光纖通信系統(tǒng)（第3版） 課件 第4、5章 光檢測(cè)和光接收機(jī)、光路無源器件

光纖通信系統(tǒng)2本章要點(diǎn)光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的主要組成部分，其性能是整個(gè)光纖通信系統(tǒng)性能的綜合反映。由光發(fā)送機(jī)發(fā)出的光信號(hào)在光纖線路中傳輸時(shí)，不僅會(huì)受到損耗的影響而造成幅度衰減，同時(shí)光纖色散和非線性效應(yīng)等可能會(huì)引起脈沖波形展寬，由此造成的信號(hào)質(zhì)量下降會(huì)增加接收機(jī)接收信號(hào)的難度，這些都對(duì)接收機(jī)的性能提出了較高的要求。光接收機(jī)的主要作用是將經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減，波形被展寬的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并經(jīng)放大處理，恢復(fù)為原來的信號(hào)。本章教學(xué)課時(shí)為4學(xué)時(shí)。34.1半導(dǎo)體光檢測(cè)器件光檢測(cè)器的作用是將光纖輸出的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，它是影響光接收機(jī)性能的重要器件。光纖通信系統(tǒng)對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是：波長(zhǎng)段內(nèi)響應(yīng)度或靈敏度要高具有足夠的帶寬和響應(yīng)速度由檢測(cè)器引入的附加噪聲必須最低，暗電流、漏電流和并聯(lián)電導(dǎo)必須最小較低的偏壓或偏流，具有高可靠性和長(zhǎng)壽命較小的幾何尺寸，便于與光纖及其他電路組裝44.1.1光檢測(cè)原理最基本的半導(dǎo)體光檢測(cè)器是由反向偏置的PN結(jié)構(gòu)成的。自建場(chǎng)的作用使電子和空穴產(chǎn)生了與擴(kuò)散方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)。在PN結(jié)界面附近形成了高電場(chǎng)的耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)兩邊，電場(chǎng)基本為0，稱為擴(kuò)散區(qū)。耗盡區(qū)和擴(kuò)散區(qū)均為光子的吸收區(qū)，在入射光照射下，可以吸收光能量產(chǎn)生光生載流子。圖4-1光敏二極管中的PN結(jié)56圖4-2光生電流中的漂移和擴(kuò)散7反向偏壓工作的光電二極管為了克服由于光生載流子擴(kuò)散速度慢于漂移速度而引起的響應(yīng)變慢現(xiàn)象，對(duì)光電二極管采用反向偏壓。反向偏壓增加了耗盡區(qū)的寬度，從而減少了光生電流中的擴(kuò)散分量，同時(shí)增強(qiáng)的電場(chǎng)也會(huì)加快光生載流子的漂移速度，有利于加快光生載流子的響應(yīng)時(shí)間。84.1.2.PIN光敏二極管在上述的光電二極管的PN結(jié)中間摻入一層濃度很低的N型半導(dǎo)體，就可以增大耗盡區(qū)的寬度，達(dá)到減小擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響，提高響應(yīng)速度的目的。

由于這一摻入層的摻雜濃度低，近乎本征（Intrinsic）半導(dǎo)體，故稱I層。因此這種結(jié)構(gòu)稱為PIN光電二極管。I層較厚，幾乎占盡了整個(gè)耗盡區(qū)。絕大部分的入射光在I層內(nèi)被吸收并產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)。在I層兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，P層和N層很薄，吸收入射光的比例很小。光生電流中漂移分量占了主導(dǎo)地位，這就大大加快了響應(yīng)速度。9圖4-3PIN光電二極管結(jié)構(gòu)及各層電場(chǎng)分布10PIN光電二極管的主要特性截止波長(zhǎng)和吸收系數(shù)響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)速度線性飽和暗電流噪聲11截止波長(zhǎng)和吸收系數(shù)只有入射光子的能量hf大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。因此對(duì)一種特定材料的檢測(cè)器存在著一個(gè)下限頻率fc和相應(yīng)的上限光波長(zhǎng)λc?；?qū)懗墒街衕為普朗克常數(shù)，c為光速，波長(zhǎng)λc單位為微米，禁帶寬度Eg單位為電子伏特。可見，只有波長(zhǎng)小于λc的光才能用由這種材料做成的器件檢測(cè)。λc稱為器件的截止波長(zhǎng)。12穿透效應(yīng)半導(dǎo)體的吸收作用隨光波長(zhǎng)的減小而迅速增強(qiáng)。即α隨光波長(zhǎng)減小而變大。因此光波長(zhǎng)很短時(shí)，光在半導(dǎo)體表面就被吸收殆盡，使得光電轉(zhuǎn)換效率很低。這限制了半導(dǎo)體檢測(cè)器在較短波長(zhǎng)上的應(yīng)用。由上分析可見：要檢測(cè)某波長(zhǎng)的入射光，必須要選擇由適當(dāng)材料做成的檢測(cè)器。一方面由其禁帶寬度決定的截止波長(zhǎng)要大于入射光波長(zhǎng)，否則材料對(duì)光透明，不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。另一方面，吸收系數(shù)不能太大，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率。13響應(yīng)度和量子效率

