第4章光接收設(shè)備

光纖通信

―原理與應(yīng)用

第4章光接收設(shè)備

第4章光接收設(shè)備

4.1光接收電路

4.2輸出電路

第4章光接收設(shè)備

4.1光接收電路4.1.1

基本構(gòu)成和主要性能指標(biāo)1．光接收電路的基本構(gòu)成將輸入光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出電脈沖信號(hào)，即進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換。

2．光接收電路的主要性能指標(biāo)（1）靈敏度Sr

定義為

其中，Pr是在給定誤碼率條件下，光接收機(jī)所需要的最小平均光功率，單位是W（瓦）。靈敏度反映光接收機(jī)接收弱光信號(hào)的能力大小。

光接收機(jī)的靈敏度指標(biāo)主要由光檢測(cè)器件和前置放大器的性能所決定。

其中，Pmax和Pmin分別是光接收機(jī)在所期望的誤碼率條件下的最大和最小平均接收光功率。其中Pmin就是靈敏度Sr對(duì)應(yīng)的Pr。動(dòng)態(tài)范圍表示光接收機(jī)在指定的誤碼率條件下所能接收的光功率變化范圍的大小，它反映光接收機(jī)適應(yīng)強(qiáng)光信號(hào)的能力。（2）動(dòng)態(tài)范圍D4.1.2光檢測(cè)器件（PIN和APD）（1）本征PN型光電二極管（PIN）

PIN是在薄的P區(qū)和N區(qū)之間夾入一層較厚的本征半導(dǎo)體材料，以增加PN結(jié)耗盡區(qū)的寬度，稱為I

區(qū)。PIN的特點(diǎn)是：光電轉(zhuǎn)換效率較高（無光生電流放大作用），響應(yīng)速度快。

(a)PIN光電二極管

(b)APD光電二極管（2）雪崩型光電二極管（APD）

APD在薄的重?fù)诫s的P+區(qū)和N+區(qū)之間夾入I區(qū)（較厚）和P區(qū)，I區(qū)是耗盡區(qū)（作為光子的主要吸收區(qū)），P區(qū)是高電場(chǎng)區(qū)（高于I區(qū)電場(chǎng)，作為碰撞電離區(qū)）。

APD的特點(diǎn)是：光電轉(zhuǎn)換效率高（有光生電流放大作用，即雪崩倍增作用），響應(yīng)速度快。

光電二極管又稱為光敏二極管。其工作方式為負(fù)偏置方式，其中PIN的負(fù)偏壓約為幾至幾十伏，APD的負(fù)偏壓約為幾十至一百多伏。（3）光電二極管的主要特性參數(shù)

①截止工作波長(zhǎng)（上限使用波長(zhǎng)）c

光生載流子條件為h≥Eg，即≤hc/Eg

定義截止工作波長(zhǎng)c為

chc/Eg

則得≤c

時(shí)能產(chǎn)生光生電流，＞c

時(shí)不能產(chǎn)生光生電流例如：c=1.06μm（Si）和1.6μm（Ge）

②暗電流Id

定義：無光照射時(shí)，光電二極管的反向電流，稱為暗電流Id。暗電流Id越小越好。

暗電流Id構(gòu)成本底背景噪聲，稱為暗電流散粒噪聲，其電流均方值為

G是APD倍增因子，x是附加噪聲指數(shù)。通常，PIN的Id＜1nA，APD的Id=1～幾十nA

③響應(yīng)度R

定義：?jiǎn)挝蝗肷涔夤β仕a(chǎn)生的一次光生電流，稱為響應(yīng)度R。上式適合任何工作偏壓下的PIN和低偏壓無倍增條件下的APD。通常，R=0.5A/W左右。

④量子效率定義：一個(gè)入射光子所產(chǎn)生的一次光生電子數(shù)，稱為量子效率。

故的定義適合任何工作偏壓下的PIN和低偏壓無倍增條件下的APD。通常，

=30％～90％⑤響應(yīng)時(shí)間定義：光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的渡越時(shí)間d與光檢測(cè)回路的RC時(shí)間常數(shù)RC之和，稱為響應(yīng)時(shí)間。即

=d+RC

式中，d≈耗盡區(qū)寬度/光生載流子漂移速度。

RC≈RLCd,RL是負(fù)載電阻，Cd是光電二極管結(jié)電容。圖4-3

光電二極管等效電路

⑥APD倍增因子G

定義：APD有倍增時(shí)總的光生電流與未倍增的一次光生電流之比，稱為倍增因子G。即式中，V為外加反向偏壓；VB為擊穿電壓(一般選擇VB大的APD)；m是常數(shù)因子。此外，G與T有關(guān)，T則G。通常G=10～100。

