第5章 光接收机.ppt

1 第5章光接收机 2 5 1半导体光电检测器 光电检测器是光纤通信系统中接收端机中的第一个部件 由光纤传输来的光信号通过它转换为电信号 它是利用材料的光电效应实现光电转换的 目前在光纤通信系统中 常用的半导体光电检测器有两种 一种是PIN光电二极管 另一种是APD雪崩光电二极管 3 5 1半导体光电检测器 5 1 1半导体的光电效应5 1 2光纤通信中常用的半导体光电检测器5 1 3光电检测器的特性 4 5 1 1半导体的光电效应 半导体材料的光电效应是指如下这种情况 光照射到半导体的P N结上 若光子能量足够大 则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量 从价带越过禁带到达导带 在导带中出现光电子 在价带中出现光空穴 即光电子 空穴对 又称光生载流子 5 5 1 1半导体的光电效应 半导体材料的光电效应 6 5 1 1半导体的光电效应 当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时 若有光电子 空穴对产生 显然必须满足如下关系 即 c称为截止波长 fc称为截止频率 7 5 1 2光纤通信中常用的半导体光电检测器 1 PIN光电二极管2 APD雪崩光电二极管 8 1 PIN光电二极管 PIN光电二极管能带图 9 1 PIN光电二极管 PIN光电二极管结构示意图 10 2 APD雪崩光电二极管 如果能使电信号进入放大器之前 先在光电二极管内部进行放大 这就引出了一种另外类型的光电二极管 即雪崩光电二极管 又称APD AvalanchePhotoDiode 它不但具有光 电转换作用 而且具有内部放大作用 其内部放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应而完成的 11 2 APD雪崩光电二极管 1 雪崩光电二极管的雪崩倍增效应 2 雪崩光电二极管的结构及其工作原理雪崩光电二极管随使用的材料不同有几种 Si APD 工作在短波长区 Ge APD InGaAs APD等 工作在长波长区 12 2 APD雪崩光电二极管 雪崩光电二极管的结构和能带示意图 13 5 1 3光电检测器的特性 1 响应度R0和量子效率 2 响应时间3 暗电流ID4 雪崩倍增因子G5 倍增噪声和过剩噪声系数F G 14 1 响应度R0和量子效率 响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的一种物理量 A W 光电二极管的响应度和量子效率与入射光波频率有关 15 2 响应时间 响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流随入射光信号变化快慢的状态 一般用响应时间 上升时间和下降时间 来表示 一个快速响应的光电检测器 它的响应时间一定是短的 上面讨论的响应时间是从时域角度来看的 若从频域角度看 短的响应时间即意味这个器件的带宽宽 16 3 暗电流ID 理想条件下 当没有光照射时 光电检测器应无光电流输出 但是实际上由于热激励 宇宙射线或放射性物质的激励 在无光情况下 光电检测器仍有电流输出 这种电流称为暗电流 17 3 暗电流ID 严格地说 暗电流还应包括器件表面的漏电流 由理论研究可知 暗电流将引起光接收机噪声增大 因此 器件的暗电流越小越好 18 4 雪崩倍增因子G 雪崩光电二极管还有一个与雪崩倍增效应对应的参量 雪崩倍增因子 在忽略暗电流影响条件下 它定义为一般APD的倍增因子G在40 100之间 PIN光电管因无雪崩倍增作用 所以G 1 19 5 倍增噪声和过剩噪声系数F G 从物理概念上容易理解 雪崩光电二极管的倍增是具有随机性的 这种随机性的电流起伏将带来附加噪声 一般称为倍增噪声 倍增噪声可以用过剩噪声系数F G 来描述为 20 5 2光接收机 21 5 2光接收机 光电检测器光电检测器的作用是将由发送光端机经光纤传过来的光信号转变为电信号 即具有光 电转换功能 目前广泛使用的光电检波管是PIN管和雪崩光电二极管 前者称为半导体光电二极管后者又称为APD管 后者具有信号放大的作用 22 5 2光接收机 前置放大器由于这个放大器与光电检测器紧紧相连 故称前置放大器 对多数放大器的前级提出特别的要求是非常必要的 它应具有低噪声 高增益的特性 这样才能得到较大的信噪比 由于跨阻型前置放大器不仅具有宽频带 低噪声的优点 而且其动态范围也比高阻型前置放大器改善很多 因此在光纤通信中得到广泛的使用 23 5 2光接收机 1319型高速光纤接收组件 24 5 2光接收机 放大器主放大器的作用有下述两个方面 将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平 它还是一个增益可调节的放大器 一般主放大器的峰 峰值输出是几伏数量级 25 5 2光接收机 均衡器拖尾现象采用均衡器来使经过其后的波形 在本码判决时刻 其瞬时值应为最大值 而这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零 这样 即使经过均衡后的输出波形仍有拖尾 但是这个拖尾在邻码判决的这个关键时刻为零 从而不干扰对邻码的判决 26 5 2光接收机 未经均衡出现的脉冲拖尾现象 27 5 2光接收机 单个脉冲均衡前后波形的比较 28 5 2光接收机 判决器和时钟恢复电路判决器由判决电路和码形成电路构成 判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电路 脉冲再生电路的作用是将均衡器输出的信号恢复成理想的数字信号 29 5 2光接收机 信号再生示意图 30 5 2光接收机 时钟恢复电路方框图 31 5 2光接收机 时钟恢复电路波形图 32 5 2光接收机 NRZ码的功率谱密度分布图 33 5 2光接收机 RZ码功率谱密度分布图 34 5 2光接收机 一种非线性处理电路 35 5 2光接收机 非线性处理电路中的波形图 36 5 2光接收机 判决器和时钟恢复电路调谐放大 它的作用是用非线性处理后的波形来激励调谐放大器 然后在它的谐振回路中选出时钟频率fb的简谐波 经调谐放大后的波形如图 d 所示 限幅 经过限幅 可将上述简谐信号波形变为如图 e 所示的波形 整形 移相 整形电路将经限幅后的波形变为矩形脉冲 移相网络再将此矩形脉冲串的相位调整到最佳判决时所需要的相位 最后得到如图 f 所示的时钟信号 37 5 2光接收机 判决器和时钟恢复电路判决电路和码形成电路可由与非门电路和R S 复位 位置 触发器来构成 38 5 2光接收机 脉冲再生电路原理方框图 39 5 2光接收机 光接收机的动态范围和自动增益控制 光接收机的动态范围D是在保证系统的误码率指标要求下 光接收机的最低输入光功率 用dBm来描述 和最大允许输入光功率 用dBm描述 之差 其单位为dB 它表示光接收机正常工作时 光信号应有一个范围 这个范围就是光接收机的动态范围 40 5 2光接收机 光接收机的动态范围和自动增益控制光接收机的自动增益控制 AGC 就是用反馈环路来控制主放大器的增益 在采用雪崩管的光接收机中还通过控制雪崩管的高压来控制雪崩管的雪崩增益 41 5 2光接收机 自动增益控制工作原理方框图 42 5 2光接收机 解扰 解复用和码型变换电路在光发射机中首先进