光纤通信第四单元.ppt

第4章光接收设备 4 1光接收电路4 2输出电路 第4章光接收设备 4 1光接收电路4 1 1基本构成和主要性能指标4 1 1 1光接收电路的基本构成 图4 1光接收电路的基本组成图 光检测器性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度 对光检测器的要求如下 1 波长响应要和光纤低损耗窗口 0 85 m 1 31 m和1 55 m 兼容 2 响应度要高 在一定的接收光功率下 能产生最大的光电流 3 噪声要尽可能低 能接收极微弱的光信号 4 性能稳定 可靠性高 寿命长 功耗和体积小 目前 适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管 APD 4 1 1 2光接收电路的主要性能指标 1 灵敏度SrPr是在给定误码率条件下 光接收机所需要的最小平均光功率 灵敏度反映光接收机接收弱光信号的能力大小 光接收机的灵敏度指标主要由光检测器件和前置放大器的性能所决定 2 动态范围DPmax和Pmin分别是光接收机在所期望的误码率条件下的最大和最小平均接收光功率 Pmin是灵敏度Sr对应的Pr 动态范围表示光接收机在指定的误码率条件下所能接收的光功率变化范围的大小 它反映光接收机适应强光信号的能力 4 1 2光检测器件 PIN和APD 1 光电二极管 PD 电子空穴扩散运动 自建电场 外加反向电场 P N结间电位势垒加强 有光子射到PN结上 并且光子的能量大于禁带宽度 那么价带的电子可以吸收光子能量跃过到导带 结果在导带和价带之间就产生光生的电子 空穴时 受激吸收 电子向N区漂移 空穴向P区漂移 形成光生电流 从而把光信号转换成电信号 2 本征PN型光电二极管PIN 光电效应PN结光生电流主要由耗尽区电子 空穴对在外加电场与自建电场作用下的漂移运动形成的 耗尽区 有源区 漂移运动 快 极值 电场大 扩散区 无源区 扩散运动 慢 电场为零 快的响应速度和高的效率避免光生电子一空穴对在零电场区里产生减小零电场P区和n区厚度 增加耗尽区厚度PIN是在薄的P区和N区之间夹入一层较厚的本征半导体材料 以增加PN结耗尽区的宽度 称为I区 PIN比PD具有更高的光生电流效率和更高的响应速度 PIN的特点 光电转换效率较高 无光生电流放大作用 响应速度快 PIN存在的问题 耗尽区加长 但反向偏压不能加很高 使载流子的漂移时间长 响应速度慢 光生电流小 引入放大器的噪声 接收机信噪比低 3 雪崩型光电二极管 APD 在薄的重掺杂的P 区和N 区之间夹入I区 较厚 和P区 I区是耗尽区 作为光子的主要吸收区 P区是高电场区 高于I区电场 作为碰撞电离区 APD在结构设计上已考虑能承受高反向偏压 光生的电子 空穴对经过高电场区时被加速而获得足够的能量 它们在高速运动中与晶体上的原子碰撞 使晶体中的原子电离 从而产生新的电子 空穴对 这样多次碰撞电离的结果 使载流子迅速增加 反向电流迅速加大 形成雪崩倍增效应 APD的特点 光电转换效率高 有光生电流放大作用 即雪崩倍增作用 响应速度快 灵敏度高 a PIN光电二极管 b APD光电二极管图4 2光电二极管结构示意图 光电二极管也称为光敏二极管 其工作方式为负偏置方式 其中PIN的负偏压约为几至几十伏 APD的负偏压约为几十至一百多伏 图4 3光电二极管的电路符号 4 光电二极管的主要特性参数 截止工作波长 上限使用波长 c c hc Eg c时能产生光生电流 c时不能产生光生电流 暗电流Id无光照射时 光电二极管的反向电流 称为暗电流Id 暗电流Id越小越好 暗电流Id构成背景噪声 称为暗电流散粒噪声 其电流均方值为G是APD倍增因子 x是附加噪声指数 响应度R单位入射光功率所产生的一次光生电流 称为响应度R 通常 R 0 5A W左右 量子效率 一个入射光子所产生的一次光生电子数 称为量子效率 响应时间 光生载流子在耗尽区内的渡越时间 d与光检测回路的RC时间常数 RC之和 称为响应时间 即 d RC d 耗尽区宽度 光生载流子漂移速度 RC RLCd Cd是光电二极管结电容 RL是负载电阻 图4 4光电二极管等效电路 APD倍增因子GAPD有倍增时总的光生电流与未倍增的一次光生电流之比 称为倍增因子G 即G与V有关 G与T有关 T 则G 量子噪声与APD附加噪声指数定义 光束中光子数目波动引起光生电流波动 产生光生电流散粒噪声 称为量子噪声 其均方值为2eIP fG2是倍增噪声 Gx是倍增噪声附加项 x称为附加噪声指数 x 1 4 1 3前置放大器 4 1 3 1基本功能将光检测器件输出的微弱电流信号 通常为10 7 10 5A 进行放大 以适合后续电路的需要 前置放大器的重要指标是低噪声和高灵敏度 以及合适的带宽 大的动态范围和良好的温度稳定性等 4 1 3 2三种类型前置放大器 图4 5光接收机的前置级放大电路 a 双极型晶体管 b 场效应管 c 跨阻型 三种类型前置放大器的比较 1 双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低 