經(jīng)驗(yàn)公式

⑦量子噪聲與APD附加噪聲指數(shù)定義：光束中光子數(shù)目波動(dòng)引起光生電流波動(dòng)，產(chǎn)生光生電流散粒噪聲，稱為量子噪聲。其均方值為

2eIPfG2是倍增噪聲，Gx是倍增噪聲附加項(xiàng)。x稱為附加噪聲指數(shù)，x≤1。例如，Si-APD（0.85m）的x=0.3～0.5，Ge-APD（1.31m）的x=0.8～1.0，InGaAsP-APD（1.31m）的x=0.5～0.7。

4.1.3前置放大器

1．基本功能

將光檢測(cè)器件輸出的微弱電流信號(hào)（通常為10-7～10-5A）進(jìn)行放大，以適合后續(xù)電路的需要。前置放大器的重要指標(biāo)是：低噪聲高靈敏度合適的帶寬大的動(dòng)態(tài)范圍良好的溫度穩(wěn)定性等2．典型電路：FET互阻抗前置放大器

該電路的主要特點(diǎn)：采用了共源-共基-共集方式，內(nèi)部反饋小，即后級(jí)電路對(duì)前級(jí)電路的影響小，電路穩(wěn)定性好；采用了負(fù)反饋，使放大器輸入阻抗有所減小，有利于增大帶寬。4.1.4主放大器1．基本功能

將前置放大器輸出電壓信號(hào)（通常為毫伏數(shù)量級(jí)）放大到適合于后級(jí)判決電路所需要的幅度范圍（幾伏數(shù)量級(jí)）。主放大器的電壓增益變化范圍要求比較大，以適應(yīng)前端入射光功率動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)，為此需要有自動(dòng)增益控制（AGC）功能。2．典型電路：雙柵FET主放大器3．級(jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)

式中，NF1和NF2分別為前置放大器和主放大器的噪聲系數(shù)，KP1為前置放大器的功率增益。

可見，當(dāng)KP1足夠大時(shí)，以致右邊第二項(xiàng)很小可以略去，則NF≈NF1。這表明，當(dāng)前置放大器的功率增益足夠大時(shí)，則級(jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)主要由前置放大器的噪聲系數(shù)來決定。由前置放大器和主放大器構(gòu)成的級(jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)NF滿足公式：減小級(jí)聯(lián)放大器噪聲系數(shù)的關(guān)鍵是使前置級(jí)具有高增益和低噪聲4.1.5均衡器

1．基本功能

對(duì)主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，使其變?yōu)樯嘞倚盘?hào)，以利于克服碼間干擾進(jìn)行幅度判決。

2．碼間干擾（ISI）（1）產(chǎn)生原因

光纖色散引起光脈沖展寬，當(dāng)光脈沖展寬超過分配給它們的時(shí)隙時(shí)，以致一部份光脈沖能量進(jìn)入相鄰時(shí)隙，對(duì)鄰近碼元信號(hào)產(chǎn)生干擾，稱為碼間干擾；而留在本時(shí)隙內(nèi)的光脈沖能量減小，使判決電路的輸入信噪比降低。所以，碼間干擾是產(chǎn)生誤碼的重要原因。

（2）碼間干擾消除方法

若單個(gè)碼元的時(shí)域展寬波形的主峰峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻以及各個(gè)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻是等間隔分布的，并且其間隔時(shí)間t等于碼元周期Tb，則用這種碼元時(shí)域展寬波形組成的碼元序列，在傳號(hào)碼元波形的主峰峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻上不會(huì)出現(xiàn)其他碼元信號(hào)的非零值，在空號(hào)碼元的零值中心時(shí)刻上也不會(huì)出現(xiàn)其他碼元信號(hào)的非零值，因而就不會(huì)產(chǎn)生碼間干擾（見下頁(yè)插圖）。所以，在傳號(hào)碼元的主峰峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻上和在空號(hào)碼元的零值中心時(shí)刻上進(jìn)行幅度判決，不會(huì)產(chǎn)生誤碼。

升余弦信號(hào)符合以上要求，其特點(diǎn)為：①具有等間隔分布的主峰峰值時(shí)刻和零點(diǎn)時(shí)刻；②具有比尖銳截止低通信號(hào)更短和更細(xì)的拖尾(即次峰個(gè)數(shù)少、幅度低)

圖4-8

碼間干擾消除方法示意圖

當(dāng)均衡器輸出升余弦波形時(shí)，發(fā)送端輸出的基帶數(shù)字脈沖信號(hào)，只要嚴(yán)格按照fb=1/Tb的速率發(fā)送，則在均衡器輸出信號(hào)的波峰峰值處不會(huì)產(chǎn)生碼間干擾。3．均衡電路均衡電路是專門的濾波及頻率補(bǔ)償電路，其輸出波形應(yīng)當(dāng)接近升余弦波。實(shí)現(xiàn)方法是，補(bǔ)償某些頻率、抑制某些頻率。LRC濾波器均衡電路圖：

