誤碼。數(shù)字光接數(shù)字光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍一般應(yīng)大于收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍一般應(yīng)大于15 dB。CH 3六六、相干檢測(cè)光接收機(jī)相干檢測(cè)光接收機(jī) 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(duì)光載波進(jìn)行幅度、頻率或：在發(fā)射端對(duì)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(cè)或外差檢測(cè)等相位調(diào)制，在接收端，則采用零差

33、檢測(cè)或外差檢測(cè)等相干檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行信息接收的通信方式。相干檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行信息接收的通信方式。信號(hào)光信號(hào)光混頻器混頻器基帶信號(hào)基帶信號(hào)s sL LCH 3（一）（一）相干檢測(cè)方式的分類(lèi)相干檢測(cè)方式的分類(lèi)六、六、相干檢測(cè)相干檢測(cè)光接收機(jī)光接收機(jī) 1. 1.零差檢測(cè)零差檢測(cè)選擇選擇L L= =s s, ,即即IFIF=0=0。零差檢測(cè)接收光功率可以零差檢測(cè)接收光功率可以放大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，雖然噪聲也增大，但仍能使靈敏放大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，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）（一）相干檢測(cè)方式的分類(lèi)相干檢測(cè)方式的分類(lèi)六六、相

34、干檢測(cè)相干檢測(cè)光接收機(jī)光接收機(jī) 2. 2.外差檢測(cè)外差檢測(cè) 選擇選擇Ls,即即IF= s L 0。外差檢測(cè)外差檢測(cè)也能提高靈敏度，信噪比改善比零差檢測(cè)低也能提高靈敏度，信噪比改善比零差檢測(cè)低3dB，但因無(wú)需實(shí)現(xiàn)相位鎖定，接收機(jī)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)但因無(wú)需實(shí)現(xiàn)相位鎖定，接收機(jī)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。 CH 3（一）（一）相干檢測(cè)方式的分類(lèi)相干檢測(cè)方式的分類(lèi)六六、相干檢測(cè)相干檢測(cè)光接收機(jī)光接收機(jī) 3. 3.同步檢測(cè)與異步同步檢測(cè)與異步檢測(cè)檢測(cè)在相干光通信中，帶有相位跟蹤的接收機(jī)叫做在相干光通信中，帶有相位跟蹤的接收機(jī)叫做同步接收機(jī)。沒(méi)有相位相位跟蹤的接收機(jī)叫做異同步接收機(jī)。沒(méi)有相位相位跟蹤的接收機(jī)叫做異步接收機(jī)。異步

35、接收機(jī)的性能要差于同步接收機(jī)，步接收機(jī)。異步接收機(jī)的性能要差于同步接收機(jī)，但是異步接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用成本但是異步接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用成本低。低。 CH 3（二）（二）相干接收機(jī)的構(gòu)成相干接收機(jī)的構(gòu)成六、六、相干檢測(cè)相干檢測(cè)光接收機(jī)光接收機(jī)功能功能：使信號(hào)光和本振光發(fā)生光場(chǎng)干涉，輸出的光：使信號(hào)光和本振光發(fā)生光場(chǎng)干涉，輸出的光信號(hào)的信號(hào)的中頻信號(hào)功率分量中頻信號(hào)功率分量攜帶了信號(hào)光的攜帶了信號(hào)光的幅度、頻率幅度、頻率或相位或相位信息。信息。信號(hào)光信號(hào)光CH 3（二）（二）相干接收機(jī)的構(gòu)成相干接收機(jī)的構(gòu)成六、六、相干檢測(cè)相干檢測(cè)光接收機(jī)光接收機(jī)功能功能：生成一個(gè)和信號(hào)光的頻差和相位差保持恒定：生

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

37、。信號(hào)光信號(hào)光CH 3（二）（二）相干接收機(jī)的構(gòu)成相干接收機(jī)的構(gòu)成六、六、相干檢測(cè)相干檢測(cè)光接收機(jī)光接收機(jī)功能功能：從反饋信號(hào)中提取控制分量用于控制本振激：從反饋信號(hào)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(hào)光之間的頻差光器的頻率和相位，使得本振光和信號(hào)光之間的頻差和相位差保持恒定。和相位差保持恒定。信號(hào)光信號(hào)光CH 3（二）（二）相干接收機(jī)的構(gòu)成相干接收機(jī)的構(gòu)成六、六、相干檢測(cè)相干檢測(cè)光接收機(jī)光接收機(jī)功能功能：若采用外差檢測(cè)，還需要將中頻信號(hào)解調(diào)為：若采用外差檢測(cè)，還需要將中頻信號(hào)解調(diào)為基帶信號(hào)?；鶐盘?hào)。信號(hào)光信號(hào)光CH 3（三）（三）相干檢測(cè)接收機(jī)的特點(diǎn)相干檢測(cè)接收機(jī)

38、的特點(diǎn)六、六、相干檢測(cè)相干檢測(cè)光接收機(jī)光接收機(jī)1.1.靈敏度高，中繼距離長(zhǎng)靈敏度高，中繼距離長(zhǎng) 相干光通信的一個(gè)最主要的優(yōu)點(diǎn)是相干檢測(cè)能相干光通信的一個(gè)最主要的優(yōu)點(diǎn)是相干檢測(cè)能改善接收機(jī)的靈敏度。由于熱噪聲、暗電流等因素改善接收機(jī)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(guò)提高本振光功率可以使靈敏度充通過(guò)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）（三）相

39、干檢測(cè)接收機(jī)的特點(diǎn)相干檢測(cè)接收機(jī)的特點(diǎn)六、六、相干檢測(cè)相干檢測(cè)光接收機(jī)光接收機(jī) 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(cè)中，探測(cè)的是信號(hào)光和本振光的在相干外差探測(cè)中，探測(cè)的是信號(hào)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?？梢?jiàn)，外差探測(cè)有良好的濾波性能。此外，濾除?？梢?jiàn)，外差探測(cè)有良好的濾波性能。此外，由于相干探測(cè)優(yōu)良的波長(zhǎng)選擇性，可用于信道間隔由于相干探測(cè)優(yōu)良的波長(zhǎng)選擇性，可用于信道間隔小到小到GHzGHz量級(jí)的光頻分復(fù)用技術(shù)，量級(jí)的光頻分復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多信道復(fù)用，實(shí)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）（三）相干