響應(yīng)度和量子效率是表示光電二極管能量轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)。若入射光功率為P0時(shí)產(chǎn)生的光電流為Ip，則響應(yīng)度R0定義為：

（A/w）（4-4）量子效率定義為（4-5）由4-4、4-5可知：（4-6）式中e為電子電量，λ為光波長(zhǎng)，h為普朗克常數(shù)，c為光速。14圖4-4典型PIN的R0，η，λ的關(guān)系曲線15響應(yīng)速度

PIN光電二極管的響應(yīng)速度可以用響應(yīng)時(shí)間或截止頻率來表示。響應(yīng)時(shí)間取決于光檢測(cè)電路的上升時(shí)間、載流子在耗盡層中的渡越時(shí)間和耗盡區(qū)外載流子的擴(kuò)散時(shí)間。16線性飽和光檢測(cè)器電路有一定的光功率檢測(cè)范圍。當(dāng)入射光功率太大時(shí)，光電流和光功率將不成正比，從而產(chǎn)生非線性失真。隨著輸入光功率和輸出電流的增大，檢測(cè)電路中負(fù)載電阻上的壓降增大，光電管上實(shí)際壓降減小，耗盡區(qū)內(nèi)電場(chǎng)減弱，繼而會(huì)引起單位光功率產(chǎn)生的光電流變小。此時(shí)光電轉(zhuǎn)換不再滿足線性關(guān)系，稱為線性飽和。17暗電流處于反向偏壓下的半導(dǎo)體光電二極管，在無光照時(shí)仍有電流流過，這部分電流稱為暗電流。光電二極管的暗電流分為兩部分：一部分為反向偏壓下二極管的反向飽和電流，稱為體暗電流，是由載流子的熱擴(kuò)散形成的，體暗電流由半導(dǎo)體材料及摻雜濃度決定。另一部分是由半導(dǎo)體表面缺陷引起的表面漏電流，稱為表面暗電流。

暗電流的存在限制了光電二極管所能檢測(cè)的最小光功率，也就是降低了接收機(jī)的靈敏度。18噪聲噪聲是光電二極管的一個(gè)重要參數(shù)。噪聲的存在同樣也限制了光電二極管所能檢測(cè)的最小光功率，直接影響了接收靈敏度。光電二極管的噪聲包括散粒噪聲（又稱量子噪聲）和熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流（在1Ω負(fù)載上消耗的噪聲功率）來描述。194.1.3雪崩光敏二極管APD

光接收機(jī)的靈敏度主要由接收機(jī)的信噪比決定。因此可以采用減小噪聲或增大信號(hào)電流的方法來提高接收機(jī)的靈敏度。如果采用自身對(duì)光生電流具有放大作用的光檢測(cè)器，即使檢測(cè)器在電流放大過程中會(huì)產(chǎn)生附加噪聲，但只要附加噪聲小于負(fù)載電阻和后級(jí)放大器的噪聲，則這樣的檢測(cè)器必定會(huì)改善接收機(jī)的信噪比，從而提高了接收機(jī)的靈敏度。雪崩光電二極管（APD）就是這樣的一種具有內(nèi)部電流增益的光電轉(zhuǎn)換器件。20雪崩倍增效應(yīng)處于反向偏置的耗盡層光電二極管，當(dāng)外加的反向偏壓不斷增強(qiáng)時(shí)，耗盡層內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下得到加速，獲得很大的動(dòng)能。高能的載流子與半導(dǎo)體晶體內(nèi)的原子相碰撞，將束縛在價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而在耗盡層內(nèi)產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。

