第四章光检测与光接收机课件.ppt

光检测器及光接收机 光纤通信第四章 王立湖南文理学院电信学院通信工程教研室 本章重点 两种常用光检测器的工作原理及工作特性光接收机的组成及各部分的功能光接收机的性能指标光接收机的噪声分析 4 1光检测器4 2光接收机4 3光接收机的噪声分析4 4光接收机的灵敏度4 5光接收机的性能评估 第四章光检测器及光接收机 光接收机的首要部件是光检测器光检测器的作用是 检测出入射在其上面的光功率 且将光功率转化相应的电流适合通信用的光检测器 光电二极管 主要有Pin光电二极管和雪崩光电二极管 4 1光检测器4 1 1光电二极管的作用 光纤通信中对光检测器的最重要的几点要求 对所用光源的波长范围内有较高的响应度或灵敏度较小的噪声响应速度快对温度变化不敏感与光纤尺寸匹配工作寿命长 光电二极管 尺寸小 灵敏度高 响应速度快 材料合适 4 1 2PN光电二极管 工作原理 入射光从P侧进入 在耗尽区光吸收产生的电子 空穴对在内建电场作用下分别向左右两侧运动 产生光电流 响应时间 由于光生电流包含了漂移分量和扩散分量 扩散的速度比漂移的速度慢很多 使检测器输出的电流脉冲的拖尾延长 限制了光电转换速度 设法加宽耗尽层 使得照射光子尽可能被吸收 负偏压有助于加宽耗尽层 由于负偏压产生的电场与内建电场方向一致 使得耗尽层电场增强 加强了漂移运动 N区电子向正极运动并被中和 P区的空穴向负电极运动并被中和 这样耗尽层被加宽 减少P区和N区的厚度来减少载流子的扩散时间 减少P区和N区被收的光能降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层 这种结构就是常用的PIN光电二极管 提高响应速度采用的办法 4 1 3PIN光电二极管 一结构及工作原理在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料 以增大耗尽区宽度w 达到减小扩散运动的影响 提高响应度的要求 由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导体 Intrinsic 因此这种结构称为PIN光电二极管 I区高阻抗 电压基本都落在I区 PIN光电二极管及反偏时各层的场分布 二主要工作特性 1 1截止波长吸收系数对一给定的探测区材料就有一个能够探测的最低频率或最大波长 而对波长大于这个极限波长的光波就不能被探测到 光子能量h 大于半导体材料的禁带宽度Eg时 价带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带 否则不论入射光多强 光电效应都不会发生 所以 任何一种材料制作的光电二极管都有上截止波长 C 在短波长段 材料的吸收吸收系数变得很大 因此光子在接近光检测器的表面就被吸收了 电子 空穴对的寿命极短 结果载流子在由光检测器电路收集以前就已经复合了 Si C 1 06 m 使用范围 0 5 1 0 mGe C 1 6 m 使用范围 1 1 1 6 mInGaAs C 1 6 m 使用范围 1 1 1 6 m 二主要工作特性 2 2量子效率和响应度 入射光功率Pin中含有大量光子 能转换为光电流的光子数和入射总光子数之比称为量子效率 光生电流I0与入射光功率Pin之比称为响应度R0 I0 Pin响应度与量子效率的关系 二主要工作特性3 为了得到较高的量子效率 必须加大耗尽区的厚度 使得可以吸收大部分的光子 3响应时间 响应时间 由光功率输入转化为光电流输出 有一定时间迟后 其值取决与光检器电路的上升时间 载流子通过耗尽区的渡越时间 载流子扩散时间 主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间 由渡越时间限制的上截止频率 二主要工作特性 4 二主要工作特性 5 4线性饱和当入射光功率太大时 光生电流与光功率不成正比 产生非线性失真 5暗电流在无光照射时仍有电流流过 这部分电流称为暗电流 反向电压越大 暗电流越大 4 1 4雪崩光电二极管APD PIN 1个光子最多产生一对电子 空穴对 无增益APD 利用电离碰撞 1个光子产生多对电子 空穴对 有增益工作过程 1 倍增系数G Ip I0IP 平均输出电流 I0 一次光生电流IP GI0 GRPin倍增系数G与外加偏压 波长 温度有关 2 过剩噪声因子F在APD中 每个光生载流子不会经历相同的倍增过程 具有随机性 这将导致倍增增益的波动 这种波动是额外的倍增噪声的主要根源 通常用过剩噪声因子F来表征这种倍增噪声 F又可近似表为 F Gxx被称为过剩噪声指数 二APD的工作特性 1 二APD的工作特性 2 3 响应度和量子效率响应度提高G倍 量子效率与倍增无关4 暗电流随倍增因子G的增大而增大5 线性饱和主要是由于反向偏压不能保持恒定 三光检测器的比较 1 Si Ge InGaAspin光电二极管的通用工作特性参数 光检测器的比较 2 Si Ge InGaAs雪崩光电二极管的通用工作特性参数 光检测器的比较 3 在短距离的应用中 工作在850nm的Si器件对于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案 在长距离的链路常常需要工作在1330nm和1550nm窗口 所以常用基于InGaAs的器件 APD检测器与PIN检测器相比 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 要视具体应用场合而选定 4 1光检测器4 2光接收机4 3光接收机的噪声特性4 4光接收机的灵敏度4 5光接收机的性能评估 第四章光检测器及光接收机 4 2数字光接收机 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 电信号输出 AGC电路 性能指标 接收灵敏度 误码率和动态范围 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 4 2 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 4 2 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 