情境光檢測器與接收機(jī)

情境光檢測器與接收機(jī)第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四情境4-2

光檢測器與光接收機(jī)第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四4.2.1光檢測器4.2.2光電二極管4.2.3光接收機(jī)4.2.4光中繼器第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四光檢測器偏壓控制前置放大器AGC電路均衡器判決器時鐘提取再生碼流主放大器光信號數(shù)字光接收機(jī)前端線性通道時鐘提取數(shù)據(jù)再生第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的基本組成部分之一，主要完成光電檢測及信號處理，即實(shí)現(xiàn)光／電（O/E）轉(zhuǎn)換光接收機(jī)的首要任務(wù)是將微弱的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再對電信號進(jìn)行整形、放大以及再生光接收機(jī)的首要部件是光檢測器，它是影響著光接收機(jī)性能的重要器件第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測器能檢測出入射在其上面的光功率，并完成光/電信號的轉(zhuǎn)換。對光檢測器的基本要求是：①在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；②具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；③具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響；④具有良好的線性關(guān)系，以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真；⑤具有較小的體積、較長的工作壽命等。目前常用的半導(dǎo)體光電檢測器有兩種，PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管。4.2光電檢測器第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四

光檢測器1.光檢測器作用利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光檢測器件質(zhì)量的優(yōu)劣在很大程度上決定了光接收機(jī)靈敏度的高低。

從損耗的角度出發(fā)，光接收機(jī)靈敏度和光源器件的發(fā)光功率、光纖的損耗三者一起便決定了光纖通信的傳輸距離。第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四

PN結(jié)耗盡層內(nèi)建電場VCC當(dāng)PN結(jié)兩端加上反向偏置電壓時，耗盡區(qū)加寬，勢壘加強(qiáng)。第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四光電二極管的工作原理當(dāng)光照射到光電二極管的光敏面上時，能量大于或等于帶隙能量Eg的光子將激勵價帶上的電子吸收光子的能量而躍遷到導(dǎo)帶上，可以產(chǎn)生自由電子-空穴對（稱為光生載流子）。電子-空穴對在反向偏置的外電場作用下立即分開并在結(jié)區(qū)中向兩端流動，從而在外電路中形成電流（光電流）。第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四2.光纖通信對光檢測器的要求響應(yīng)度(量子效率)高響應(yīng)度是指輸入單位光功率信號時光檢測器所產(chǎn)生的電流值。因?yàn)閺墓饫w傳輸來的光信號十分微弱，僅有毫微瓦（nw）數(shù)量級，要想從中檢測出通信信息，光檢測器必須具有很高的響應(yīng)度，即必須具有很高的光/電轉(zhuǎn)換效率η。

噪聲低光檢測器在工作時會產(chǎn)生一些附加噪聲如暗電流噪聲、雪崩噪聲等。這些噪聲如果很大，就會附加在只有毫微瓦數(shù)量級的微弱光信號上，降低了光接收機(jī)的靈敏度。

工作電壓低與光源器件不同，光檢測器是工作在反向偏置狀態(tài)。有一類光檢測器件APD，必須處在接近反向擊穿狀態(tài)才能很好的工作，因此需要較高的工作電壓（100伏以上）。工作電壓過高,會給使用帶來不便。

體積小、重量輕、壽命長由于光檢測器的光敏面（接收光的面積）一般都可以做到大于光纖的纖芯，所以從光纖傳輸來的光信號基本上可以全部被光檢測器件接收，故不存在與光纖的耦合效率問題。

第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四3.光檢測器的類型光電倍增管熱電檢測器光電二極管PIN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PIN光電二極管和雪崩光電二極管APD與場效應(yīng)管（FET）組合成為PIN-FET和APD-FET接收機(jī)組件，這樣它們兼有光電轉(zhuǎn)換和放大作用第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四結(jié)構(gòu)普通光電二極管的工作原理

在耗盡區(qū)形成漂移電流。內(nèi)部電場的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動，空穴向P區(qū)運(yùn)動電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動PN結(jié)合區(qū)自建電場稱耗盡區(qū)