碰撞電離的第二代載流子在耗盡層的強(qiáng)電場(chǎng)的加速下再次引起碰撞電離而產(chǎn)生第三代載流子。碰撞電離的反復(fù)循環(huán)使耗盡層內(nèi)的載流子數(shù)雪崩似的急劇增加，通過二極管的電流也就猛增，這就是雪崩倍增效應(yīng)。雪崩光電二極管（APD）就是利用雪崩倍增效應(yīng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電流增益的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換器件。21圖4-6APD結(jié)構(gòu)22APD倍增因子g和平均倍增倍增因子是APD內(nèi)部的電流增益系數(shù)。倍增因子g定義為APD雪崩放大后的輸出電流IM和初始光生電流Ip的比值。

（4-14）

雪崩倍增過程是一個(gè)隨機(jī)過程，即每一電子-空穴對(duì)與半導(dǎo)體晶體內(nèi)的原子碰撞電離產(chǎn)生的初始電子-空穴對(duì)的數(shù)目是隨機(jī)的，因而倍增因子g也是隨機(jī)變化的。一般所稱的倍增因子是指平均倍增（電流增益系數(shù)）G。（4-15）式中<g>是表示隨機(jī)量g的平均值。23圖4-10電流增益－偏壓、溫度關(guān)系表4-1APD性能類型量子效率η過剩噪聲指數(shù)xSi-APD60%0.3~0.4Ge-APD70%0.6~1InGaAs-APD4.5%0.5~0.62425過剩噪聲當(dāng)雪崩光電二極管的雪崩增益為G時(shí)，它的信號(hào)電流比無倍增時(shí)增大了G倍，信號(hào)功率增大了G2倍。由式可以看出噪聲功率增大了G2F倍。由于F＞2，所以噪聲功率增大的速率大于信號(hào)功率增大的速率*。*此處分析過程請(qǐng)參閱教材26APD響應(yīng)度和量子效率由于在APD中光生電流被倍增了G倍，所以它的響應(yīng)度比PIN管提高了G倍。因?yàn)榱孔有手慌c初始載流子數(shù)目有關(guān)，與倍增無關(guān)，所以不管PIN還是APD，量子效率總是小于1。27APD線性飽和及暗電流

APD適宜檢測(cè)微弱的光信號(hào)，當(dāng)輸入光功率較強(qiáng)時(shí)，入射光功率和輸出電流之間的線性關(guān)系會(huì)被破壞。

APD中產(chǎn)生非線性光電變換的原因是器件上的偏壓不能保持恒定，繼而會(huì)引起雪崩區(qū)的變窄和倍增因子的下降。

APD暗電流隨倍增因子的增大而增大。表4-2PIN和APD性能比較PINAPD制造工藝簡(jiǎn)單復(fù)雜成本低高靈敏度差比PIN高3~10dB動(dòng)態(tài)范圍稍差（典型15~25dB）大（典型25~35dB）偏置電壓低高暗電流小較大溫度敏感性小大（需溫度補(bǔ)償）適用范圍中低速中短距離傳輸，或高速率短距離傳輸中高速中長(zhǎng)距離傳輸28294.2光接收機(jī)

光接收機(jī)的主要功能是將經(jīng)光纖線路傳輸后的微弱光信號(hào)進(jìn)行光電變換，然后經(jīng)過必要的處理后恢復(fù)成原始的信號(hào)。一個(gè)典型的直接檢測(cè)光接收機(jī)主要由光接收電路和輸出接口電路組成。

光接收機(jī)的性能直接影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離、誤碼率和通信質(zhì)量。304.2.1光接收機(jī)的結(jié)構(gòu)光電檢測(cè)器的輸出信號(hào)電流很小，必須由低噪聲、寬頻帶的前置放大器進(jìn)行放大。信號(hào)進(jìn)行高增益的放大并對(duì)經(jīng)傳輸和放大后的失真信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償與整形將信號(hào)的基線（低電平）固定在某一電平上，解決信號(hào)的基線漂移，以便于判決從收到的帶有噪聲和畸變的波形中識(shí)別信碼“1”和“0”。然后由再生電路重新產(chǎn)生和發(fā)端一樣的數(shù)字脈沖序列。311.光接收電路光接收電路由檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、自動(dòng)增益控制和均衡電路組成。它將光信號(hào)變換成一定幅度的、波形好的電信號(hào)，供后續(xù)電路進(jìn)行再生判決。32

