《光纖通信技術(shù)》第四章-光探測(cè)器與光接收系統(tǒng)

光纖通信技術(shù)通信與信息工程學(xué)院通信與信息工程學(xué)院1目錄第1章緒論第2章光纖光纜第3章光源與光發(fā)射系統(tǒng)第4章光探測(cè)器與光接收系統(tǒng)第5章光無源器件第6章光通信中的光放大器第7章光纖通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)2022/4/4通信與信息工程學(xué)院2第4章光探測(cè)器與光接收機(jī)通信與信息工程學(xué)院3本章內(nèi)容光子探測(cè)器光接收機(jī)框圖光接收機(jī)靈敏度接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和自動(dòng)增益控制(AGC)電路接收機(jī)的再生電路通信與信息工程學(xué)院4§4.1光子探測(cè)器光電探測(cè)器通常分為2類:(1)光子探測(cè)器（利用各種光子效應(yīng)）；（2）熱探測(cè)器（利用溫度）。光子效應(yīng)：光電子發(fā)射、光電導(dǎo)變化效應(yīng)、光生伏特、光電磁等。光熱效應(yīng)：溫差電、電阻率變化、自發(fā)極化強(qiáng)度變化、氣體體積和壓強(qiáng)變化等?；诠怆娮影l(fā)射效應(yīng)的器件在吸收了大于紅外波長的光子能量以后，器件材料中的電子能逸出材料表面，這各種器件稱為外光電效應(yīng)器件?；诠怆妼?dǎo)、光伏特和光電磁效應(yīng)的器件，在吸收了大于紅外波長的光子能量以后，器件材料中出現(xiàn)光生自由電子和空穴，這種器件稱為內(nèi)光電效應(yīng)器件。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院54.1.1光電子發(fā)射探測(cè)器應(yīng)用光電子發(fā)射效應(yīng)制成的光電探測(cè)器稱為光電子發(fā)射探測(cè)器。在光電子發(fā)射探測(cè)器中，入射輻射的作用是使電子從光電陰極表面發(fā)射到周圍的空間中，即產(chǎn)生光電子發(fā)射。產(chǎn)生光電子發(fā)射所需光電能量取決于光電陰極的逸出功。光電子發(fā)射的能量轉(zhuǎn)換公式為122V0hm為使價(jià)帶中的電子能躍遷到導(dǎo)帶上，必須使入射光子的能量大于禁帶寬度Eg，即hchc,即1.24m

Eg

c

EEgg使材料具有光電發(fā)射的截止波長λchc1.24()m

c

2022/4/4通信與信息工程學(xué)院6光電倍增管的工作原理圖是光電倍增管的工作原理圖。圖4-1中K為光電發(fā)射陰極，D為聚焦板，D1～D10為倍增極（或打拿極），A為收集電子的陽極。倍增極間的電壓逐級(jí)增加，極間電壓約為80～150V。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院7光電倍增管的性能光電倍增管的性能主要由陰極和倍增極以及極間電壓決定。負(fù)電子親和勢(shì)材料是目前最好的光電陰極材料。倍增極二次電子發(fā)射特性用二次系數(shù)σ描述，即

n

Nn1Nnσ值主要取決于倍增極材料和極間電壓如果倍增極的總數(shù)為n，且各級(jí)性能相同，考慮到電子的傳輸損失，則光電倍增管的電流增益M為f為第一倍增極對(duì)陰極發(fā)射電子的收集率；g為各倍增極之間的電子MfiAgn傳遞效率，良好的電子光學(xué)設(shè)計(jì)可iK始f、g值在0.9以上。n和σ值愈大，M值就愈高，但過多的倍增極不僅使倍增管加長，而且使電子渡越效應(yīng)變得嚴(yán)重，從而嚴(yán)重影響倍增管的頻率特性和噪聲特性。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院84.1.2光電導(dǎo)探測(cè)器圖4-2光敏電阻（以非本征n型半導(dǎo)體為例）分析模型2022/4/4通信與信息工程學(xué)院91.光電轉(zhuǎn)換規(guī)律圖中V表示外加偏置電壓，l、b和d分別表示n型半導(dǎo)體得三維尺寸，光功率P在x方向均勻入射，假定光電導(dǎo)材料的吸收系數(shù)為α，表面反射率為R，則光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化規(guī)律為xPxPR

e1相應(yīng)的光生面電流密度j（x）為jxevnx式中e為電子電荷，v為電子在外電場方向的漂移速度，n（x）為在x處的電子密度。流過電極的總電流為ddijxbdxevbnxdx

