光纖通信第03章課件

1、第三章 光接收機(jī)3.1光接收機(jī)簡(jiǎn)介 3.2光電檢測(cè)器 3.3放大電路及其噪聲 3.4光接收機(jī)靈敏度的計(jì)算 3.5光接收機(jī)的組成模塊 3.1 光接收機(jī)簡(jiǎn)介 3.1.1 光接收機(jī)的組成 光接收機(jī)分為直接檢測(cè)接收機(jī)和相干檢測(cè)接收機(jī)直接檢測(cè)接收機(jī)分為模擬和數(shù)字光接收機(jī)兩種數(shù)字光接收機(jī)框圖 輸入電脈沖激光發(fā)送機(jī)光脈沖衰減和畸變的光脈沖光纖Pin或雪崩光電二極管包含光檢測(cè)器噪聲的電流脈沖放大器和濾波器電壓脈沖和放大器噪聲判決電路和脈沖再生器再生的輸出電壓脈沖信號(hào)處理設(shè)備3.1.2 光接收機(jī)的性能指標(biāo) 光接收機(jī)主要的性能指標(biāo)是誤碼率（BER）、靈敏度以及動(dòng)態(tài)范圍 。誤碼率是碼元被錯(cuò)誤判決的概率，可以用在一定

2、的時(shí)間間隔內(nèi)，發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)和在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)傳輸?shù)目偞a元數(shù)之比來表示 。接收機(jī)靈敏度的定義為：在滿足給定能的誤碼率指標(biāo)條件下，最低接收的平均光功率Pmin。在工程上常用dBm來表示，即 3.1.2 光接收機(jī)的性能指標(biāo) 接收機(jī)的最低輸出光功率（用dBm來描述）和最大允許輸入光功率（用dBm來描述）之差（dB）就是光接收的動(dòng)態(tài)范圍Pmax和Pmin為保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)條件下，接收機(jī)允許的最大接收光功率和最小接收光功率。 3.2 光電檢測(cè)器 光纖通信中對(duì)光電檢測(cè)器最重要的幾點(diǎn)要求如下： 在所用光源的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有較高的響應(yīng)度； 較小的噪聲； 響應(yīng)速度快； 對(duì)溫度變化不敏感； 與光纖尺寸匹配； 工作

3、壽命長(zhǎng) 3.2.1 PN結(jié)的光電效應(yīng) 在光的照射下，使物體中的電子脫出的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng) 。加反向偏壓后光電二極管及其能帶結(jié)構(gòu) 3.2.2 PIN光電二極管 1原理與結(jié)構(gòu) PIN光電二極管的原理和結(jié)構(gòu) 2光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)（光譜特性） （1）上截止波長(zhǎng) 光電效應(yīng)必須滿足條件 hvEg 或 c是真空中的光速， 是入射光的波長(zhǎng)，h是普朗克常量 即入射光的波長(zhǎng)必須小于某個(gè)臨界值，才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，這個(gè)臨界值就叫做上截止波長(zhǎng)，定義為（2）響應(yīng)波長(zhǎng)的下限 設(shè)x = 0時(shí)，光功率為p(0)，材料吸收系數(shù)為 經(jīng)過x距離后吸收的光功率可以表示為 3光電轉(zhuǎn)換效率 常用量子效率和響應(yīng)度衡量光電轉(zhuǎn)換效率當(dāng)入射功率

4、為P0時(shí)，光生電流可以表示為w1是零電場(chǎng)的表面層的厚度，w是耗盡區(qū)的厚度量子效率表示入射光子能夠轉(zhuǎn)換成光電流的概率 要提高量子效率，可采取如下措施： 盡量減小光子在表面層的反射率，增加入射到光電二極管中的光子數(shù)； 盡量減小中性區(qū)的厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)被充分地吸收 光電轉(zhuǎn)換效率也可以直接用光生電流Ip和入射光功率p0的比值來表示,稱其為響應(yīng)度 4響應(yīng)速度 響應(yīng)速度常用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間）來表示 。影響響應(yīng)速度的主要因素有3點(diǎn) （1）光電二極管和它的負(fù)載電阻的RC時(shí)間常數(shù) 結(jié)電容與耗盡區(qū)的寬度w及結(jié)區(qū)面積A有關(guān) （2）載流子在耗盡區(qū)里的渡越時(shí)間下圖為漂移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)

5、系若想使載流子能以極限漂移速度渡越耗盡區(qū)，反向偏壓須滿足 VEsW（3）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 5光電二極管的暗電流 暗電流是指無光照時(shí)光電二極管的反向電流 。3.2.3 雪崩光電二極管 1工作原理 APD載流子雪崩式倍增示意圖（只畫出電子） 2APD的平均雪崩增益 平均雪崩增益的定義為IM是雪崩增益后輸出電流的平均值；Ip是未倍增時(shí)的初始光生電流 光電二極管輸出電流和反向偏壓的關(guān)系 平均雪崩增益也用一較簡(jiǎn)單的式子表示為 3APD的結(jié)構(gòu) 光纖通信在0.85m波段常用的APD有拉通型（RAPD）和保護(hù)環(huán)型（GAPD）兩種 另一種在長(zhǎng)波長(zhǎng)波段使用的APD的結(jié)構(gòu)稱為SAM （S

