光電檢測器與光接收機課件

第六章光電檢測器與光接收機6.1光電檢測器6.2光電檢測器的特性指標(biāo)6.3光接收機6.4光接收機的噪聲6.5光接收機的靈敏度6.1光電檢測器6.1.1PIN光電二極管 由于受激輻射僅僅發(fā)生在PN結(jié)附近，遠(yuǎn)離PN結(jié)的地方?jīng)]有電場存在，因此就決定了PN光電二極管(PNPhotodiode，PNPD)或PN光電檢測器的光電變換效率非常低下及響應(yīng)速度很慢。1.PIN光電二極管的結(jié)構(gòu) PIN光電二極管(PINPD)的結(jié)構(gòu)如圖6.1所示。圖6.1PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)6.1.2雪崩光電二極管 雪崩光電二極管應(yīng)用光生載流子在其耗盡區(qū)(高場區(qū))內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)而獲得光生電流的雪崩倍增。1.雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu) 常用的APD結(jié)構(gòu)包括拉通型APD和保護(hù)環(huán)型APD，如圖6.2所示。由于要實現(xiàn)電流放大作用需要很高的電場，因此只能在圖中所示的高場區(qū)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)。圖6.2APD的結(jié)構(gòu)2.雪崩倍增原理 APD的雪崩倍增原理為：當(dāng)入射光照射在APD的光敏面上時，由于受激吸收原理會產(chǎn)生電子空穴對(這里我們稱之為一次電子空穴對)。3.APD的工作原理 當(dāng)光照射到APD的光敏面上時，由于受激吸收而在器件內(nèi)產(chǎn)生出一次電子空穴對。6.2光電檢測器的特性指標(biāo)6.2.1光電檢測器的工作特性1.響應(yīng)度 在一定波長的光照射下，光電檢測器的平均輸出電流與入射的平均光功率之比稱為響應(yīng)度(或響應(yīng)率)。響應(yīng)度可以表示如下：2.量子效率 響應(yīng)度是器件在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性，而量子效率是器件在內(nèi)部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性。量子效率定義為通過結(jié)區(qū)的載流子數(shù)與入射的光子數(shù)之比，常用符號η表示： 式中：h是普朗克常數(shù)，c是光在真空中的速度,λ是光電檢測器的工作波長。代入相應(yīng)數(shù)值后，可以得到： 從式(6-4)中可以看出：在工作波長一定時，η與ρ具有定量的關(guān)系。5.APD的倍增因子 APD的電流增益，即平均倍增因子M可表示為：式中：Ip為APD倍增后的光生電流；Ip0是未倍增時的原始光生電流。若無倍增時和倍增時的總電流分別為I1和I2，則應(yīng)扣除當(dāng)時的暗電流Id1和Id2后才能求出M。6.光電檢測器的噪聲 光電檢測器的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲和由倍增過程產(chǎn)生的倍增噪聲。(1)PINPD的噪聲 PINPD的總均方噪聲電流可以表述如下： 〈i2〉=2e(Ip+Id)B式中：e為電子電荷量；Ip為光生電流；Id為PINPD的暗電流，B為噪聲帶寬。(2)APD的噪聲 APD的量子噪聲和暗電流噪聲(要考慮倍增作用)與PINPD機理類似，計算方法也基本相同。(3)最佳倍增因子 雖然APD的倍增作用對信號有放大作用，但是由于倍增噪聲的存在也使得總噪聲增加。6.2.2光電檢測器的典型指標(biāo)及簡易檢測1.光電檢測器的典型指標(biāo) 表6.1中列出了富士通公司生產(chǎn)的兩種光電檢測器的典型指標(biāo)。6.3光接收機6.3.1光解調(diào)原理1.非相干檢測方式 常用的非相干檢測方式就是直接功率檢測方式。直接功率檢測方式是通過光電二極管直接將接收的光信號恢復(fù)成基本調(diào)制信號的過程。