調(diào)試該電路時(shí)，須根據(jù)眼圖的狀況來調(diào)整Rc和Re。4．眼圖眼圖張開程度越大，則碼間干擾越小，越有利于判決。圖4-11

升余弦信號(hào)的眼圖4.1.6基線恢復(fù)

1．基本功能

將升余弦信號(hào)的基線固定在某一電平上不變。

2．典型電路

（1）二極管鉗位器(用于速率≤34Mb/s的光纖通信系統(tǒng))（2）差分電路負(fù)反饋鉗位器（用在速率為140Mb/s的光纖通信系統(tǒng)中）4.1.7幅度判決

1．基本功能將均衡器輸出并經(jīng)過基線恢復(fù)處理的升余弦波信號(hào)整形為非歸零（NRZ）的矩形脈沖信號(hào)，以利于時(shí)鐘提取。2．典型電路3．判決門限與誤碼率的關(guān)系

設(shè)基線恢復(fù)電路的輸出電信號(hào)是

x(t)=s(t)+n(t)(0≤t≤Tb)

s(t)是待判決的升余弦信號(hào)，n(t)是N(0,σ2)型正態(tài)噪聲，Tb是碼元周期。取t=tj為判決時(shí)刻，則s(tj)和n(tj)分別為

觀測(cè)模型為式中含有“1”碼的x(tj)和含有“0”碼的x(tj)出現(xiàn)的概率密度分別為

p(x/V1)和p(x/V0)隨x變化的曲線判決準(zhǔn)則為（判決門限設(shè)為Vd）虛警概率α（發(fā)“0”碼而錯(cuò)判為“1”碼）為漏警概率（發(fā)“1”碼而錯(cuò)判為“0”碼）為其中，稱為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。總的錯(cuò)誤概率Pe（即誤碼率）為

Pe=P(V0)+P(V1)

式中，P(V0)是發(fā)“0”碼的概率，P(V1)是發(fā)“1”碼的概率，且P(V0)+P(V1)=1。

上式是誤碼率與判決門限Vd的一般關(guān)系式。

幅度判決時(shí)，選擇判決門限Vd使誤碼率減至最小，即

解得故最佳判決門限為若P(V1)≈P(V0)，σ1≈σ0，則K很小最后化得故得此式是最小誤碼率與最佳判決門限Vd的關(guān)系式。

光纖通信一般要求Pe=10-9，則由上式可得對(duì)應(yīng)的

Q≈6。于是，最小誤碼率為Pe=P(V0)[1-

(Q)]+P(V1)

(?Q)=

(?Q)

即4．靈敏度與誤碼率的關(guān)系

設(shè)P(V0)=P(V1)=1/2，則平均電壓脈沖幅度為

V=(V0+V1)/2

即平均每2Tb內(nèi)出現(xiàn)由于光脈沖與電脈沖的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，故有P(Pr0)=P(Pr1)=1/2則平均光功率為

Pr=(Pr0+Pr1)/2即平均每2Tb內(nèi)出現(xiàn)

即可得Q(1+0)=V1?V0=V1(1?V0/V1)=V1(1?)

根據(jù)

如果預(yù)先給定Pe、、1及0，則按以下步驟可以確定靈敏度Sr，即：4.1.8非線性處理1．基本功能將幅度判決輸出的非歸零矩形脈沖序列信號(hào)變?yōu)闅w零矩形脈沖序列信號(hào)，以利于提取時(shí)鐘信號(hào)。

NRZ與RZ脈沖序列信號(hào)的區(qū)別如下：

（1）時(shí)域：NRZ脈沖寬度τ等于碼元周期Tb，RZ脈沖寬度τ小于碼元周期Tb(τ=Tb/m，其中m=2,3,4…)。

（2）頻域：NRZ功率譜沒有時(shí)鐘頻率的線譜分量，RZ功率譜則有之。

圖4-16單極性NRZ和RZ脈沖序列信號(hào)的時(shí)域和頻域波形圖

2．典型電路圖4-17非線性處理電路及其各點(diǎn)信號(hào)的波形圖

4.1.9時(shí)鐘提取

1．基本功能從非線性處理電路輸出的RZ信號(hào)中獲得按時(shí)鐘頻率fb振蕩的余弦信號(hào)。其中fb=1/Tb。2．典型電路：LC諧振放大器4.1.10限幅移相

1．基本功能將時(shí)鐘提取電路輸出的一列幅度變化很大的余弦振蕩信號(hào)進(jìn)行限幅，得到矩形脈沖信號(hào)，再經(jīng)過移相和電平變換，變成后