第九章-光纤通信技术—4要点.ppt

第9章光纤通信技术,光纤通信技术是光纤应用技术的一个重要应用方向，它是以光纤技术、激光技术和光电集成技术为基础而发展起来的。光纤通信是以光纤作为传输媒介、光波为载频的一种先进的通信手段。即利用近红外区域波长1000nm左右的光波作为信息的载波信号，把电话、电视、数据等电信号调制到光载波上，再通过光纤传输信息的一种通信方式。光纤通信具有许多独特的优点，所以光纤一经问世，就以科技史上罕见的速度迅速发展而成为有效的通信手段。本章主要介绍了光纤通信的特点、分类和光纤通信系统的基本组成，以及光纤通信网络和光通信的新技术。,9.3光电检测器与光接收机,光纤通信系统中，光发送机输出的光信号在光纤中传输时，不仅幅度会受到衰减，而且脉冲的波形也会被展宽。光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真恢复出由光纤传输、光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。本节首先介绍光电检测器的原理与特性，然后重点讨论接收机前端的噪声特性、模拟及数字接收机的性能，如信噪比或误码率、接收机灵敏度等。,9.3.1光接收机组成概述光纤通信系统有模拟和数字两大类，和光发射机一样，光接收机也有模拟接收机和数字接收机两种形式，如图9.33所示。它们均由反向偏压下的光电检测器、低噪声前置放大器及其他信号处理电路组成，是一种直接检测(DD)方式。与模拟接收机相比，数字接收机比较复杂，在主放大器后还有均衡滤波、定时提取与判决再生、峰值检波与自动增益控制(AGC)放大电路。但因它们在高电平下工作，并不影响对光接收机基本性能的分析。,(a)模拟接收机,(b)数字接收器,图9.33光纤通信接收机框图,光电检测器是光接收机的第一个关键部件，其作用是把接收到的光信号转化成电信号。目前在光纤通信系统中广泛使用的光电检测器是PIN光电二极管(PIN-PD)和雪崩光电二极管(APD)。PIN-PD比较简单，只需1020V的偏压即可工作，且不需偏压控制，但它没有增益。因此使用PIN_PD的接收机的灵敏度不如APD接收机;APD具有10200倍的内部电流增益，可提高光接收机的灵敏度。但使用APD比较复杂，需要几十到200V的偏压，并且温度变化较严重地影响APD的增益特性，所以通常需对APD的偏压进行控制以保持其增益,不变，或采用温度补偿措施以保持其增益不变。对光电检测器的基本要求是高的转换效率、低的附加噪声和快速的响应。由于光检测器产生的光电流非常微弱(nAA)，必须先经前置放大器进行低噪声放大，光电检测器和前置放大器合起来叫做接收机前端，其性能的优劣决定接收灵敏度的主要因素。经光电检测器检测而得的微弱信号电流，流经负载电阻转换成电压信号后，由前置放大器加以放大。但前置放大器在将信号进行放大的同时，也会引人放大器本身电阻的热噪声和晶体管的散弹噪声。另外，后面的主放大器在放大前置放大器的输出信号时，也会将前,主放大器主要用来提供高的增益，将前置放大器的输出信号放大到适合于判决电路所需的电平。前置放大器的输出信号电平一般为mV量级，而主放大器的输出信号一般为13V(峰-峰值)。均衡器的作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决码间干扰最小的升余弦波形。均衡器的输出信号通常分为两路，一路经峰值检波电路变换成与输人信号的峰值成比例的直流信号，送人自动增益控制电路，用以控制主放大器的增益;另一路送入判决再生电路，将均衡器输出的升余弦信号恢复为“0”或“1”的数字信号。,定时提取电路用来恢复采样所需的时钟。衡量接收机性能的主要指标是接收灵敏度。在接收机的理论中，中心的问题是如何降低输人端的噪声，提高接收灵敏度。光接收机灵敏度主要取决于光电检测器的响应度以及检测器和放大器的噪声。9.3.2光电检测器作为光纤通信系统的光电检测器，需要具备一定条件和要求才能完成光电转换:,在工作波长上光电转换效率高，即对一定的入射光功率，光电检测器能输出尽可能大的光电流，这表明光电检测器具有高的光电转换效率，或高的增益因子;足够高的响应速度，或有大的频带宽及线性度好，即光电检测器输出的电信号能不失真地反映出接收的光信号强度随时间的真实变化规律，使信号失真尽量小;高的接收灵敏度，即能探测极微弱的光信号。对此，光电检测器应有很低的噪声(与光电转换效率区别);,体积小、功耗低、寿命长、高可靠、工作电压低等。目前的光接收机绝大多数都是用光电二极管(PD)直接进行光电转换，其性能的好坏直接影响着接收机的性能指标。光电二极管的种类很多，在光纤通信中，满足上述要求的光电检测器主要有两种:PIN光电二极管(PIN-PD)和雪崩二极管(APD)。1.光电检测器的工作原理PD是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，如图9.34所示。由二极管做成的光电检测器的核心是PN结的光电效应。,当半导体受到光的照射,且光子能量、大于半导体材料的带隙Eg时，位于价带的电子将吸收光能向导带跃迁，这种现象称为光电效应。