电路时间常数RC小于信号脉冲宽度T 因而码间干扰小 适用于高速率传输系统 2 场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高 噪声小 高频特性较差 适用于低速率传输系统 3 跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽特性和动态范围 并具有良好的噪声特性 4 1 3 3典型电路 FET互阻抗前置放大器 电路主要特点 采用了共源 共基 共集方式 内部反馈小 即后级电路对前级电路的影响小 电路稳定性好 采用了负反馈 使放大器输入阻抗有所减小 有利于增大带宽 4 1 4主放大器 1 基本功能将前置放大器输出电压信号 通常为毫伏数量级 放大到适合于后级判决电路所需要的幅度范围 几伏数量级 主放大器的电压增益变化范围要比较大 以适应前端入射光功率动态范围大的特点 为此需要有自动增益控制 AGC 2 典型电路 双栅FET主放大器 3 级联放大器的噪声系数 由前置放大器和主放大器构成的级联放大器的噪声系数NF满足公式 NF1和NF2分别为前置放大器和主放大器的噪声系数 KP1为前置放大器的功率增益 当Kp1足够大时 以致右边第二项很小可以略去 则NF NF1 这表明 当前置放大器的功率增益足够大时 则级联放大器的噪声系数主要由前置放大器的噪声系数来决定 所以 减小级联放大器噪声系数的关键是使前置级具有高增益和低噪声 4 1 5均衡器 4 1 5 1基本功能对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形 使其变为升余弦信号 以利于克服码间干扰 4 1 5 2码间干扰 ISI 1 产生原因光纤色散引起光脉冲展宽 当光脉冲展宽超过分配给它们的时隙时 以致一部分光脉冲能量进入相邻时隙 对邻近码元信号产生干扰 称为码间干扰 会使判决电路的输入信噪比降低 码间干扰是产生误码的重要原因 2 码间干扰消除方法如果在传号码元波形的主峰值对应时刻上不出现其他码元信号的非零值 在空号码元的零值中心时刻上也不出现其他码元信号的非零值 这样就不会产生码间干扰 在此情况下 在传号码元的主峰值对应时刻上和在空号码元的零值中心时刻上进行幅度判决 不会产生误码 图4 8码间干扰消除方法示意图 3 升余弦幅频特性 频域f 有限 时域t 无限拖尾对于一个实际使用的传输系统 其频带总是受限的 而对于一个频域受限的系统 它的时域响应将是无限的 也就是说它的输出波形必定有很长的拖尾 使前后码元在波形上互相重叠而产生码间干扰 影响接收机的灵敏度 均衡滤波电路的作用 是将输出波形均衡成具有升余弦频谱 做到判决时无码间干扰 具有升余弦频谱的波形尽管有拖尾 但在所有的判决时刻 t KT K为整数 拖尾都是过零点 进行判决点 从而消除码间干扰 当均衡器输出升余弦波形时 发送端输出的基带数字脉冲信号 只要严格按照fb 1 Tb的速率发送 则在均衡器输出信号的波峰峰值处不会产生码间干扰 4 1 5 3均衡电路是专门的滤波及频率补偿电路 其输出波形应当接近升余弦波 实现方法 使用LRC滤波器均衡电路 4 1 5 4眼图眼图张开程度越大 则码间干扰越小 越有利于判决 图4 11升余弦信号的眼图 4 1 6基线恢复 4 1 6 1基本功能将升余弦信号的基线固定在某一电平上4 1 6 2典型电路二极管钳位器 用于速率 34Mb s的光纤通信系统 图4 12二极管钳位器的原理电路图 4 1 7幅度判决 4 1 7 1基本功能将均衡器输出并经过基线恢复处理的升余弦波信号整形为非归零 NRZ 的矩形脉冲信号 以利于时钟提取 4 7 1 2典型电路图4 14幅度判决电路及其输入和输出信号波形图 4 1 8非线性处理 4 1 8 1基本功能将幅度判决输出的非归零矩形脉冲序列信号变为归零矩形脉冲序列信号 以利于提取时钟信号 NRZ与RZ脉冲序列信号的区别如下 1 时域 NRZ脉冲宽度 等于码元周期Tb RZ脉冲宽度 小于码元周期Tb Tb m 其中m 2 3 4 2 频域 NRZ功率谱没有时钟频率的线谱分量 RZ功率谱则有之 4 1 8 2典型电路 图4 16单极性NRZ和RZ脉冲序列信号的波形图 4 1 9时钟提取 4 1 9 1基本功能从非线性处理电路输出的RZ信号中获得按时钟频率fb振荡的余弦信号 其中fb 1 Tb 4 1 9 2典型电路 LC谐振放大器 4 1 10限幅移相 4 1 10 1基本功能将时钟提取电路输出的一列幅度变化很大的余弦振荡信号进行限幅 得到矩形脉冲信号 再经过移相和电平变换 变成后续电路所需要的时钟信号 4 1 10 2典型电路 射极耦合限幅移相电路 4 1 11定时判决 4 1 11 1基本功能利用限幅移相电路输出的时钟脉冲的控制作用 将幅度判决电路输出的NRZ脉冲信号 其前 后沿有较大抖动 变成与发送端一致的NRZ脉冲信号 抖动很小 4 1 11 2典型电路 使用D触发器 4 2输出电路 4 2 1基本概念输出电路是介于光接收电路和电端机之间的电路单元 是下游光端机的重要组成部分 由码型反变换电路和