光檢測(cè)和前置放大器光電檢測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換。由發(fā)送端發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)過光纖線路傳輸后，到達(dá)接收端已經(jīng)很微弱。檢測(cè)器輸出的電流僅在nA數(shù)量級(jí)。所以必須采用多級(jí)放大將微弱的電信號(hào)放大至判決電路能正確識(shí)別。由于信號(hào)微弱又帶有噪聲，如果采用一般的放大器進(jìn)行放大，放大器本身就會(huì)將前一級(jí)放大器所引入的噪聲也進(jìn)行放大，信噪比并沒有得到改善。因此多級(jí)放大器的前級(jí)必須滿足低噪聲、高增益的要求，才能得到較大的信噪比。33

主放和均放信號(hào)經(jīng)前置放大器輸出仍然比較微弱，不能滿足幅度判決的要求，因此還必須加以放大。由于光接收機(jī)的入射光功率有一個(gè)可變化的動(dòng)態(tài)范圍，因此放大器增益也應(yīng)隨入射光功率的變化得到相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)在不同輸入信號(hào)情況下仍能保持輸出電平穩(wěn)定。即實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。在光接收機(jī)中，把實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制的放大級(jí)稱為主放大器。均放電路的主要作用是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行均衡以利于定時(shí)判決。34主放和均放構(gòu)成框圖去監(jiān)測(cè)盤信號(hào)輸入告警AGC1AGC監(jiān)測(cè)光電檢測(cè)前置放大均衡濾波AGC寬放寬放1壓控衰減寬放2直流放大峰值檢波AGC2眼圖監(jiān)測(cè)去再生電路去再生電路去監(jiān)測(cè)盤35基線處理與定時(shí)再生由于傳輸線路上所傳送的碼流中“0”、“1”分布并不均勻，并不可避免地有連續(xù)的“0”或連續(xù)的“1”出現(xiàn)，使得信號(hào)中的直流成分有起伏變化，這種信號(hào)在接收機(jī)中處理時(shí)，因各級(jí)間的耦合均為交流耦合，即RC耦合，這會(huì)使信號(hào)的基線隨直流成分的變化而漂移。這種漂移嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使判決產(chǎn)生誤碼。在發(fā)送端雖已進(jìn)行了線路碼型變換，以使碼流中的“0”、“1”分布盡可能均勻使信號(hào)中的直流分量盡可能恒定，但是由于種種原因，難以達(dá)到理想程度。因此在定時(shí)再生電路中，首先要對(duì)基線漂移進(jìn)行處理，即將信號(hào)的基線（低電平）固定在某一電平上。36基線處理移相定時(shí)判決眼圖信號(hào)非線性處理時(shí)鐘提取時(shí)鐘碼再生幅度判決圖4-10基線處理與定時(shí)再生框圖37定時(shí)再生經(jīng)過基線處理的信號(hào)，首先要進(jìn)行幅度判決，然后再經(jīng)過時(shí)鐘提取，還原出幅度和時(shí)鐘準(zhǔn)確的再生信號(hào)。382.輸出電路輸出電路是光端機(jī)接收部分在定時(shí)再生之后的信號(hào)處理部分。通常包括線路碼型反變換、輸出接口兩大部分。低中速率的光端機(jī)，則將這兩部分安裝在一塊機(jī)盤中，稱為輸出盤。在“光電合架”設(shè)備中，取消了輸出接口電路，則碼型反變換部分和光接收電路裝在同一塊機(jī)盤中。393.其他電路告警電路倒換電路公務(wù)電路電源電路404.2.2光接收機(jī)性能指標(biāo)光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)包括接收機(jī)靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、過載功率、誤碼率、信噪比、Q值等，其中靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍是光接收機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)。靈敏度表示在給定的誤碼率（或信噪比）條件下，光接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力。動(dòng)態(tài)范圍表示光接收機(jī)適應(yīng)輸入信號(hào)變化的能力。411.靈敏度光接收機(jī)靈敏度是表征光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，接收微弱光信號(hào)的能力。它可用下列三種物理量表示。在保證達(dá)到所要求的誤碼率（或信噪比）條件下，接收機(jī)所需的：輸入的最小平均光功率PR；每個(gè)光脈沖的最低平均光子數(shù)n0；每個(gè)光脈沖的最低平均能量Ed。42三種表示方法之間的關(guān)系（4-61）式中：T為脈沖碼元時(shí)隙，T=1/fbhf是一個(gè)光子能量PR的單位為W，常用mW。若用dBm來表示靈敏度Sr，則可寫為：（4-62）43靈敏度換算示例例如，某接收機(jī)在保證誤碼率Pe=10-9的條件下，所需接受的最小光功率為15.8nW，則靈敏度為：