圖6.5相干檢測原理6.3.2光接收機的構(gòu)成與指標(biāo)1.光接收機的構(gòu)成 在實用的直接功率檢測光接收機中，光電檢測器直接從接收光信號中將基本調(diào)制信號恢復(fù)出來。2.光接收機指標(biāo) 對于不同的光纖通信系統(tǒng)，有著不同的光接收機質(zhì)量指標(biāo)。6.4光接收機的噪聲6.4.1光接收機的噪聲源1.光電檢測器噪聲 光電檢測器上的噪聲包括光檢測噪聲(有可能與信號強度相關(guān)的噪聲)、暗電流噪聲及背景輻射噪聲。(1)PINPD的光檢測噪聲 由于光的量子性，PINPD的光檢測噪聲屬于光量子噪聲。PINPD的光檢測噪聲可以由下式?jīng)Q定：式中：η為光電檢測器的量子效率；e為電子電荷量；P為平均接收光功率；B為系統(tǒng)帶寬；h為普朗克常數(shù)；ν為光子的頻率。(2)APD的光檢測噪聲 由于APD雪崩倍增過程的隨機性，使得APD的光檢測噪聲更多的表現(xiàn)為倍增噪聲。APD的光檢測噪聲可以表述如下：式中：η為光電檢測器的量子效率；e為電子電荷量；P為輸入光電檢測器的平均光功率；M為APD的平均倍增因子；F為APD的倍增噪聲系數(shù)；B為系統(tǒng)帶寬。(1)FET前置放大器的噪聲 FET前置放大器的輸入等效噪聲可以用下式表示：(2)BJT前置放大器的噪聲 BJT前置放大器的輸入等效噪聲可以表示為：3.總噪聲表達(dá)式 光接收機的輸入等效總噪聲可以表示為：ntot=nPD+nA 在PINPD光接收機中，nPD要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于nA。6.4.2光接收機的信噪比1.PINPD光接收機的信噪比 根據(jù)信噪比定義，PINPD光接收機判決點上的信噪比為：2.APD光接收機的信噪比 同理，可以得到APD光接收機在判決點上的信噪比表達(dá)式為：6.5光接收機的靈敏度6.5.1數(shù)字光接收機的誤碼率 根據(jù)通信系統(tǒng)理論，二進(jìn)制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的誤碼率可以表示為： 式中：p(0)和p(1)分別表示二進(jìn)制數(shù)字碼流中“0”、“1”出現(xiàn)的概率；p0(i)和p1(i)分別表示“0”、“1”碼的概率密度函數(shù)；i表示信號電流的瞬時值；D0是p0(i)和p1(i)相等時對應(yīng)的信號電流。 利用數(shù)值計算技術(shù)求得誤碼率的方法非常費時，而且不能對光接收機的設(shè)計提供多少幫助。所以，為了簡化計算，一般均將概率密度函數(shù)近似成高斯函數(shù)來進(jìn)行相應(yīng)的分析。于是，誤碼率又可表示成：式中Q可以表示為：6.5.2光接收機的靈敏度極限 光接收機的靈敏度極限也稱為理想光接收機的靈敏度。由于這種光接收機完全是理想的：光電檢測器暗電流為零，放大器無噪聲，系統(tǒng)的帶寬無限大。 當(dāng)碼流中“0”、“1”等概時，系統(tǒng)的誤碼率就等于“1”碼發(fā)生差錯概率的一半，即式中：n表示一個碼元的平均光子數(shù)。6.5.3實際光接收機的靈敏度 根據(jù)式(6-23)，可以得到如下公式：在這里不考慮暗電流和光源直流光影響(Iop0=0)，并且有Iop1可以表示為： 式中：M為APD的倍增因子(對PINPD，M=1)；P1為“1”碼時的光功率；A為放大器的放大倍數(shù)。6.5.4影響光接收機靈敏度的主要因素1.輸入和輸出信號波形 在光纖通信系統(tǒng)中，光接收機接收到的光信號波形是被光纖線路展寬了的信號波形，這種波形將會存在碼間干擾。 為了減少碼間干擾的影響，必須對接收的信號波形進(jìn)行濾波均衡，變成沒有碼間干擾的信號波形(實際中多采用升余弦波)。經(jīng)過均衡后，光接收機的帶寬可以用如下公式表示：式中：ε是輸出波形的滾降因子。從上式可以看出，光接收機的帶寬將大于奈奎斯特帶寬。2.非理想均衡濾波 為了有利于判決，我們希望光接收機輸出的信號波形為升余弦波。3.直流光和背景光 由于光源是在一定正向偏置電壓下工作的，因此無信號時光接收機仍然能夠接收到一定的光