保持运动状态的电子，不久又和价带的空穴相遇而复合，这时光电效应消失。所以为了把光信号变换成电信号，必须充分利用电子和空穴复合以前的状态。在半导体光电检测器件中，为了使电子和空穴分离，通常采用PN结面附近区域产生空间电荷区，形成自建电场，如图9.34所示。当P型半导体紧密接触后，P型区的空穴和N型区的电子分别向N型区和P型区扩散，因而在两个区的,接触面两侧形成了不存在载流子电子和空穴的区域，这个区域就叫耗尽层。在这样的状态下，如果光从P区一侧人射，则光能量在被吸收的同时仍继续向N区一侧延伸吸收，在经过耗尽层时，由于吸收光子能量，电子从价带被激励到导带而产生光生电子空穴对，并且在耗尽层空间电场作用下，分别向N型区和P型区相互逆方向作漂移运动，并形成漂移电流。在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进人耗尽层，然后在电场作用,下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。于是，当与P层和N层连接的电路开路时，便在P区和N区两端之间产生与被分隔开的电子和空穴数量成正比的电动势。若与外电路连通，N区过剩的电子经外部电路与P区空穴复合形成光生电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电信号。这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的PN结光电二极管。,图9.34反向偏置的PN结,产生光电效应必须满足（9.19）即存在（9.20）式中，为产生光电效应的人射光的最大波长，称为截止波长。以Si为材料的PD,=1.06m；以Ge为材料的PD，=1.60m。如图9.34所示，PD通常要施加适当的反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生,电流中的扩散分量。由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间，使响应速度减慢。这种结构的PD无法降低暗电流和提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合做光纤通信的检测器。为了解决这一矛盾，就需要改进PN结PD的结构。,2.PIN-PD(1)PIN-PD的工作原理与结构由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体I(Intrinsic)，这种结构便是常用的PIN-PD。PIN-PD的工作原理和结构见图9.35。,图9.35PIN一PD工作原理与结构,PIN-PD中，中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体;两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。I层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进人材料内部被充分吸收而产生大量电子空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。两侧P+层和N+层很薄，吸收人射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度，来改变器件的响应速度。,(2)PIN-PD的主要特性PIN-PD的主要特性包括波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度及噪声特性等。波长响应范围。不同半导体材料存在着上限波长，即截止波长。当入射波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大降低。因此，半导体光电检测器只可以对一定波长范围的光信号进行有效的光电转换，这一波长范围就是波长响应范围。,图9.36材料吸收系数随波长的变化情况,由于半导体材料对光的吸收，光在材料中按指数率衰减，因此在厚度的材料内被吸收的光功率为（9.21）式中，P0为入射光功率;为材料吸收系数，其大小与材料性质有关，且是波长的函数。半导体材料的吸收作用随波长减小而迅速增强，即随波长,减小而变大。图9.36为光纤通信中用做光检测器的几种材料的吸收系数随波长的变化情况。响应度与量子效率。响应度是描述光检测器能量转换效率的一个参量。它定义为一次光生电流Ip和人射光功率P0的比值，即(9.22)式中，P0为人射到光电二极管上的光功率;Ip为所产生的光电流，R的单位为A/W。,式中，P0为人射到光电二极管上的光功率;Ip为所产生的光电流，R的单位为A/W。量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即（9.23）将上式代人(9.22)式可得光电检测器的响应度:（9.24）,式中，波长、的单位取m。