4 2 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 4 2 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 4 2 2光接收机的线性通道 均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形 4 2 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 4 1光检测器4 2光接收机4 3光接收机的噪声分析4 4光接收机的灵敏度4 5光接收机的性能评估 第四章光检测器及光接收机 4 3光接收机的噪声分析 光接收机的噪声将影响信噪比SNR和通信质量 主要来自光电探测器和前置放大器的噪声 分为两类 散粒噪声和热噪声 量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时 光电子的产生和收集过程具有统计特性 泊松分布 光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的 这是光检测过程的基本特性 从而使当其他条件都达到最佳化时 接收机灵敏度具有一个最低极限 暗电流噪声 当没有光信号照射光检测器时 外界的一些杂散光或热运动也会产生一些电子 空穴对 光检测器还会产生一些电流 这种残留电流称为暗电流 漏电流噪声 当光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电压时 会引起很小的漏电流噪声 但这种噪声并非本征性噪声 可通过光检测器的合理设计 良好的结构和严格的工艺降低 APD倍增噪声 当使用雪崩光电二极管时 倍增过程的随机特性产生附加的噪声 热噪声 是在有限温度下 导电媒质内自由电子和振动离子间热相互作用引起的一种随机脉动 光接收机的噪声源 光检测器引入的噪声1量子噪声 i2q 2eIPB PIN i2q 2eIPBg2 x APD 2暗电流噪声 i2d 2eIdB PIN i2d 2eIdBg2 x APD 3负载电阻产生的热噪声 i2T 光接收机的噪声源 光接收机电路噪声1放大器输入电阻产生的热噪声 i2T 2放大器中晶体管引入噪声 4 1光检测器4 2光接收机4 3光接收机的噪声特性4 4光接收机的误码率4 5光接收机的灵敏度 第四章光检测器及光接收机 4 4光接收机的误码率 BER 错误的码元数 总码元数 二进制信号的误码概率 I1 I0 二进制信号的误码概率 I1 I0 在发 0 时 平均噪声功率N0 NA NA为前置放大器的平均噪声功率 发 0 码时噪声的概率密度函数为把0误判为1的概率为 二进制信号的误码概率 I1 I0 发1码时 平均噪声功率N1 NA ND 这时噪声电流的幅度为I1 Im 若I1 Im ID Im 就会把1判成0 二进制信号的误码概率 I1 I0 0 和 1 码一般误码率不相等 但对于 0 和 1 等概率出现时 一般认为它们的误码率相等 因此总的总误码率 BER 可以表示为 式中 Q Q称为超扰比 含有信噪比的概念 它还表示在对 0 码进行取样判决时 判决门限值D超过放大器平均噪声电流的倍数 Q Q被广泛用来说明接收机的特性 Q 6 BER 10E 9Q 7 BER 10E 12 通常 2 5Gb s系统的接收灵敏度对应于BER 10E 9 10Gb s系统的接收灵敏度对应于BER 10E 10 4 1光检测器4 2光接收机4 3光接收机的噪声特性4 4光接收机的误码率4 5光接收机的灵敏度4 6光中继器 第四章光检测器及光接收机 4 5光接收机灵敏度 灵敏度 是在保证通信质量 限定误码率或信噪比 的条件下 光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin 并以dBm为单位 由定义得到 Pr 10lg 灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时 能够接收微弱光信号的能力 提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号 4 5光接收机灵敏度 理想光接收机的灵敏度光检测器的暗电流为零 放大器完全没有噪声 系统可以检测出单个光子形成的电子 空穴对所产生的光电流 这种接收机称为理想光接收机 它的灵敏度只受到光检测器的量子噪声的限制 只要有光信号输入 就有量子噪声存在 因此 0 码误判为 码的概率为0 即Pe 01 0 误码率为 4 5光接收机灵敏度 Pe Pe 01 Pe 10 exp n 设传输的是非归零码 NRZ 每个光脉冲最小平均光能量为Ed 码元宽度为Tb 一个码元平均光子数为n 那么光接收机所需最小平均接收功率为 P min Pr 10lg 4 5光接收机灵敏度 实际光接收机的灵敏度在发 0 码的情况下 入射信号的光功率P0 0 输出光电流I0 0 在发 1 码的情况下 入射信号的光功率P1和光电流I1的关系为 I1 g P1 2g P 式中 g为APD倍增因子 对于PINPD g 1 为光检测器的响应度 P P1 P0 2为 0 码和 码的平均光功率 4 5光接收机灵敏度 在放大器输出端 码的平均电流Im I1A A为放大器增益 因此有 Q 给定Q值 便得到限定误码率的最小平均接收光功率 式中 N0和N1分别为传输 0 码和 1 码时的平均噪声功率 4 5光接收机灵敏度 N1 NA ND N0 NA 式中 NA是前置放大器的平均噪声功率 ND是在放大器输入端光检测器的平均噪声功率 ND i2q A2 i2q 为均方量子噪声电流 对于PIN光电二极管 主要是NA引起 g 1 因此可以简化为 P min 式中nA NA A2是折合到输入端的放大器噪声功率 影响光接收机灵敏度的因素 灵敏度与放大器噪声的关系设Z是反映放大器热噪声量值的参量灵敏度与成正比 PIN 灵敏度与成正比 APD Si APDx 0 5灵敏度正比于因此 放大器噪声对PIN接收机灵敏度起决定作用 极力降低放大器的噪声是提高灵敏度的关键 放大器噪声对APD影响相对较小 影响光接收机灵敏度的因素 接收机灵敏度与码速的关系码速越高 最小接收光功率越大 灵敏度下降P