[工学]第5章光探测及光接收机.ppt

第五章 光探测及光接收机,5.1 数字光接收机 5.2 光电检测过程的基本原理 5.3 光接收机的性能 5.3.1 光接收机的信噪比 5.3.2 光接收机的灵敏度 5.3.3 光接收机的误码率 5.3.4 最小平均接收光功率 5.3.5光接收机的性能指标,光发射机发射的光信号经光纤传输 损耗：信号幅度衰减 色散：信号波形展宽 光接收机作用 检测微弱光信号、放大、整形、还原成为输入信号 器件 光电检测器：利用光电效应把光信号转变为电信号 光电二极管：PIN管，雪崩二极管APD 基本要求 灵敏度高、响应快、成本低、可靠性高、耦合性能好,5.1 数字光接收机,强度调制的数字光信号，接收端采用直接检测（DD）。 IM-DD 数字光纤接收机 (IM-DD: Intensity Modulation-Direct Detection),光信号,光电检测器,前 置 放 大,主 放 大,均 衡 滤 波,判 决 器,译 码 器,时钟恢复,偏置控制,输出,电信号,码 型 变 换 器,解 复 用 器,告警电路,AGC电路,告警信号,光电检测器：光信号转换成电信号 PIN半导体光电二极管 APD雪崩光电二极管 2. 前置放大器： 低噪声放大器 减弱或防止电磁干扰 抑制噪声（热噪声和散粒噪声） 放大信号 （1）带宽和灵敏度：接收机中心问题（降低输入噪声，提高灵敏度） 高输入阻抗前置放大器：高输入阻抗可减小热噪声，提高接收机灵敏度，但降低带宽 。,（2）带宽与均衡滤波：均衡滤波技术消除码间干扰，扩大带宽。 主放大器： （1）提供足够大的增益，达到判决电路所需的信号电平； （2)增益受AGC电路控制。 4. 均衡滤波:虑除波形展宽，消除码间干扰。 5. 判决器/时钟恢复：对信号进行再生，包括调谐放大、限幅、整形、移相。 6. 解复用器:若发射端复用,则接收端需解复用。 译码/码型变换器： （1）若发射端进行了扰码，需要译码； （2）HDB3、CMI码等解码。,5.2 光电检测过程的基本原理,(1) 入射光子的能量hf超过禁带能量Eg，进入耗尽层，在耗尽区吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。 (2) 在PN结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子空穴对在电场作用下，分别离开耗尽区，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N区进入正电极，从而形成在外电路中的光生电流Ip。（图示）,光电效应必须满足条件：hfEg,入射光,耗尽层,Ip,RL,w,U,电极,P,N,光电二极管：PIN PIN二极管： 在P+和N-之间加入一个Si中掺杂较少的I层，作为耗尽层，I层较宽，约有5um50um，可吸收绝大部分光子。响应时间由光生载流子穿越耗尽层的宽度W所决定。增加W会使更多的光子被吸收，从而增加量子效率，但是载流子穿越W的时间增加，响应速变慢。,响应波长（截止波长） 任何一种材料制作的光电二极管，都有,性能参数 量子效率 =(hf/q)R q:电荷 响应度R 光电检测器的响应度。 暗电流Id，表示无光照时出现的反向电流，影响接收机的信噪比。 响应速度：对光信号的反应速度。 结电容Cd（pF）：影响响应速度。,雪崩光电二极管 APD: Avalanche photodiode (1) 速度高，增益大，广泛应用于光通信系统中。 (2) 能承受高的反向偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区，电子空穴对经过电场区时被加速，又可能碰到其他原子，多次碰撞电离的结构，使载流子迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪崩倍增效应。,APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器 平均雪崩效应，经验公式,新型APD (1) 采用InP材料作增益区的异质结分别吸收和倍增APD:SAMAPD (Separate Absorption and Multiplication APD) ,目的是使工作波长在1.3um1.6um波长波段上。 (2) 分别吸收、渐变、倍增APD：SAGMAPD ( Separate Absorption Grading and Multiplication APD), 在InCaAs、InP之间增加一层带隙介于两者之间的半导体材料，克服SAMAPD响应时间长的缺点。 (3) 多量子阱MQWAPD：Multiple Quantum Well, 利用InCaAs、InP交替变化的结构，从而形成高低带隙交替变化的半导体层.,MSM光探测器：金属半导体金属光探测器（MetalSemiconductorMetal），基本原理一样，入射光子产生电子空穴对，电子空穴对的波动产生光电流 集成光学光电探测器 为适应光电子集成电路（OEIC）的要求，研究适用于单片集成的各种光波探测器，光波导探测器，不采用光压电方式，采用光电导和雪崩方式,(1) 外延生长InGaAs探测器 采用外延生长的方式制作，通过控制材料 中In的含量，可使器件在0.855.3um光波长范围内工作; 通过适当选择InGaAs中的掺杂浓度，使耗尽层厚度正好等于波导厚度，并使InCaAs的横截面大于波导的横截面，有可能达到100%的量子效率。 (2) 电吸收光波导探测器 入射光频姐姐禁带宽度时，光吸收的大小主要取决于外加电场的大小，电吸收效应 (3) 离子注入探测器 在CaAs衬底中注入高能离子，形成光波导。,5.3 光接收机的性能 5.3.1 信噪比 产生噪声原因 （1） 散粒噪声：由检测器本身引起 入射光功率产生的光电流：,热噪声 ：电子在光电二极管负载电阻上的随机热运动，即使外加电压为零，也产生电流的随机起伏。,PIN光接收机：只对信号进行光电转换，而无放大功能。,APD光接收机 APD的内部增益使产生的电流扩大了M倍，即：,散粒噪声,5.3.2 光接收机的灵敏度 灵敏度是光接收机最重要的指标之一，指保证完成一定通信质量条件下所需要接收的最小信号功率Ps。Ps越小越好，受噪声限制。,通过误码率判断,影响光接收机灵敏度的因素： 暗电流。 倍增失调使灵敏度下降:(自动增益控制)。 放大器的噪声使灵敏度下降。 接收机总电容C包括探测器电容、前置放大器输入电容，C增大一倍，灵敏度下降一倍。,比特率对灵敏度影响：比特率越大，灵敏度下降越多。 输入波形脉冲对灵敏度影响：波形越宽，灵敏度下降越大。,5.3.3 光接收机误码率 比特误码率（BER）：最重要指标之一。定义为码元在传输过程中出现差错的概率，出错码元数、传输总码元数。数字光接收机的要求： 采用非归零码时： BER=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0),0、1的出现是等概率时，P(0)=P(1)=0.5，得 BER0.5P(0/1)+P(1/0),判决门限,阴影区表示 概率,概率分布,高斯随机过程：,最佳判决电流,在实际系统中,I0=0 I1=MPin R,实际上， 热噪声与信号电流无关，仅有热噪声或散粒噪声很小时， 散粒噪声与信号电流有关时， 最佳判决情况下：,5.3.4 最小平均接收光功率 用来计算最小接收光功率： 设定“0”码时不发射光功率Io0 Po0 “1”码功率为P1,5.3.5光接收机的性能指标 性能监测：光谱仪，观察接收信号的眼图 绝对最大额定值： 正向电流 反向电流 反向电压,光学和电学特性参