00

2022/4/4通信與信息工程學(xué)院10穩(wěn)態(tài)下，電子得復(fù)合率為n(x)/τ，而電子的產(chǎn)生率等于單位面積、單位時(shí)間吸收的光子數(shù)乘以量子效率η，產(chǎn)生率＝復(fù)合率得：xnx

1RPeτ為電子的平均壽命，hblη為量子效率應(yīng)用上面兩式得：e'iMPM為電荷放大系數(shù)hdx有效量子效率'1Rdx

0e

nVM為電荷放大系數(shù)，u是電子遷移率，寸。V為外加偏壓，l為結(jié)構(gòu)尺M(jìn)2nl2022/4/4通信與信息工程學(xué)院112.光電導(dǎo)探測(cè)電路典型的光電探測(cè)器在電路中的連接如圖4-3所示。電路中的參數(shù)Vb和RL均會(huì)影響輸出信號(hào)的電壓值，那么，如何選擇Vb和RL？2022/4/4通信與信息工程學(xué)院12從圖4-3可見，負(fù)載電阻RL兩端的直流壓降為

RLVVRLb

RRLd當(dāng)光輻射照到探測(cè)器上時(shí)，探測(cè)器電阻Rd就發(fā)生變化，負(fù)載電阻RL兩端壓降也就發(fā)生變化，這個(gè)電壓的變化量就是信號(hào)電壓VsVRLRLVVsb

RRdd2RdRRLd

VVsb

Rd12RL2

RLRRLd

RRLd當(dāng)上式等于0時(shí)，有RL＝Rd，信號(hào)電壓為極大值。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院13從圖4-3可見，在偏壓Vb作用下，通過探測(cè)器電流I為IVbRRLd

在探測(cè)器上消耗的功率P為PIR2d經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)－探測(cè)器的功耗不應(yīng)超過0.1W/cm2，若探測(cè)器的面積為Ad，則消耗功率不應(yīng)超過0.1Ad，與最大允許電壓關(guān)系為：212

