光探測及光接收機詳解演示文稿

光探測及光接收機詳解演示文稿當(dāng)前第1頁\共有59頁\編于星期四\19點優(yōu)選光探測及光接收機當(dāng)前第2頁\共有59頁\編于星期四\19點二、填空題1.

是把兩個光纖端面結(jié)合在一起，以實現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性(固定)連接。2.DFB激光器腔體損耗與

有關(guān)3.激光器的閾值電流和輸出功率 對

很敏感。當(dāng)前第3頁\共有59頁\編于星期四\19點三、名詞解釋 1.DFB 2.光環(huán)行器 3.連接器 4.耦合器 5.光開關(guān) 6波分復(fù)用器當(dāng)前第4頁\共有59頁\編于星期四\19點第五章光探測及光接收機光電檢測器原理、性能和分類直接檢測接收機的構(gòu)成、信噪比、靈敏度和比特誤碼率當(dāng)前第5頁\共有59頁\編于星期四\19點光探測器當(dāng)前第6頁\共有59頁\編于星期四\19點前言發(fā)射機發(fā)射的光信號經(jīng)光纖傳輸后，由第二章我們知道，不僅幅度衰減了，而且脈沖波形也展寬了。光接收機的作用就是檢測經(jīng)過傳輸后的微弱光信號，并放大、整形、再生成原輸入信號。它的主要器件是利用光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕墓怆姍z測器。對光電檢測器的要求是靈敏度高、響應(yīng)快、噪聲小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面應(yīng)與光纖芯徑匹配。用半導(dǎo)體材料制成的光電檢測器正好滿足這些要求。當(dāng)前第7頁\共有59頁\編于星期四\19點5.1光探測原理發(fā)生受激吸收產(chǎn)生一個電子空穴對;在PN結(jié)施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子空穴對，在電場的作用下，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。當(dāng)前第8頁\共有59頁\編于星期四\19點假如入射光子的能量超過禁帶能量Eg，耗盡區(qū)每次吸收一個光子，將產(chǎn)生一個電子空穴對，發(fā)生受激吸收。光探測原理----受激吸收當(dāng)前第9頁\共有59頁\編于星期四\19點在PN結(jié)施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成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，空穴和從負(fù)電極進(jìn)入的電子復(fù)合，電子則離開N區(qū)進(jìn)入正電極。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。W為禁帶寬度，又稱為耗盡區(qū)寬度。圖5.1.1PN結(jié)光電檢測原理說明當(dāng)前第10頁\共有59頁\編于星期四\19點光電檢測器響應(yīng)度當(dāng)前第11頁\共有59頁\編于星期四\19點5.2光電探測器

光纖通信中最常用的光電檢測器是:

PIN光電二極管雪崩光電二極管(APD) 現(xiàn)分別介紹如下當(dāng)前第12頁\共有59頁\編于星期四\19點5.2.1PIN光電二極管

----工作原理 簡單的PN結(jié)光電二極管具有兩個主要的缺點。首先，它的結(jié)電容或耗盡區(qū)電容較大，RC時間常數(shù)較大，不利于高頻調(diào)制。其次，它的耗盡層寬度最大也只有幾微米，此時長波長的穿透深度比耗盡層寬度W還大，所以大多數(shù)光子沒有被耗盡層吸收，因此長波長的量子效率很低。當(dāng)前第13頁\共有59頁\編于星期四\19點 為了克服PN管存在的問題，人們采用PIN光電二極管PIN二極管與PN二極管的主要區(qū)別是，在P和N層之間加入了一個I層，作為耗盡層。I層的寬度較寬，約有（5~50）m，可吸收絕大多數(shù)光子，使光生電流增加。圖5.2.1PIN光電二極管當(dāng)前第14頁\共有59頁\編于星期四\19點1.PIN光電二極管的響應(yīng)時間當(dāng)前第15頁\共有59頁\編于星期四\19點2.光電二極管的響應(yīng)波長當(dāng)前第16頁\共有59頁\編于星期四\19點光電二極管的響應(yīng)波長當(dāng)前第17頁\共有59頁\編于星期四\19點圖5.2.2PIN光電二極管的波長響應(yīng)曲線當(dāng)前第18頁\共有59頁\編于星期四\19點3.PIN光電二極管的性能參數(shù)量子效率

響應(yīng)度R暗電流，表示無光照時出現(xiàn)的反向電流，它影響接收機的信噪比;響應(yīng)速度,它表示對光信號的反應(yīng)能力，常用對光脈沖響應(yīng)的上升或下降沿表示;結(jié)電容(pF),它影響響應(yīng)速度。當(dāng)前第19頁\共有59頁\編于星期四\19點例題PIN光電二極管的靈敏度當(dāng)前第20頁\共有59頁\編于星期四\19點5.2.2雪崩光電二極管雪崩光電二極管（APD）是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度探測器。APD的光敏面是

