光探测及光接收机（参考材料）

光探测及光接收机 参考材料 光探测及光接收机 参考材料 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1特选优质 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2特选优质 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3特选优质 1 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 4特选优质 2 带宽与均衡滤波均衡滤波技术消除码间干扰 扩大带宽 3 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 7 译码 码型变换器 1 若发射端进行了扰码 需要译码 2 HDB 3 CMI码等解码 5特选优质 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E g 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I p 图示 6特选优质 光电效应必须满足条件hf E g入射光 n e耗尽层Ip RL电子空穴 e hw U电极P N 7特选优质 1 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5um 50um 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 增大外加电压升高 压影响漂移速度 受外加电dd dtrWt 8特选 优质 响应波长 截止波长 任何一种材料制作的光电二极管 都有1 6um1 1InGaA s Gum0 15 024 1 围为光电二极管波长响应范和 范围为光电二极管 的波长响应eSE EhiggCC 9特选优质 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I d 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 19106 1 q341063 6 普朗克常数 h f入射光频率1 24 R R响应度10特选优质 2 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 11特选优质 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brr mrbr1M 1 V V VVm 击穿电压偏向电压与温度相关的特性指数12特选优质 3 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 Absorptionand Multiplication APD 目的是使工作波长在1 3um 1 6um波长波段上 2 分别吸收 渐变 倍增APDSAGMAPD Separate AbsorptionGrading andMultiplicationAPD 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MQWAPDMultiple QuantumWell 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 13特选优质 4 MSM光探测器金属 半导体 金 属光探测器 Metal Semiconductor Metal 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5 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14特选优质 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 85 5 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I nCaAs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 As GaInx x 115特选优质 5 3光接收机的性能5 3 1信噪比1 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in2s 222 P sPsP dP ddIt I i tI RPitqI fqI fq I I ffq I 平均信号电流 散粒噪声的电流起伏 满足 光接收机带宽 电荷 暗电流16特选 优质 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 2n222 4 4 2 TT BL nLBPs TBs T pd nLitK TR f FF RTKI I IiiK TqI I F fR 热噪声电流 放大器的热噪声倍数 负载电阻 绝对温度 玻耳 曼常数 3 总的噪声电流 17特选优质 PIN光接收机只对信号进行光 电转换 而无放大功能 222222in n 2 4 4in 2in PBind nLPinT SLBinS TRP ISNRK Tq RPIFfRI RP R qhf PSNRPRR KTF fPPSNRhf f in 输入功率的响应度 当时 热噪声远大于散粒噪声 而当很大时 此时18特选优质 APD光接收机APD的内部增益使产生的电流扩大 了M倍 即2 PI MRPinSNRPIN MSNR与相比扩大了倍 同时噪声也扩大 限制了的提高 19特选优质 散粒噪声2222P222S2 1 1 2 SNR2 4S Ain dAAA AABTAd nLqMF RPI fFAPDF MK MKMKI MRPinKTqM F RPin IfFfR 的过剩热噪声指数 电离率之比 0 2s TdAPinSNR IhfFf 时20特选优质 22P22S 4LT BnI RMRPinSNRK TFf sT 时21特选优质 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22特选优质 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 时 灵敏度变化敏感最佳5 0 MM23特选优质 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 24特选优质 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 0 910 BER25特选优质 0 1的出现是等概率时 P 0 P 1 0 5 得BER 0 5 P 0 1 P 1 0 DI 0 1 P x f判决门限DI1I0I阴影区表示概率DIDI1I0I概率分布26特选优质 高 斯随机过程2xxxx 22102100101101111 22 1 0 0 1 11 0 1 1 0 22222 1 42DDI II IIIDDyxD Df I efIeP fI dIP fI dIIIIIP erfcP erfcerfcx edyI IIBER erfcerfc 误差函数00 2I 27特选优质 最佳判决电流xx01010100011I IIIIIQQI II IDDDD 则若为品质因素误差最小 28特选优质 在实际系统中I0 0I1 MP inR012221 Ts T 29特选优质 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10 0101112110011000112 2exp 2 21 I IQQQQerfc BERI IIIIIIQDD D式中此时01 01 30特选优质 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Io 0Po 0 1 码 功率为P1 2 2exp 2 21121 QQQerfcBER112 1recI MRP MRP MAPD MPIN 增益为 31特选优质 1212s122210222n 2 2 2 4 recTS TTS Arec TB LPP PqMFRP fKTR Ff 平均光功率 而均方噪声电流 由散 粒噪声和热噪声项决定111222122recs TTMRP IQ 由此 32特选优质 2111111122opt1121exp22 101 1 2 Trec ArecT ArecTTAAArec AQBERBER QQQPq fFQ ARMQPIN MP FRAPDAPMM AMKq fQK q fQ KPqfR QK M 对于给定的 可由求得从而由上式 求得对于 对于 若热噪声仍占支配地位由式与相关 借助 调整 由式得到此时 1opt AK 33特选优质 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1 绝