（1）PIN光電二極管第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四如果光子的能量大于或等于帶隙(hf≥Eg)當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時發(fā)生受激吸收在PN結(jié)施加反向電壓（N接正、P接負(fù)）的情況下，受激吸收過程產(chǎn)生的電子空穴對在電場的作用下,分別離開耗盡區(qū)，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，從而在外電路形成光生電流。當(dāng)入射功率變化時，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)變成電流信號。第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四PIN光電二極管的工作原理要得到高的量子效率，必須采取如下措施：(1)減小入射表面的反射率；(2)盡量減小光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡層的寬度。因此，為了得到高的量子效率，常采用PIN結(jié)構(gòu)，如圖5.2所示。

圖5.2PIN光電二極管第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四PIN光電二極管的工作原理I區(qū)是一層接近本征的摻雜很低的N區(qū)，在這種結(jié)構(gòu)中，零電場區(qū)（區(qū)和區(qū)）非常薄，而低摻雜的I區(qū)很厚，耗盡層幾乎占據(jù)了整個PN

結(jié)，從而使光子在耗盡區(qū)被充分吸收。對于InGaAs材料的光電二極管，往往還采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，耗盡區(qū)(InGaAs)夾在寬帶隙的InP材料之間，而InP對于入射光幾乎是透明的。第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四PIN光電二極管

光檢測器中最普通且實(shí)用是PIN光電二極管優(yōu)點(diǎn)：附加噪聲小、工作電壓低、工作壽命長、使用方便和價格便宜。缺點(diǎn)：沒有倍增效應(yīng)，因而用它作的接收機(jī)靈敏度不高。應(yīng)用：較短距離的光纖通信。（小容量與大容量皆可）第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四（2）APD雪崩光電二極管

1.結(jié)構(gòu)

APD是一個光電二極管和一個電信號放大器的集成器件。在PIN增加了一個π層（i區(qū)），組成了n+pπp+多層結(jié)構(gòu)。其中，n+表示重?fù)诫s的N型；p+表示外延的重?fù)诫s的P型。

π區(qū)是i本征材料（耗盡區(qū)），吸收光子產(chǎn)生一次電子－空穴對；p層位于n+和π之間，稱倍增層，通過碰撞電離在倍增層產(chǎn)生二次電子－空穴對。 第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)動機(jī)：在光生電流尚未遇到后續(xù)電路的熱噪聲時已經(jīng)在高電場的雪崩區(qū)中得到放大，因此有助于提高接收機(jī)靈敏度。（2）雪崩光電二極管APDPIN:1個光子最多產(chǎn)生一對電子-空穴對,無增益APD:利用電離碰撞,1個光子產(chǎn)生多對電子-空穴對,有增益第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四優(yōu)點(diǎn)：具有放大效應(yīng)，由它制成的光接收機(jī)具有很高靈敏度，可大大增加系統(tǒng)的傳輸距離。缺點(diǎn)：產(chǎn)生了雪崩噪聲。應(yīng)用：大容量、長距離的光纖通信。第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四4.2.2光電二極管特性1.主要特性參數(shù)量子效率響應(yīng)速度檢測器噪聲第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測器的特性指標(biāo)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：式中：Ip為光生電流的平均值(單位：A)；P為平均入射光功率值(單位：W)。第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四2.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：第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四