Vbmax

RRLd

2VAbmax

0.1d0.1Ad2RdRRLd

Rd

Vb,max并不是最佳偏壓。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院14圖4-4信號(hào)、噪聲電壓隨偏流變化圖2022/4/4通信與信息工程學(xué)院153.幾種典型的光電導(dǎo)探測(cè)器簡介光電導(dǎo)探測(cè)器按晶體結(jié)構(gòu)可分為多晶和單晶兩類。多晶類多是薄膜型器件，如PbS、PbSe、PbTe等，單晶類中常見的有銻化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe）、碲錫鉛和摻雜型幾種。CdS和CdSe。這是兩種造價(jià)低的可見光輻射探測(cè)器（CdS：0.3～0.8μm，CdSe：0.3～0.9μm）。它們的主要特點(diǎn)是高可靠性和長壽命，因而廣泛用于自動(dòng)化技術(shù)中。PbS。這是一種性能優(yōu)良的近紅外輻射探測(cè)器，是在室溫條件下探測(cè)靈敏度最高的一種紅外探測(cè)器，室溫下的禁帶寬度為0.37eV，相應(yīng)的長波限為3μm。PbTe。在常溫下對(duì)4μm以內(nèi)的紅外光靈敏，冷卻到90K，可在5μm范圍內(nèi)使用。響應(yīng)時(shí)間約為10－4～10－5s。InSb。這也是一種良好的近紅外（峰值波長約為6μm）輻射探測(cè)器。HgCdTe探測(cè)器。HgCdTe是由半導(dǎo)體CdTe和半金屬HgTe采用半導(dǎo)體合金法混合而成的合金系統(tǒng)。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院16圖4-5不同工作溫度下InSb光電導(dǎo)探測(cè)器的光譜特性2022/4/4通信與信息工程學(xué)院17為了提高信噪比，英國首先研制成掃積型HgCdTe探測(cè)器，如圖4-6。它是由若干小的方形單元探測(cè)器排列成的線陣探測(cè)器，當(dāng)目標(biāo)的紅外像點(diǎn)沿長條方向掃過時(shí)，外加電場驅(qū)使光生載流子也沿光點(diǎn)掃描方向遷移，并使遷移速度與像點(diǎn)掃描速度同步，這樣可使信號(hào)積累（積分輸出）。若此掃積探測(cè)器由n個(gè)單元組成，信號(hào)將是單元探測(cè)器輸出的n倍，但由于噪聲的非相關(guān)性，噪聲只會(huì)增加根號(hào)n倍，因此信噪比可提高n1/2倍。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院18摻雜型光電導(dǎo)探測(cè)器。主要是以鍺（Ge）為主體材料摻有其它雜質(zhì)的雜質(zhì)半導(dǎo)體。它們主要用于8～14μm長波段內(nèi)。圖4-7摻雜型光電導(dǎo)探測(cè)器的光譜特性2022/4/4通信與信息工程學(xué)院19表4-1幾種光電導(dǎo)探測(cè)器的典型特性2022/4/4通信與信息工程學(xué)院204.1.3光伏探測(cè)器利用P－N結(jié)的光伏效應(yīng)而制作的光電探測(cè)器稱為光伏探測(cè)器。與光電導(dǎo)探測(cè)器不同，光伏探測(cè)器的工作特性要復(fù)雜些，P－N結(jié)受光照射時(shí)，即使沒有外加偏壓，P－N結(jié)自身也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開路電壓，這時(shí)如果將P－N結(jié)兩端短接，便有短路電流通過回路。因此利用利用光生伏特效應(yīng)制成的結(jié)型器件有光電池和光電二極管之分，而光電二極管又有兩種工作模式，光電導(dǎo)和光伏式，它們由外偏壓電路決定。1.兩種工作模式一個(gè)P—N結(jié)光伏探測(cè)器用圖4－8（a）中的符號(hào)表示，它等效為一個(gè)普通二極管和一個(gè)恒流源（光電流源）的并聯(lián)，如圖4－8（b）所示。在零偏壓時(shí)（圖4－8（c）），稱為光伏工作模式。當(dāng)外回路采用反偏壓V時(shí)（圖4－8（d）），即外加p端為負(fù)，n端為正的電壓時(shí)，稱為光導(dǎo)工作模式。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院21圖4－8光伏探測(cè)器及其工作模式示意圖2022/4/4通信與信息工程學(xué)院22普通二極管的伏安特性為euKT/iieDs1式中，iS為反向飽和電流，u是探測(cè)器兩端電壓，e是電子電荷，因而光伏探測(cè)器的總電流i為euKTiiiieiDs1式中iφ為光電流。光伏探測(cè)器的伏安特性如圖4－9所示。由圖可見第一象限是正偏壓狀態(tài)，iD本來很大，所以光電流iφ不起重要作用，因此在這一區(qū)域工作沒有意義。第三象限是反偏壓狀態(tài)，這時(shí)iD＝-iS，它對(duì)應(yīng)于光功率P=0時(shí)二極管的反向飽和電流，稱為暗電流，其數(shù)值很小，光電流iφ＝i-is。由于這種情況的外回路特性與光電導(dǎo)探測(cè)器十分相似，所以反偏壓下的工作方式稱為光導(dǎo)模式。第四象限中，外偏壓為零，當(dāng)負(fù)載電阻比較小時(shí)，RL3的負(fù)載線接近于理想的垂直負(fù)載線，這是，輸出光電流正比于入射功率，這種狀態(tài)工作模式叫光伏模式。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院23圖4－9光伏探測(cè)器的伏安特性2022/4/4通信與信息工程學(xué)院242．兩種工作模式的比較光導(dǎo)模式工作時(shí)，光電二極管加反偏壓，可以大大提高器件的頻率特性。此外反偏壓可增加長波端靈敏度及擴(kuò)展線性區(qū)上限。但反偏產(chǎn)生的暗電流引起較大的散粒噪聲，且頻率低于1KHz時(shí)還有1/f噪聲，這又限制了探測(cè)能力的下限。因光伏式二極管無偏壓工作，故暗電流造成的散粒噪聲小，且無1/f噪聲，有高得多的信噪比。光伏式二極管主要應(yīng)用于超低噪聲、低頻及儀器方面。光導(dǎo)式二級(jí)管則主要用來探測(cè)高速光脈沖和高頻調(diào)制光。3.光譜響應(yīng)和頻率特性光電二極管都有一定的光譜響應(yīng)范圍，圖4－10給出了Si光電二極管的光譜響應(yīng)曲線。高頻計(jì)算的簡化等效電路如圖4-11（b）所示，其截止頻率fc為f1c2RLCj通常又定義電路的時(shí)間常數(shù)Tc為

