光纤通信 第6章 光电检测器与光接收机.ppt

第6章光电检测器与光接收机 6 1光电探测器 P N光电二极管PIN光电二极管雪崩光电二极管 光通信用光电探测器 P N光电二极管 一个能量为Ep hf h c Eg的光子射入光电二极管时 被吸收的光子能量被电子获得 于是 导带中的电子被激活 能够运动 光能 单位时间内的光子数目乘上单个光子的能量 转化为电流 图p n光电二极管的工作原理 a 能带图b p n结c 电路 输入输出特性 输入光功率P 输出光电流I 射入光电二极管激活区的光子越多 产生的载流子越多 光电流越大 I RP R是常量 响应度 其关系如下图所示 图光电二极管的响应度 a 输入输出特性b 响应度和波长的关系c 暗电流 例题 光电二极管的响应度是0 85A W 饱和输入光功率是1 5mW 当入射光功率是1mW和2mW时 光电流分别是多少 I RP 0 85A W 1 5mW 0 85mA 当输入光功率是2mW时 公式I RP不适用 因此我们无法得到光电流的值 解 当输入光功率是1mW时 由I RP 可得 PIN光电二极管 Photodiodes 高线性 低暗电流 PIN光电二极管的结构如图所示 其在P区和N区之间夹有一层厚的本征层 本征 天然的 不掺杂的 P I N的完整意思 正极 本征 负极 实际上 本征区是轻掺杂的 N型 所以电子浓度很高 大大提高了光电转换效率 PIN光电二极管是在反向偏压作用下使用的 一般为 5V左右 当光入射到PIN结时 由于光激发产生的光生载流子 电子和空穴经过扩散和漂移 形成了通过PIN结的光电流 图PIN光电二极管 光生载流子通过PIN结时间很短 这是因为虽然I层较厚 但它处于一个强的反向电场作用下 所以载流子以快的漂移速度通过I层 光生载流子通过两边P与N区时 是以比较慢的扩散速度前进的 但因P层和N层均较薄 这样总的来说就提高了PIN管的响应速度 目前PIN光电二极管带宽以达110GHz 雪崩光电二极管Avalanchephotodiode APD 内置放大 不引入外部电路相关噪声 增益提高x100 接收大于接收机电噪声的光信号是高速 高灵敏度的接收器极大的温度倚赖性主要性能增益带宽积暗电流响应 BiasVoltage APDGain 1 工作原理 在光电二极管上加相对较高的反向电压 20V左右 该电压使光生电子和空穴加速并获得高能量 这些高能电子和空穴射入中性原子中 分离出其它电子和空穴 而二级载流子也获得足够能量去离化其它载流子 形成雪崩过程 这就意味着光电二极管在内部放大了光电流 其量子效率10到100 产生二次载流子的过程称为冲击离化 图雪崩光电二极管 APD 距离 简单归纳其工作原理为 高的反向偏置电压 碰撞电离 产生一次光生载流子 二次光生载流子APD的平均雪崩增益G 是个复杂的随机过程G是一个统计平均值 其结构如图所示 光子穿过重掺杂的p 区 进入本征区 在这里产生电子空穴对 反向电压分离这些光生电子空穴 并将其移向pn 结 这里存在一个105V cm的高电场 这个电场聚集载流子 并冲击导致离化 探测器材料 Silicon Si 最便宜Germanium Ge 常用Indiumgalliumarsenide InGaAs 高速 Silicon 6 3光接收机 光信号 光电变换 前置放大 主放大器 均衡滤波 判决器 时钟恢复 输出 AGC电路 性能指标 接收灵敏度 误码率或信噪比 前端 线性通道 时钟提取与数据再生 CDR 对信号进行高增益放大与整形 提高信噪比 减少误码率 6 3 1光接收机的前端 1 前端 由光电二极管和前置放大器组成 作用 将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流 然后进行预放大 电流 电压转换 以便后级作进一步处理 是光接收机的核心 要求 低噪声 高灵敏度 足够的带宽 6 3 1光接收机的前端 2 光检测器的选择 要视具体应用场合而定 PIN光电二极管具有良好的光电转换线性度 不需要高的工作电压 响应速度快 APD最大的优点是它具有载流子倍增效应 其探测灵敏度特别高 但需要较高的偏置电压和温度补偿电路 从简化接收机电路考虑 一般情况下多喜欢采用PIN光电二极管作光探测器 前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小 一般采用场效应晶体管 FET PIN FET和APD FET 6 3 1光接收机的前端 3 根据不同的应用要求 前端的设计有三种不同的方案 低阻抗前端高阻抗前端跨 互 阻抗前端 6 3 1光接收机的前端 4 高阻抗前端 尽量加大偏置电阻 把噪声减至尽可能小的值优点 噪声较低缺点 动态范围小 高频分量损失太大 对均衡电路提出很高要求 多用于低速系统 6 3 2光接收机的线性通道 6 3 3判决再生与时钟提取 任务 把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号 判决器 时钟恢复 输出 判决 再生过程 均衡器输出波形 时钟 再生后的信号 判决电压 最佳取样时间相应于 1 和 0 信号电平相差最大的位置 可有眼图决定 灵敏度 接收灵敏度 在保证通信质量 限定误码率或信噪比 的条件下 光接收机所需的最小平均光功率min 灵敏度是光接收机的重要指标 描述了其准确检测光信号的能力 APD接收灵敏度 Q 超扰比 与误码率相对应 前置放大器平均噪声功率 是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率 PIN PD接收灵敏度 ND NA g 1nA NA A2时折合到输入端的放大器噪声功率 PIN PD与APD接收灵敏度比较APD接收灵敏度高于PIN PD 灵敏度与传输速度的关系 传输速率越大 光检测器的灵敏度越低 图20典型短波长光接收机灵敏度与传输速率的关系 60 55 50 45 40 35 30 25 1 2 4 6 8 10 20 40 60 80 100 140 200 400 600 f b Mb s 1 PIN BJ PIN FET APD BJ APD FET 结