（4-63）對(duì)于不同的誤碼率要求，接收機(jī)的靈敏度也不同。而產(chǎn)生誤碼的主要原因是噪聲。光信號(hào)通過接收機(jī)時(shí)，受到各種噪聲影響，降低接收機(jī)的靈敏度。因此，對(duì)接收機(jī)噪聲的研究分析是光接收機(jī)的主要課題。442.動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍表征的是光接收機(jī)適應(yīng)輸入信號(hào)變化的能力，也即光接收機(jī)靈敏度和過載功率之間的差值。即如對(duì)于某接收機(jī)在保證Pe=10-9的條件下，所需接受的最小光功率為15.8nW，而正常工作時(shí)最大接收功率為1μW，則其動(dòng)態(tài)范圍45長(zhǎng)波長(zhǎng)接收機(jī)的典型動(dòng)態(tài)范圍463.影響接收機(jī)性能的主要因素由上述計(jì)算接收機(jī)最小接收光功率的公式中看出，在一定誤碼率條件下，影響接收機(jī)靈敏度的因素有：碼間干擾、消光比、暗電流、量子效率、光波波長(zhǎng)、信號(hào)速率、各種噪聲等。下面只對(duì)碼間干擾、消光比、暗電流的影響進(jìn)行分析。47碼間干擾在光纖通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)的輸入光脈沖信號(hào)寬度與光發(fā)送脈沖及光纖的帶寬有關(guān)。在光纖色散較大的情況下，光脈沖通過光纖時(shí)將被展寬，產(chǎn)生碼間干擾，降低光接收機(jī)的靈敏度。48消光比光源在直接強(qiáng)度調(diào)制下，由于要考慮一定的偏置電流，使得無信號(hào)脈沖時(shí)仍會(huì)有一定的輸出功率。這種殘留的光將在接收機(jī)中產(chǎn)生噪聲，影響接收機(jī)靈敏度。定義參數(shù)消光比（EXT）為：一般要求EXT≤10%。當(dāng)EXT≠0時(shí)，光源的殘留光使檢測(cè)器產(chǎn)生噪聲。EXT越大時(shí)對(duì)靈敏度的影響也越大，其值與使用的光檢測(cè)器有關(guān)。49暗電流光電檢測(cè)器中的暗電流對(duì)光接收機(jī)靈敏度的影響與消光比的影響相似。暗電流與光源無信號(hào)時(shí)的殘留光一樣，在接收機(jī)中產(chǎn)生噪聲，降低接收機(jī)的靈敏度。在APD光電檢測(cè)器中，有兩種暗電流，一種是無倍增的，一種是有倍增的，后者對(duì)靈敏度的影響要比前者更大一些。504.3靈敏度及噪聲分析光接收機(jī)的作用是將接收到的微弱的數(shù)字光信號(hào)通過光電二極管轉(zhuǎn)換為光電流，并經(jīng)放大、整形、判決等信號(hào)處理，完成信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)。一個(gè)性能優(yōu)良的光接收機(jī)應(yīng)具有盡可能高的接收靈敏度。但靈敏度的提高受到了接收機(jī)中存在的噪聲的影響。噪聲的存在將會(huì)降低接收機(jī)的靈敏度。514.3.1理想接收機(jī)靈敏度考慮一個(gè)理想光纖通信系統(tǒng)，即是假設(shè)系統(tǒng)的頻帶無限寬，系統(tǒng)無噪聲。對(duì)這樣的系統(tǒng)，我們可認(rèn)為，發(fā)送端調(diào)制信號(hào)是矩形脈沖，光脈沖信號(hào)經(jīng)過光纖傳輸?shù)浇邮斩耍?jīng)過光電檢測(cè)器檢測(cè)得到的電信號(hào)還是矩形脈沖。那在這種系統(tǒng)中，接收機(jī)的靈敏度將受到什么限制呢？最大可能的值是多少呢？52理想接收機(jī)靈敏度的計(jì)算根據(jù)（4-19）在誤碼率要求為Pe=10-9時(shí)，即可求出Ed，即為理想光纖通信系統(tǒng)接收靈敏度（4-20）由上式可見，理想光纖通信系統(tǒng)的靈敏度（Pe=10-9時(shí)）為21個(gè)光子的能量?；蛘哂孟率奖硎荆?-22）由此可知，理想接收機(jī)的靈敏度與光信號(hào)速率、光波頻率（或波長(zhǎng)）、檢測(cè)器的量子效率η有關(guān)。53工程中靈敏度的計(jì)算在實(shí)際工程應(yīng)用中，接收機(jī)所需的最小接收光功率可按如下近似公式計(jì)算。當(dāng)光電檢測(cè)器為PIN時(shí)：