cj2.20.35/RLCfc2022/4/4通信與信息工程學(xué)院25圖4－10Si光電二極管光譜響應(yīng)曲線2022/4/4通信與信息工程學(xué)院26圖4－11光電二極管的高頻等效短路f1電路的時(shí)間常數(shù)：τ＝2.2RC截至頻率：ccLj2RCLj2022/4/4通信與信息工程學(xué)院274．常用的光伏探測(cè)器簡介(1)硅光電池。也稱太陽電池或光伏電池。工作在圖4－43所示的第四象限。價(jià)格便宜，光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜響應(yīng)寬，頻率特性好，壽命長，穩(wěn)定性好，耐高能輻射，適合近紅外探測(cè)。(2)PIN硅光電二極管。從前面光電二極管的討論中可知，載流子的擴(kuò)散時(shí)間和電路時(shí)間常數(shù)大約同數(shù)量級(jí)，是決定光電二極管響應(yīng)速度的主要因素。為了改善頻率特性，就得設(shè)法減小載流子擴(kuò)散時(shí)間和結(jié)電容，于是人們提出加一層中間本征層。(3)異質(zhì)結(jié)光電二極管。異質(zhì)結(jié)是由兩種不同的半導(dǎo)材料形成的P一N結(jié)。P一N結(jié)兩邊是由不同的基質(zhì)材料形成的，兩邊的禁帶寬度不同。通常以禁帶寬度大的一邊作為光照面，能量大于寬禁帶的光子被寬禁帶材料吸收，產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。如果光照面材料的厚度大于載流子的擴(kuò)散長度，則光生載流子達(dá)不到結(jié)區(qū)，對(duì)光電信號(hào)無貢獻(xiàn)。而能量小于寬禁帶的長波載流子卻能順利到達(dá)結(jié)區(qū)，被窄禁帶材料吸收，產(chǎn)生光電信號(hào)。(4)雪崩光電極管（APD）。以上討論的光電二極管都是沒有內(nèi)部增益的，即增益≤１。這里討論的雪崩二極管是有內(nèi)部增益的，增益可達(dá)102～104。它是利用雪崩管在高的反向偏壓下發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)而制成的光電探測(cè)器。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院28光電流增益的大小用倍增因子M表示。實(shí)驗(yàn)表明，M隨反向偏壓V的變化可用加下的經(jīng)驗(yàn)公式近似表示M11VnVB為擊穿電壓，n為與材料VB有關(guān)的常數(shù)