可见，光电检测器的响应度随波长的增大而增大，这是因为较低能量的光子（较大)，也能产生相同的光生电流，但这种关系只有在光子能量大于半导体的带隙能量前提下成立，一旦光子能量小于带隙能量，则。量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。假设器件表面反射率为零,P层和N层对量子效率的贡献可以忽略，在工作电压下，I层全部耗尽，那么PIN-PD的量子效率可以近似表示为（9.25）,图9.37PIN一PD响应度、量子效率与波长的关系,响应时间和频率特性。PD对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时间或截止频率fc(带宽B)表示。对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的时间，分别定义为脉冲上升时间r和脉冲下降时间f，如图9.38所示。当PD具有单一时间常数0时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函数exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脉冲响应时间:=r=f=2.20(9.26),对于幅度一定，频率为=2f的正弦调制信号，用光生电流I()下降3dB的频率定义为截止频率fc。当光电二极管具有单一时间常数时0时，(9.27)PIN-PD响应时间或频率特性主要由光生载流子在耗尽层的渡越时间d和包括PIN-PD在内的检测电路RC常数所确定。,PIN-PD响应时间或频率特性主要由光生载流子在耗尽层的渡越时间d和包括PIN-PD在内的检测电路RC常数所确定。当调制频率、与渡越时间的d倒数可以相比时，I层对量子效率（）的贡献可以表示为（9.28）由得到由渡越时间d限制的截止频率（9.29）式中，渡越时间d=/vs，为耗尽层宽度，vs为载流子渡越速度，正比于电场强度。,图9.39内量子效率和带宽的关系,噪声特性。PD的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声以及负载电阻的热噪声。噪声影响光接收机的灵敏度。量子噪声是由于入射光子和所形成的电子一空穴对都具有离散性和随机性而产生，与平均光电流Ip成正比。暗电流Id噪声是当没有入射光时流过器件偏置电路的电流，它是由于PN结内热效应产生的电子一空穴对形成的，是PIN-PD的主要噪声源。除此之外，PD中还有表面漏电流IL。表面漏电流是由于器件表面物理特性的不完善，如表面缺陷、不清洁和加有偏置电压而引起的。电阻的热噪声指，,温度高于绝对零度时，电阻中大量的电子就会在热激励下做无规则运动，而在电阻上形成的无规则弱电流。除负载电阻的热噪声以外，其他都为散弹噪声。散弹噪声是由于带电粒子产生和运动的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白噪声。（9.31）式中，Ip为光电流，暗电流Id均为暗电流，IL为面漏电流，f为噪声带宽。量子噪声不同于热噪声，它伴随着信号的产生而产生，随着信号的增大而增大。当没有光入射时，信号消失，量子噪声也同时消失。,3.雪崩光电二极管(APD)(1)APD的结构与工作原理APD是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩倍增效应来使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。工作电压很高，为100200V，接近于反向击穿电压。当耗尽层中的场强达到足够高时，人射光产生的电子或空穴在强电场中可得到极大的加速，而获得很高的能量，高能量的电子和空穴在运动过程中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，激发出新的电子-空穴对。碰撞电离产生的电子和空穴在电场中又被加速，电离其他的原子，经过多次电离后，载流子迅速增加，形成雪崩倍增效应。因此，ADP具有很高的内增益，可达到几百。,ADP响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种PD。图9.40为一种被称为拉通型APD(RAPD)的结构，大致和PIN-PD相同。这是一种全耗尽型结构，具有光电转换效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。这里的P层是稍微填加了受主元索的P型半导体，意味着P层是高阻层。层为低掺杂区(接近本征态)，而且很宽。当偏压加达到一定程度后，耗尽区将被拉通到层，一直抵达P+层。,倍增的高电场区集中在PN+结附近窄的区域内。随着偏置电压的增加，结区的耗尽层逐渐加宽，直到P区的载流子全部耗尽，使P区成为耗尽区。进一步加大偏置电压，耗尽区逐渐扩大，直至“拉通”到整个区。区较宽以提高量子效率，区电场比PN+结区电场低。入射光子在区吸收后建立一次电子一空穴对，其中电子在电场作用下向PN+结漂移，并在PN+结区