(W)（4-71）當(dāng)光電檢測(cè)器為APD時(shí)：

(W)（4-72）式中fb為系統(tǒng)碼速M(fèi)bit/s，fb0為基準(zhǔn)計(jì)算碼速，fb0=25Mbit/s。544.3.2光接收機(jī)噪聲分析光接收機(jī)中存在各種噪聲源，根據(jù)噪聲產(chǎn)生的不同機(jī)理，噪聲可分為兩類：散粒噪聲和熱噪聲。接收機(jī)中的噪聲源及其引入部位如圖4-12所示。其中散粒噪聲包括光檢測(cè)器的量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲和APD倍增噪聲；熱噪聲主要指負(fù)載電阻產(chǎn)生的熱噪聲，放大器噪聲（主要是前置放大器噪聲）中，既有熱噪聲，又有散粒噪聲。55圖4-12接收機(jī)噪聲及其分布56光檢測(cè)器的噪聲分析對(duì)于光檢測(cè)器的噪聲，采用的主要方法是從建立噪聲的數(shù)學(xué)模型著手進(jìn)行分析。（此處推導(dǎo)過程不作要求）如果規(guī)定誤碼率指標(biāo)為不超過Pe＝10-9，則最小必須接收的光脈沖能量應(yīng)為（4-34）

如果量子效率η＝1，則最小檢測(cè)的光脈沖能量必須等于21hf，也就是說最小必須接收21個(gè)光子，才能保證誤碼率不大于10-9。如發(fā)送端發(fā)出的“1”碼和“0”碼等概率出現(xiàn)（數(shù)目相等）每位碼持續(xù)時(shí)間為T，那么平均檢測(cè)光功率必須至少為（4-35）

這就是接收機(jī)靈敏度對(duì)規(guī)定誤碼率Pe＝10-9的基本極限，即所謂量子極限。574.3.3光接收機(jī)誤碼率光接收機(jī)的誤碼主要由散粒噪聲、倍增噪聲、熱噪聲等綜合的總噪聲引起。誤碼的多少及分布不僅和總噪聲的大小有關(guān)，還與總噪聲的分布有關(guān)。入射光子在PIN內(nèi)產(chǎn)生的電子或在APD內(nèi)產(chǎn)生的一次電子通常服從泊松分布。但經(jīng)過電子倍增，再經(jīng)放大、均衡后，噪聲分布變得很復(fù)雜。所以要精確計(jì)算誤碼率及靈敏度就比較困難。58判決點(diǎn)上的噪聲電壓由于噪聲的存在，接收機(jī)放大器的輸出是一個(gè)隨機(jī)過程，判決時(shí)的取樣值也是隨機(jī)變量。所以在判決時(shí)可能會(huì)發(fā)生誤碼。把接收的“1”碼誤判為“0”碼，或把接收的“0”碼誤判為“1”碼最小誤碼率分析在判決點(diǎn)上電壓V0超過D的概率，即為把“0”碼誤判為“1”碼的概率