APD的噪聲主要是散粒噪聲預(yù)熱噪聲，噪聲電流有效值可寫為12

24KTfIeMFfn2iiisbDReq11M2r是電子和空穴電離概率rMFM11rM2022/4/4通信與信息工程學(xué)院29（5）Schottky勢(shì)壘光電二極管。這是一種由金屬和半導(dǎo)體接觸所制成的光電二極管，反向偏壓狀態(tài)，內(nèi)建電場從集工作原理：基區(qū)和集電區(qū)處于所以這種光電二極管也稱為金屬半導(dǎo)體光電二極管。要求反偏壓工作，光從金屬一電區(qū)指向基區(qū)。光照基區(qū)，產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，光生電子在內(nèi)電場作用下漂移到集電區(qū)，空穴留在基區(qū)，使基區(qū)電位升高，這相當(dāng)于EB結(jié)上加了個(gè)正側(cè)入射。為使透光性好，金屬是用真空鍍膜技術(shù)制成的金屬膜，厚度只有幾十埃。(6)光電三極管。光電三極管具有內(nèi)增益，偏壓，基極電位升高，發(fā)射極但獲得內(nèi)增益的途徑不是雪崩效應(yīng)，而是便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，最后形成光電流。光電流隨光照強(qiáng)弱而變化。利用一般晶體管的電流放大原理。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院30(7)InSb光伏探測(cè)器。InSb材料既可作光電導(dǎo)探測(cè)器，也可制成P－N結(jié)光伏探測(cè)器。常以P型層表面作光照面，產(chǎn)生的少數(shù)載流子是電子，具有較大的遷移率和擴(kuò)散長度，這樣可以使大多數(shù)的光生少數(shù)載流子擴(kuò)散到PN結(jié)而形成光生電動(dòng)勢(shì)，因而可使靈敏度較高。是在3～5um波段內(nèi)常用的高性能紅外探測(cè)器。（8）HGCdTe光伏探測(cè)器。近20年來在紅外探測(cè)器方面最卓越約成績是HgCdTe探測(cè)器的研制成功及投入使用。和光電導(dǎo)型HgCdTe一樣，可采用半導(dǎo)體合金法將化合物CdTe和HgTe合成Hg1－xCdxTe合金。若在P型HgCdTe中將Hg擴(kuò)散進(jìn)去，表面將形成N型層，從而構(gòu)成PN結(jié)，改變組份x就可以改變HgCdTe探測(cè)器的工作波段。（9）長波長紅外焦平面陣列。隨著軍事和遙感遙測(cè)科學(xué)的發(fā)展，對(duì)由大量單元紅外探測(cè)器構(gòu)成的高密度焦平面陣列的要求日益迫切，尤其使8～14μm的長波長紅外波段的探測(cè)器對(duì)接近景物的目標(biāo)最為敏感，因此一直是紅外焦平面陣列研究的主要方向之一。期望能利用成熟的工藝制作、波長可調(diào)，并可將探測(cè)器與信號(hào)處理及讀出電路集成在同一芯片上的大面積長波紅外焦平面陣列。此概念20世紀(jì)70年代提出，80年代分子束外延和金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積等工藝的發(fā)展，才成功地生長出能制作長波紅外探測(cè)器所必須的異質(zhì)結(jié)GexSi1-x/Si等偽合金及GexSi1-x-GexSi1-x/Si異質(zhì)結(jié)內(nèi)光發(fā)射的長波紅外探測(cè)器陣列。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院314.1.4其它光子探測(cè)器簡介1.光子牽引探測(cè)器光子牽引探測(cè)器是一種非勢(shì)壘光伏效應(yīng)探測(cè)器。它和HgCdTe光電二極管一樣適用于10.6μm的激光波長探測(cè)。但是HgCdTe光電二極管只能在微弱光信號(hào)下使用，而光子牽引探測(cè)器則適用于強(qiáng)光探測(cè)。因此它廣泛用于CO2脈沖激光器輸出的探測(cè)。P型鍺的光子牽引探測(cè)器示意圖這種探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快，可在損傷閾值高及室溫下工作，不需要電源。缺點(diǎn)是靈敏度低，典型器件的單位帶寬等效噪聲功率為10－3W，只有在強(qiáng)光下才能使用。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院322.光電磁探測(cè)器如圖4－12所示，將半導(dǎo)體置于強(qiáng)磁場中，當(dāng)半導(dǎo)體表面受到光輻射照射時(shí)，在表面產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，并且濃度逐漸增大，電子和空穴便向體內(nèi)擴(kuò)散，在擴(kuò)散過程中，受到強(qiáng)磁場的洛倫茲力的作用，使空穴和電子的偏轉(zhuǎn)方向相反，從而在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)電場，阻礙著電子和空穴的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，如果這時(shí)將半導(dǎo)體兩端短路，則產(chǎn)生短路電流；開路時(shí)，則有開路電壓。