光檢測器常用另一個參數(shù)——響應(yīng)度R來衡量，其定義為光生電流Ip(A)與輸入光功率Pin（W）之比，即

因?yàn)槿肷涔夤β蔖in對應(yīng)于單位時間（秒）內(nèi)平均入射的光子數(shù)Pin/(hfc)，而入射光子的量子效率η部分被吸收，并在外電路中產(chǎn)生光電流，則有式中：e是電子電荷，其值約為1.6×10-19G；ν為光頻。第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四響應(yīng)度用波長表示為第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四輸入輸出特性：輸入光功率P，輸出光電流I，射入光電二極管激活區(qū)的光子越多，產(chǎn)生的載流子越多，光電流越大。I=RP（3.3-1）R是常量（響應(yīng)度）。其關(guān)系如下圖所示：圖3.3-2光電二極管的響應(yīng)度a)輸入輸出特性b)響應(yīng)度和波長的關(guān)系c)暗電流第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四例題：光電二極管的響應(yīng)度是0.85A/W，飽和輸入光功率是1.5mW，當(dāng)入射光功率是1mW和2mW時，光電流分別是多少？I=RP=[0.85A/W]×[1.5mW]=0.85mA當(dāng)輸入光功率是2mW時，公式I=RP不適用，因此我們無法得到光電流的值。解：當(dāng)輸入光功率是1mW時，由I=RP，可得，第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四3.響應(yīng)速度光電二極管的響應(yīng)速度是指它的光電轉(zhuǎn)換速度。它取決于以下三個因素：1、耗盡區(qū)的光載流子的渡越時間；2、耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光載流子的擴(kuò)散時間；3、光電二極管以及與其相關(guān)的電路的RC時間常數(shù)。

影響這三個因素的參數(shù)有：耗盡區(qū)寬度w、吸收系數(shù)as、等效電容、等效電阻等。第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四4.光電檢測器的噪聲輸出端光信噪比：S/N=光電流信號/(光檢測器噪聲功率+放大器噪聲功率)為了得到較高的信噪比：1.光檢測器具有較高的量子效率，以產(chǎn)生較大的信號功率2.使光檢測器和放大器噪聲盡可能的低第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四二.光檢測器的比較PIN二極管特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，電壓低，使用方便量子效率高噪聲小，帶寬較高APD二極管特點(diǎn)：靈敏度高高增益高電壓，結(jié)構(gòu)復(fù)雜噪聲大使用場合：PIN：廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)。在靈敏度要求不高的場合，一般都采用PINAPD：在光接收機(jī)靈敏度要求高的場合，采用APD。如小信號測量。第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四3.光檢測器的注意事項(xiàng)光電檢測器是反向加壓的，與光源的使用正好相反工作電壓應(yīng)選擇最佳偏壓，以便得到最大的信噪比更換檢測器時，應(yīng)選擇性能參數(shù)一致或接近的器件，以減少調(diào)試的工作量，應(yīng)調(diào)整活動連接器使之處于最佳位置，以保證接收機(jī)輸出的眼圖最清晰使用過程中應(yīng)防止高溫偏置、熱循環(huán)以及管子漏氣受濕度的影響防止靜電擊穿第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四復(fù)習(xí)題1、光電二極管的主要功能是什么？2、InGaAs光電二極管的量子效率是70%，它的響應(yīng)度是多少？3、響應(yīng)度是如何依賴光信號的波長的？4、P-I-N代表什么意思？5、與P-N光電二極管相比P-I-N的優(yōu)點(diǎn)是什么？6、與P-I-N光電二極管相比APD的優(yōu)點(diǎn)是什么？7、APD的缺點(diǎn)是什么？第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四4.2.3光接收機(jī)功能：把經(jīng)光纖遠(yuǎn)距離傳輸后的微弱信號檢測出來，放大再生成原來的電信號。第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四光接收機(jī)概述光纖通信系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩種傳輸系統(tǒng)。在這兩種不同系統(tǒng)中采用的光接收機(jī)分別稱為模擬光接收機(jī)和數(shù)字光接收機(jī)。相比于數(shù)字光接收機(jī)，模擬光接收機(jī)比較簡單，其原理框圖如圖5.8(a)所示。數(shù)字光接收機(jī)原理框圖如圖5.8(b)所示，可以看出，數(shù)字接收機(jī)更為復(fù)雜一些，在主放大器后還有均衡濾波器、自動增益控制電路、時鐘恢復(fù)與判決電路。第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四光接收機(jī)概述圖5.8光纖通信接收機(jī)原理框圖