6、eperated Absorption and Multiplexing）結(jié)構(gòu) 4APD的過剩噪聲 APD的過剩噪聲系數(shù)為在工程上，為簡(jiǎn)化計(jì)算，常用過剩噪聲指數(shù)來表示過剩噪聲系數(shù)，即 3.3 放大電路及其噪聲 放大器輸入端的噪聲源 放大器噪聲包括電阻熱噪聲及有源器件的噪聲，其概率密度函數(shù)可以表示為高斯函數(shù) 對(duì)隨機(jī)噪聲，m=0：3.3.3 場(chǎng)效應(yīng)管和雙極晶體管的噪聲源 1場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲源場(chǎng)效應(yīng)管的主要噪聲源有兩個(gè) :柵漏電流的散粒噪聲溝道熱噪聲 （1）散粒噪聲散粒噪聲其功率譜密度為e0為電子電荷， C，Igate是場(chǎng)效應(yīng)管的柵漏電流（2）溝道熱噪聲 功率譜密度為gm是場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)；是器件的數(shù)值

7、系數(shù)，對(duì)Si FET， ；對(duì)GaAs FET，（3）輸出瑞的總噪聲功率 當(dāng)Rb足夠大時(shí)，上式中的第一項(xiàng)可以忽略，因此得到 2雙極晶體管的噪聲源 （1）散粒噪聲 功率譜密度為Ib是晶體管的基極工作電流（2）基區(qū)電阻的熱噪聲 基區(qū)電阻的熱噪聲在輸入端作為串聯(lián)電壓噪聲源，譜密度為（3）分配噪聲 功率譜密度為將集電極回路里的噪聲源等效到輸入端，可等效為一個(gè)串聯(lián)電壓噪聲源，功率譜密度為對(duì)雙極晶體管，有下列關(guān)系存在雙極晶體管放大器輸出端的總噪聲功率為 3.4 光接收機(jī)靈敏度的計(jì)算 靈敏度計(jì)算的一般方法 0碼被誤判為1碼的概率：1碼被誤判為0碼的概率：總誤碼率BER：1.靈敏度的精確計(jì)算 總噪聲包括放大器的

8、熱噪聲和光電檢測(cè)器的噪聲。放大器噪聲的概率密度：光電檢測(cè)器的噪聲概率密度：總噪聲Z=X+Y的概率密度：2接收機(jī)靈敏度的高斯近似計(jì)算 高斯近似，即假設(shè)APD光電檢測(cè)過程的概率密度函數(shù)也是高斯函數(shù)。在高斯近似下，放大器和均衡濾波器輸出端的總噪聲的概率密度函數(shù)依然是高斯函數(shù)，其方差為兩噪聲方差之和 對(duì)0碼 對(duì)1碼當(dāng)判決電平為D時(shí)，“0”碼誤判為“1”碼的概率為令 ，對(duì)上式進(jìn)行變量交換同樣“1”碼誤判為“0”碼的概率為令 ，上式變換成 如果接收的隨機(jī)脈沖序列中“1”碼出現(xiàn)的概率等于“0”碼出現(xiàn)的概率，總誤碼率為為使總誤碼率達(dá)到最小，一般令E01=E10只需使Q值和誤碼率的關(guān)系 3影響光接收機(jī)靈敏度的主

9、要因素 （1）靈敏度與放大器噪聲的關(guān)系 bmax與z的關(guān)系 （PIN光電二極管作檢測(cè)器） （APD作檢測(cè)器，工作在最佳雪崩增益）放大器噪聲的大小與最佳雪崩增益有關(guān) （2）接收機(jī)靈敏度與比特速率的關(guān)系 對(duì)比特速率較高的系統(tǒng)，接收機(jī)靈敏度與比特速率的關(guān)系為： 當(dāng)用PIN光電二極管作檢測(cè)器時(shí)，比特率增加倍頻程，靈敏度大約下降4.5dB； 當(dāng)用APD作檢測(cè)器（設(shè)x0.5），且工作在最佳雪崩增益時(shí)，比特率增加倍頻程，靈敏度大約下降3.5dB 。（3）靈敏度與輸入波形的關(guān)系 輸入 脈沖時(shí)，放大器的噪聲最小，靈敏度最高；發(fā)送RZ碼時(shí)接收機(jī)的靈敏度比NRZ碼要高。（4）消光比對(duì)靈敏度的影響 消光比引起的靈敏度的惡化量 殘余光使消光比不為零（5）激光器和光纖系統(tǒng)的噪聲對(duì)靈敏度的影響 激光器和光纖系統(tǒng)的噪聲主要有以下幾種 激光器的量子噪聲 模式分配噪聲 模式噪聲 反射噪聲 眼圖“眼圖”上可 以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲的影響，從而估計(jì)系統(tǒng)優(yōu)劣程度。另外也可以用此圖形對(duì)接收濾波器的特性加以調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_和改善系統(tǒng)的傳輸性能。眼圖 的 “眼睛” 張開的大小反映著碼間串?dāng)_的強(qiáng)弱。 “眼睛”張的 越大，且眼圖越端正，表示碼間串?dāng)_越小；反之表示碼間串?dāng)_越大。眼圖對(duì)于展示數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)的性能提供了很多有用的信息：可以從中看出碼間串?dāng)_的大小和