這種現(xiàn)象叫做光電磁效應(yīng)。利用這種效應(yīng)制成的光電探測(cè)器叫做光電磁探測(cè)器（PME器件）。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院33圖4－12光電磁效應(yīng)2022/4/4通信與信息工程學(xué)院34圖4－13Pb－PbO－Pb隧道結(jié)的伏安特性曲線3.Josephson結(jié)探測(cè)器在兩超導(dǎo)薄膜之間被一層（厚約10?）電介質(zhì)隔開，這種結(jié)構(gòu)稱為Jesephson結(jié)，或超導(dǎo)隧道結(jié)。若通過隧道結(jié)的電流小于某一臨界值，在結(jié)上沒有電位降，則在隧道結(jié)的伏安特性曲線中存在一個(gè)零電壓的電流。若通過隧道結(jié)的電流超過這個(gè)臨界值，在結(jié)上將產(chǎn)生電位降，這時(shí)在伏安特性曲線中，將沿著測(cè)量負(fù)載線跳到正常電子隧道的曲線上，如圖4－13所示。這種在隧道結(jié)中有隧道電流通過而不產(chǎn)生電位降的現(xiàn)象，稱之為直流Josephson效應(yīng)。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院35若在隧道結(jié)上維持一個(gè)有限的電位降V，在隧道結(jié)兩超導(dǎo)體之間將有一個(gè)頻率為f的交流電流通過，頻率f和電壓V之間有下述關(guān)系E為電子電荷，h為普fehV2/朗克常數(shù)若隧道結(jié)受到光輻射照射時(shí)，在一系列分立的電壓值上可以感應(yīng)出額外的直流電流，則在隧道結(jié)的直流伏安特性曲線上，出現(xiàn)常電壓－電流階梯現(xiàn)象。階梯處的電壓Vn和外加輻照信號(hào)頻率f的關(guān)系為nfeh2/Vnn為階梯級(jí)數(shù)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，由于隧道結(jié)受到輻射照射時(shí)，在結(jié)上可以感應(yīng)出交流電壓，而這交流電壓反過來對(duì)結(jié)上的Josephson電流進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生許多使電流增大的邊帶。利用Josephson結(jié)效應(yīng)可以研制出從射頻到遠(yuǎn)紅外的寬廣頻率范圍內(nèi)、靈敏度為皮瓦的探測(cè)器。在射電天文、毫米波通信等方面有實(shí)際應(yīng)用。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院36§4.2光接收機(jī)框圖探測(cè)器前置主放大器均衡器判決器譯碼器光信號(hào)放大器AGC時(shí)鐘提取電路探測(cè)器：實(shí)現(xiàn)光電變換。前放：主放：均衡器：保證判決時(shí)不存在碼間干擾。判決器，時(shí)鐘提取：對(duì)信號(hào)進(jìn)行再生。AGC電路：改變接收機(jī)的增益，擴(kuò)大接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。實(shí)現(xiàn)低噪聲放大。提供足夠的增益，且增益受AGC電路的控制。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院37§4.3光接收機(jī)的靈敏度接收靈敏度定義保證達(dá)到給定誤碼率的條件下，光接收機(jī)需要的最小平均光功率。(Pmin:W，dBm)2022/4/4通信與信息工程學(xué)院38BER10-410-510-610-7給定BER10-810-910-10P(dBm)-32-30-28-26-24接收靈敏度Pmin2022/4/4通信與信息工程學(xué)院39靈敏度與碼速的關(guān)系fbPmin(變差)PIN:Pminfb3/2-20Pmin(dBm)-30PIN(4.5dB/比特率倍程)APD：Pminfb7/6-40APD(3.5dB/比特率倍程)-50APD比PIN改善-60靈敏度5-10dB靈敏度與量子極限-70量子極限差10dB左右-801101001000fb(Mb/s)2022/4/4通信與信息工程學(xué)院40LD消光比對(duì)靈敏度的影響EXTPmin惡化□對(duì)于PINPmin9EXT(%)(dB)□對(duì)于APDPmin18EXT(%)(dB)例：EXT=10%Pmin=1.8dB2022/4/4通信與信息工程學(xué)院41各種因素對(duì)靈敏度的影響探測(cè)器噪聲