可以表示為

把“1”碼誤判為“0”碼的概率為Pe,01＝Pe,10時(shí)可獲得最小的誤碼率5960圖4-15誤碼率和Q值的關(guān)系Q值表示判決點(diǎn)門限值與噪聲電壓（電流）有效值的比值，稱為超擾比，含有信噪比的概念。不同的Q值對(duì)應(yīng)不同的誤碼率值。61圖4-16誤碼率-靈敏度曲線示例624.4光中繼機(jī)

光發(fā)送機(jī)輸出的光脈沖信號(hào)，經(jīng)過光纖傳輸后，因光纖的吸收和散射而產(chǎn)生衰減，又因光纖材料和結(jié)構(gòu)上引起的色散影響，導(dǎo)致信號(hào)脈沖的失真。這些失真會(huì)使傳輸線路的噪聲、誤碼率增加，且失真程度隨距離增加而加劇。因此，為了補(bǔ)償光信號(hào)的衰減，對(duì)波形失真的脈沖進(jìn)行整形，為延長(zhǎng)光纖通信距離，必須在傳輸線路中每隔一定距離設(shè)置一個(gè)光中繼機(jī)。

傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)中，由于無法實(shí)現(xiàn)全光通信和有效地光放大也，因此光中繼機(jī)采用了所謂的背靠背的光-電-光轉(zhuǎn)換方式。光中繼機(jī)包括光接收、再生判決和光發(fā)送部分。63光電光方式的光中繼機(jī)組成主放前置放大均放AGC放大時(shí)鐘提取信號(hào)光輸入判決光檢測(cè)器調(diào)制電路光源AGC放大信號(hào)光輸出64圖4-18光中繼機(jī)功能框圖光信號(hào)輸入光信號(hào)輸出光發(fā)送光接收中繼分插光接收光發(fā)送中繼分插區(qū)間通信監(jiān)控告警公務(wù)電話光信號(hào)輸入光信號(hào)輸出65本章小結(jié)

光電檢測(cè)器基本要求

光電二極管及雪崩光電二極管的工作原理光接收機(jī)噪聲和誤碼率

靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍影響靈敏度的主要因素光纖通信系統(tǒng)67本章要點(diǎn)光纖通信系統(tǒng)中除了光源和光檢測(cè)器外，還有許多無源器件，它們?cè)谙到y(tǒng)中承擔(dān)了連接、耦合、開關(guān)和偏振作用。本章主要介紹常用無源器件。本章教學(xué)課時(shí)2學(xué)時(shí)。685.1光纖連接器光纖連接器是兩根光纖之間完成活動(dòng)連接的器件，主要用于各類有源及無源光器件之間、光器件與光纖線路之間、各類測(cè)試儀器與光纖通信系統(tǒng)或光纖線路間的活動(dòng)連接。

活動(dòng)連接主要是指可以進(jìn)行多次重復(fù)連接，且重復(fù)性能好。與之相對(duì)的是，光纖線路中的光纖與光纖之間的連接（光纖接續(xù)）是一個(gè)永久性（固定）連接，一般不具備重復(fù)性。695.1.1光纖連接損耗及影響因素光纖連接時(shí)引起的損耗與多種因素有關(guān)，諸如光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如纖芯直徑、數(shù)值孔徑等）、光纖的相對(duì)位置（如橫向位移、縱向間隙等）以及端面狀態(tài)（如形狀、平行度等），如圖5-1所示。70圖5-1產(chǎn)生光纖連接損耗因素715.1.2光纖連接器類型按結(jié)構(gòu)：分為調(diào)心型和非調(diào)心型

按連接方式：分為對(duì)接耦合式和透鏡耦合式按光纖相互接觸關(guān)系：平面接觸式和球面接觸式使用最多的是非調(diào)心型對(duì)接耦合式光纖活動(dòng)連接器。72插針－套筒式光纖連接器連接器主要由帶有微孔（Φ125μm）的插針體a、插針體b與用于對(duì)中的套筒等幾部分構(gòu)成。需要連接的光纖去除涂覆層后插入插針中心微孔，并用環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑固定。將插針體a、b同時(shí)插入套筒中，就可完成光纖的對(duì)接耦合。插針和套筒之間通過精密公差配合，可以保證兩根光纖的軸對(duì)準(zhǔn)，再采用彈簧等機(jī)械裝置保證插針－套筒之間的位置固定，即可實(shí)現(xiàn)光纖的活動(dòng)連接。套筒和插針材料通常采用堅(jiān)硬耐久的金屬材料如不銹鋼等，但現(xiàn)在多使用性能更加穩(wěn)定的氧化鋯。73光纖連接器的分類FC型光纖活動(dòng)連接器