區(qū)，緊接著是三個摻雜濃度逐漸加大的P區(qū)，分別標(biāo)記為P,π,和。APD的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計，使它能承受高的反向偏壓，從而在PN結(jié)內(nèi)部形成一個高電場區(qū)。APD能提供內(nèi)部增益,且工作速度高， 已廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中。當(dāng)前第21頁\共有59頁\編于星期四\19點光生的電子空穴對經(jīng)過高電場區(qū)時被加速。從而獲得足夠的能量，它們在高速運動中與P區(qū)晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子電離，從而產(chǎn)生新的電子空穴對。這種通過碰撞電離產(chǎn)生的電子空穴對，稱為二次電子空穴對。新產(chǎn)生的二次電子和空穴在高電場區(qū)里運動時又被加速，又可能碰撞別的原子，這樣多次碰撞電離的結(jié)果，使載流子迅速增加，反向電流迅速加大，形成雪崩倍增效應(yīng)。1.APD工作原理

當(dāng)前第22頁\共有59頁\編于星期四\19點2.平均雪崩增益當(dāng)前第23頁\共有59頁\編于星期四\19點5.2.3響應(yīng)帶寬當(dāng)前第24頁\共有59頁\編于星期四\19點光電二極管響應(yīng)帶寬定義當(dāng)前第25頁\共有59頁\編于星期四\19點上升時間定義為輸入階躍光功率時，探測器輸出光電流最大值的10%到90%所需的時間。上升時間定義當(dāng)前第26頁\共有59頁\編于星期四\19點受RC時間常數(shù)限制的帶寬當(dāng)前第27頁\共有59頁\編于星期四\19點當(dāng)前第28頁\共有59頁\編于星期四\19點圖5.2.2APD波長響應(yīng)曲線當(dāng)前第29頁\共有59頁\編于星期四\19點例題帶寬當(dāng)前第30頁\共有59頁\編于星期四\19點例題InGaAsAPD響應(yīng)度當(dāng)前第31頁\共有59頁\編于星期四\19點例題SiAPD當(dāng)前第32頁\共有59頁\編于星期四\19點

MSM光電探測器金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM,Metal-Semiconductor-Metal）光電探測器與PN結(jié)二極管結(jié)構(gòu)不同。它是另一種類型的光電探測器。然而，它的光/電轉(zhuǎn)換的基本原理卻仍然相同，即入射光子產(chǎn)生電子-空穴對，電子-空穴對的流動就產(chǎn)生了光生電流。當(dāng)前第33頁\共有59頁\編于星期四\19點圖5.2.5MSM光電探測器結(jié)構(gòu)當(dāng)前第34頁\共有59頁\編于星期四\19點MSM光電

探測器原理象手指狀的平面金屬電極沉淀在半導(dǎo)體的表面，這些電極交替地施加電壓，所以這些電極間存在著相當(dāng)高的電場。光子撞擊電極間的半導(dǎo)體材料，產(chǎn)生電子-空穴對，然后電子被正極吸引過去，而空穴被負(fù)極吸引過去，于是就產(chǎn)生了光生電流。與PIN和APD探測器相比，這種結(jié)構(gòu)的結(jié)電容小，所以它的帶寬大，這種器件很有可能工作在300GHz。另外它的制造也容易。但缺點是靈敏度低（0.4~0.7A/W），因為半導(dǎo)體材料的一部分面積被金屬電極占據(jù)了，所以有源區(qū)的面積減小了。當(dāng)前第35頁\共有59頁\編于星期四\19點5.3數(shù)字光接收機接收機的設(shè)計很大程度上取決于發(fā)射機使用的調(diào)制方式，特別是與傳輸信號的種類，即模擬或數(shù)字信號有關(guān)。因為大多數(shù)光波系統(tǒng)使用數(shù)字調(diào)制方式，所以在本章中，我們集中討論數(shù)字光接收機。關(guān)于模擬接收機的設(shè)計，我們將在第六章和第八章中討論。數(shù)字光接收機最主要的性能指標(biāo)是接收光的靈敏度和光的動態(tài)范圍。當(dāng)前第36頁\共有59頁\編于星期四\19點圖5.3.1數(shù)字光接收機原理組成圖當(dāng)前第37頁\共有59頁\編于星期四\19點接收機前端的光電二極管通常采用PIN或APD,它是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，直接影響光接收機的靈敏度。低噪聲前置放大器的作用是放大光電二極管產(chǎn)生的微弱電信號，以供主放大器進(jìn)一步放大和處理。由于干擾和噪聲的影響，接收機不是對任何微弱信號都能正確接收的。雖然放大器的增益可以做得很大，但在弱信號被放大的同時，噪聲也被放大了，當(dāng)接收信號太弱時，必定會被噪聲淹沒。當(dāng)前第38頁\共有59頁\編于星期四\19點5.3.1前置