第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四光信號光電變換前置放大主放大器均衡濾波判決器時鐘恢復(fù)輸出AGC電路性能指標(biāo):接收靈敏度、誤碼率或信噪比前端線性通道時鐘提取與數(shù)據(jù)再生（CDR）對信號進(jìn)行高增益放大與整形，提高信噪比，減少誤碼率1.數(shù)字光接收機(jī)組成第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四（1）光接收機(jī)的前端前端：由光電二極管和前置放大器組成。作用：將耦合入光電檢測器的光信號轉(zhuǎn)換為時變電流，然后進(jìn)行預(yù)放大（電流－電壓轉(zhuǎn)換），以便后級作進(jìn)一步處理。是光接收機(jī)的核心。要求：低噪聲、高靈敏度、足夠的帶寬電信號光信號光電變換前置放大第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四光檢測器的選擇：要視具體應(yīng)用場合而定。PIN光電二極管具有良好的光電轉(zhuǎn)換線性度，不需要高的工作電壓，響應(yīng)速度快。APD最大的優(yōu)點(diǎn)是它具有載流子倍增效應(yīng)，其探測靈敏度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度補(bǔ)償電路。從簡化接收機(jī)電路考慮，一般情況下多喜歡采用PIN光電二極管作光探測器。前置放大器的主要作用是保持探測的電信號不失真地放大和保證噪聲最小，一般采用場效應(yīng)晶體管(FET)。PIN/FET和APD/FET。第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四（2）光接收機(jī)的線性通道對主放輸出的失真數(shù)字脈沖進(jìn)行整形，使之成為有利于判決碼間干擾最小的升余弦波形。可根據(jù)輸入信號（平均值）大小自動調(diào)整放大器增益，使輸出信號保持恒定。用以擴(kuò)大接收機(jī)的動態(tài)范圍。提供高的增益，放大到適合于判決電路的電平。主放大器均衡濾波AGC電路第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四（3）判決再生與時鐘提取功能：把線性通道輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號為確定是“1”或是“0”，需要對某時隙的碼元作出判決。若判決結(jié)果為“1”，則由再生電路產(chǎn)生一個矩形“1”脈沖；若判決結(jié)果為“0”，則由再生電路重新輸入一個“0”。為了精確地確定“判決時刻”，需要從信號碼流中提取準(zhǔn)確的時鐘信息作為標(biāo)定，以保證與發(fā)送端一致。判決器時鐘恢復(fù)輸出第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四2.光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)接收靈敏度，反映了接收機(jī)檢測微弱信號的能力誤碼率或信噪比動態(tài)范圍，反映了接收機(jī)適應(yīng)輸入信號變化的能力第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四4.2.4光中繼器隨著傳輸線路的延長，會由于傳輸損耗而使脈沖衰減，同時加上傳輸線路的失真特性（光纖中的各種色散）產(chǎn)生脈沖波型的失真。因此，需要中繼器來進(jìn)行修復(fù)。光中繼器主要是放大和處理經(jīng)衰減和變形了的光脈沖。目前的光中繼器常采用光電再生中繼器，即光一電－光中繼器，這相當(dāng)于光纖傳輸?shù)慕恿φ?。如此，就可以把傳輸距離大大延長。中繼距離受光纖線路損耗和色散(帶寬)的限制，明顯隨傳輸速率的增加而減小。第41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四1.光中繼器的功能補(bǔ)償光能量損耗，對畸變失真的信號波形進(jìn)行整形2.光中繼器分類傳統(tǒng)的光中繼器（即光電中繼器）全光中繼器第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四（1）光電中繼器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首先將光纖中送來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后對電信號進(jìn)行放大，最后再將放大了的電信號轉(zhuǎn)換為光信號送到光纖中去，即光－電－光方式第43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四3R：re-amplifying

再放大（光放大器的功能）

re-timing

再定時（消除時間抖動）

re-shaping

再整形（消除波形畸變）通過這3個R，得到接近于發(fā)射端的光信號的copy，從而延長傳輸距離，提高信號質(zhì)量。第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四3R再生功能放大消除波形畸變消除時間抖動第45頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四優(yōu)點(diǎn)：光－電－光中繼方式對于單個波長且數(shù)據(jù)速率不太高的通信很適用缺點(diǎn)：對于高速率的多個波長系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，尤其在波分復(fù)用系統(tǒng)中問題更為顯著；另一方面，對于很高的數(shù)據(jù)速率，電放大器的實(shí)現(xiàn)難度很大第46頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四（2）全光中繼器全光中繼方式是直接在光路上放大光信號，即克服光纖衰減的最有效的措施