SC型光纖活動(dòng)連接器

ST型光纖活動(dòng)連接器

雙錐型光纖活動(dòng)連接器DIN光纖活動(dòng)連接器MT-RJ型光纖活動(dòng)連接器LC型光纖活動(dòng)連接器MU型光纖活動(dòng)連接器74FC型光纖活動(dòng)連接器示意75SC型光纖活動(dòng)連接器76光纖帶光纖帶插座插頭導(dǎo)針光纖光纖陣列式連接器77常用連接器實(shí)物FCTypeSCTypeSC2TypeFDDType78插針形式 為了進(jìn)一步減小插入損耗和反射損耗，活動(dòng)連接器的插針也有不同的形式。常用的插針體有PC（物理接觸）、SPC（球面物理接觸）、APC（角度物理接觸）等。PC插針體端面之間直接接觸，使得光纖端面間微小空氣間隙引起的損耗大為減少。SPC型將插針端面研磨成球面，利用自聚焦特性獲得較小的插入損耗。APC型將插針制成8°傾角，這樣可以大大提高回波損耗。79表5-1PC型活動(dòng)連接器主要性能指標(biāo)類型指標(biāo)單模光纖活動(dòng)連接器插入損耗（dB）≤0.2重復(fù)性（dB）≤±0.1互換性（dB）≤±0.01最大插入損耗（dB）≤0.5反射損耗（dB）≥40壽命（插拔次數(shù)）2000使用溫度范圍－20～＋70℃5.1.3光纖連接器性能參數(shù)光學(xué)性能插入損耗回波損耗

互換性或重復(fù)性抗拉強(qiáng)度溫度插拔次數(shù)80815.2光纖耦合器

光纖耦合器的功能是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的分路/合路，就是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出或者把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出。一般是對(duì)同一波長(zhǎng)的光功率進(jìn)行分路或合路。

光纖耦合器的使用將會(huì)對(duì)光纖線路帶來一定的附加插入損耗以及一定的串?dāng)_和反射。82分路器

(3端口)N星型耦合器（多端口）合波器分波器合路器

(3端口)耦合器

(4端口)圖5-3光纖耦合器的分類光耦合器結(jié)構(gòu)

熔錐型光纖耦合器

研磨型光纖耦合器

微光元件型光纖耦合器

集成光波導(dǎo)型耦合器8384N×N1×NP1/NP1/NP1/N2×2光耦合器實(shí)物光纖耦合器性能參數(shù)

插入損耗

附加損耗

耦合比

串?dāng)_85865.3光衰減器光衰減器是一種用來降低（改變）光功率的器件，它可分為可變光衰減器和固定光衰減器兩種?？勺児馑p器主要用于調(diào)節(jié)光線路電平，在測(cè)量光接收機(jī)靈敏度時(shí)，需要用可變光衰減器進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)來觀察接收機(jī)的誤碼率。在校正光功率計(jì)時(shí)也需要光可變衰減器。固定光衰減器主要用于調(diào)整光纖通信線路電平，若光纖通信線路的電平太高，就需要串入固定光衰減器。87圖5-8光衰減器示意圖光纖光纖自聚焦透鏡自聚焦透鏡衰減片衰減片輸入輸出88圖5-9光可變衰減器光輸入光輸出尾纖尾纖圓盤式衰減片圓盤式衰減片棱鏡活動(dòng)接頭活動(dòng)接頭895.4光隔離器和光環(huán)行器光隔離器是一種只允許光波往一個(gè)方向傳播，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸?shù)囊环N無源器件，主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回導(dǎo)致器件性能變壞。環(huán)行器除了有多端口以外，其工作原理與隔離器相似，光環(huán)行器主要用在光分插復(fù)用器中。9045o45o入射光出射光光軸光軸起