放大器前置放大器在減弱或防止電磁干擾和抑制噪聲方面起著特別重要的作用，所以精心設(shè)計前置放大器就顯得特別重要。光電二極管把光比特流轉(zhuǎn)變成隨時間變化的電信號。前置放大器的作用是放大該電信號，以供主放大器進(jìn)一步放大和處理。前置放大器的設(shè)計,要求在帶寬和靈敏度之間進(jìn)行折衷。當(dāng)前第39頁\共有59頁\編于星期四\19點圖5.3.2光接收機

前置放大器等效電路當(dāng)前第40頁\共有59頁\編于星期四\19點負(fù)載電阻跨接到反向放大器的輸入和輸出端，盡管RL仍然很大，但負(fù)反饋使輸入阻抗減小了G倍，因此帶寬也比高阻抗放大器的擴大了G倍。它的靈敏度高、頻帶寬。動態(tài)范圍也比高阻抗前置放大器的大。因此光接收機常使用這種結(jié)構(gòu)的前放。轉(zhuǎn)移阻抗前置放大器當(dāng)前第41頁\共有59頁\編于星期四\19點5.3.2線性放大由主放大器、低通濾波器和自動增益控制電路組成。有時候，為了校正和補償前端對帶寬的限制，在主放大器之前還要插入一個均衡器。低通濾波器的作用是整形電壓脈沖，減小噪聲，同時避免引入更多的碼間干擾。采用自動增益控制電路，在接收機平均入射光功率一定的變化范圍內(nèi)，可以把放大器的增益自動控制在固定的輸出電平上。當(dāng)前第42頁\共有59頁\編于星期四\19點5.3.3

數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)恢復(fù)電路包括判決電路和時鐘恢復(fù)電路。它的任務(wù)是把均衡器輸出的升余弦信號恢復(fù)成數(shù)字信號。首先要提取時鐘信號，在最佳的取樣時間對升余弦信號進(jìn)行取樣，然后將取樣幅度與判決閾值進(jìn)行比較，確定碼元是“0”還是“1”，從而把升余弦波形恢復(fù)再生成原傳輸?shù)臄?shù)字信號。最佳的判決時間應(yīng)是升余弦波形的正負(fù)峰值點，這時取樣幅度最大，抵抗噪聲的能力最強。當(dāng)前第43頁\共有59頁\編于星期四\19點選取最佳的判決時間當(dāng)前第44頁\共有59頁\編于星期四\19點5.3.4眼圖分析法在實驗室里觀察碼間干擾是否存在的最直觀、最簡單的方法是眼圖分析法。通常誤碼率的典型值為10–9。將均衡濾波器輸出的隨機脈沖序列輸入到示波器的Y軸，用時鐘信號作為外觸發(fā)信號，就可觀察到眼圖。眼圖的張開度受噪聲和碼間干擾的影響，當(dāng)輸出端信噪比很大時，張開度主要受碼間干擾的影響。因此，觀察眼圖的張開度就可以估計出碼間干擾的大小，這給均衡電路的調(diào)整提供了簡單而適用的觀測手段。當(dāng)前第45頁\共有59頁\編于星期四\19點NRZ碼數(shù)字光接收機眼圖

當(dāng)前第46頁\共有59頁\編于星期四\19點5.4接收機信噪比(SNR)定義SNR為平均信號功率和噪聲功率之比光接收機使用光電二極管，將入射光功率轉(zhuǎn)換為電流當(dāng)入射光功率不變時，兩種基本的噪聲，散粒噪聲和熱噪聲也會引起光生電流的起伏電流起伏引入的電噪聲影響接收機性能本節(jié)回顧噪聲機理，并討論光接收機的信噪比(SNR)當(dāng)前第47頁\共有59頁\編于星期四\19點5.4.1PIN光接收機SNR當(dāng)前第48頁\共有59頁\編于星期四\19點熱噪聲受限SNR當(dāng)均方根熱噪聲（散粒噪聲），即很小時，接收機性能受限于熱噪聲，在上式中，忽略散粒噪聲后，SNR變?yōu)?/p>

該式表明在熱噪聲占支配地位時，SNR隨變化，且增加負(fù)載電阻也可以提高SNR。這就是為什么大多數(shù)接收機使用高阻或轉(zhuǎn)移阻抗前置放大器的道理。當(dāng)前第49頁\共有59頁\編于星期四\19點散粒噪聲受限SNR當(dāng)前第50頁\共有59頁\編于星期四\19點5.4.2APD接收機當(dāng)前第51頁\共有59頁\編于星期四\19點當(dāng)前第52頁\共有59頁\編于星期四\19點當(dāng)前第53頁\共有59頁\編于星期四\19點當(dāng)前第54頁\共有59頁\編于星期四\19點5.5