量子噪聲

暗電流噪聲

倍增噪聲倍增失調(diào)—雪崩增益偏離最佳值

放大器噪聲----影響靈敏度的最主要因素碼速率消光比2022/4/4通信與信息工程學(xué)院42各種因素對(duì)靈敏度的影響LD量子噪聲

光子數(shù)的隨機(jī)起伏模式分配噪聲

多縱模LD各模式攜帶能量的隨機(jī)變化模式噪聲

多模光纖鏈路中連接,耦和等單元的空間濾波效應(yīng)反射噪聲

LD輸出的光反射回LD諧振腔中影響光強(qiáng),光譜等

其它多路徑反射2022/4/4通信與信息工程學(xué)院43無碼間干擾判決的條件□線性相移傳輸系統(tǒng)：

H()=0

H()+H(2/Tb-)=C>2/Tb0<<2/TbH()+=

/Tb

/Tb

/Tb2022/4/4通信與信息工程學(xué)院44升余弦形頻譜在光纖通信系統(tǒng)中，常設(shè)計(jì)均衡網(wǎng)絡(luò)使輸出波形具有升余弦形頻譜?！躅l譜10<(1-)/Tb1[1+sinTb(2-)](1-)(1+)A()=2TbTbTb0>(1+)Tb2022/4/4通信與信息工程學(xué)院45升余弦形頻譜□頻譜A()1=0.50.5=1

-2/Tb-/Tb

/Tb2/Tb:滾降因子，0<1，表示頻譜曲線滾降的快慢。=1滾降最慢。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院46升余弦形頻譜□波形sin(t/Tb)cos(t/Tb)hout(t)=tTb[1-(Tb)2]2thout(t)=1t-4Tb-3Tb-2Tb-Tb0Tb2Tb3Tb4Tb2022/4/4通信與信息工程學(xué)院47升余弦形頻譜□波形

hout(0)=1

hout(nTb)=0n=±1,±2,±3,..

本碼元判決時(shí)刻信號(hào)最大，

相鄰碼元判決時(shí)刻信號(hào)為零，無碼間干擾。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院48均衡網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)Heq()為實(shí)現(xiàn)無碼間干擾判決需滿足S()?Hof()?Ham()?Heq()=A()S():Hof():光纖的傳遞函數(shù)Ham():放大器的傳遞函數(shù)發(fā)送脈沖的頻譜A()Heq()=S()?Hof()?Ham()均衡網(wǎng)絡(luò)與發(fā)送脈沖波形，光纖特性，放大器特性有關(guān)。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院49均衡電路網(wǎng)絡(luò)綜合問題。眼圖分析法眼圖------隨機(jī)信號(hào)在反復(fù)掃描過程中疊加在一起的綜合反應(yīng)。發(fā)送脈沖眼圖：Tb均衡輸出眼圖：2022/4/4通信與信息工程學(xué)院50最佳判決時(shí)刻眼圖分析法模型化眼圖：判決門限V1V2t1t2□垂直張開度：E

=V1/V2反映系統(tǒng)的抗噪聲能力。□水平張開度：E

=t1/t2反映過門限失真的大小。E

小會(huì)導(dǎo)致提取出的時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)增加?！跹蹐D的張開度受噪聲和碼間干擾的影響。2022/4/4通信與信息工程學(xué)院51§4.4接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和自動(dòng)增益控制(AGC)電路接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍保證達(dá)到給定誤碼率的條件下，允許接收光功率的變化范圍。(dB)------反映接收機(jī)接收強(qiáng)信號(hào)的能力。系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的要求：D(dB)=[PTR(dBm)-10dB]~Pmin(dBm)可正常接收比發(fā)送功率小10dB的光功率例：fb=34Mb/s,Pmin=-44dBm,PTR=-3dBm要求：D=31dB2022/4/4通信與信息工程學(xué)院52接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍BER10-4D(dB)=Pmax(dBm)-Pmin(dBm)10-510-610-7動(dòng)態(tài)范圍D給定BER10-810-910-10≈P(dBm)-32-30-28-12-10-8-6接收靈敏度Pmin過載功率Pmax2022/4/4通信與信息工程學(xué)院53自動(dòng)增益控制電路框圖光電前置主放均衡判決檢測(cè)放大APDAGC峰值高壓放大檢測(cè)擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍方法：

控制APD的雪崩增益

D(dB)=10lg(Gopt/Gmin)+?Da(dB)控制主放大器的增益2022/4/4通信與信息工程學(xué)院54APD雪崩增益控制電路G控制范圍：D=10lg(Gopt/GGoptmin)Gopt:30~100Gmin受噪聲限制VVminVoptGmin:5~10受響應(yīng)速度限制APD高壓D：10dB左右VD1VminVD2Vopt-VD1WD1WD2AGC信號(hào)