现代光通信第一章

1、第,5,章,光检测器及光接收机,5.1,概述,5.1.1,光探测原理,5.1.2,光探测过程的基本原理,5.2,光检测器,5.2.1,光电二极管工作原理,5.2.2 PIN,光电二极管,5.2.3,雪崩光电二极管,(APD),5.2.4,光电二极管一般性能和应用,5.3,光接收机,5.3.1,概述,5.3.2,数字光接收机,5. 3.3,光接收机指标,5. 3.4,光接收机的性能评估,驱动电路,调制器,中继器,光电二,极管,光纤,放大器,判决器,光源,光纤,光接收机,光接收机是光纤通信系统的重要组成,部分，其作用是将光信号转换回电信,号，恢复光载波所携带的原信号。,光信号,光电,变换,前置,放

2、大,主放,大器,均衡,滤波,判,决,器,输出,AGC,电路,前端,线性通道,时钟恢复,时钟提取与数据再生,（,CDR,）,性能指标,:,接收灵敏度、,误码率或信噪比,对信号进行高增益放大与整形，,提高信噪比，减少误码率。,CDR: clock data recovery,?,光接收机：,把光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相,应的电信号并放大、再生恢复为原传输的信号。,?,光检测器：,将接收到的光信号转换成电信号。,5.1,概述,5.1.1,光探测原理,?,PN,结的光电效应：,光电检测器是利用半导体材料的光电效应,实现光电转换的。,?,光电效应：,在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫

3、做,光电效应。,?,光电检测器核心器件：,光电二极管,(PD),，是一个工作在反向,偏压下的,PN,结二极管。,?,PN,结的光电效应及条件：,如右图,所示，当入射,光子能量,hf,小于禁带宽,度,E,g,时，不论入射光有,多强，光电效应也不会,发生，即产生光电效应,必须满足以下条件：,即光频,f,c,E,g,的入射光,h,是不能产生光电效应的，,c=,将,f,c,转换为波长，则,hf,E,g,hc,E,g,即只有波长,c,的入射光，才能使这种材料产生光生载流子，故,c,为产生光电效应的入射光的最大波长，又称为截止波长，相应,的,f,c,称为截止频率。,5.1.2,光探测过程的基本原理,假设入

4、射光子的能量,hf,超过禁带能量,E,g,，只有几微米宽的耗,尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激,吸收。在,PN,结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的,电子,-,空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽层，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。当电路闭合时，在外电路形成光生,电流,I,P,。当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而,把光信号变成电流信号。光生电流,I,P,与产生的电子空穴对和这,些载流子运动的速度有关。也就是说直接与入射光功率,P,in,成,正比，即,I,P,?,?,P,in,式中,是光电

5、检测器,响应度,（用,A/W,表示）,5.2,光检测器,?,对光检测器的基本要求是：,（,1,）在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射,光功率，能够输出尽可能大的光电流；,（,2,）具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；,（,3,）具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；,（,4,）具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；,（,5,）具有较小的体积、较长的工作寿命等。,5.2.1,光电二极管工作原理,光电二极管,(PN),把光信号转换为电信号的功能，,是由半,导体,PN,结的,光电效应,实现的。,电子和空穴,PN,结界面,的扩散运动,内部电场,漂移运动

6、,能带倾斜,如果光子的能量大于,当入射光作用在,PN,结时,或等于带隙,( h,f, E,g,),发生受激吸收,内部电场的作用，电子向,N,区运动，空穴向,P,区运动,在耗尽层,形成漂移电流。,图,5.1,光电二极管工作原理,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入耗尽层，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,。当与,P,层和,N,层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称,为,光电效应,。,当连接的电路闭合时，,N,区过剩的电子通过外部电路流向,P,区。同样，

7、,P,区的空穴流向,N,区，,便形成了,光生电流,。,当入射光变化时，光生电流随之作,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,光电二极管,(PN),。,如图,5.1,(b),所示，光电二极管通常要,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

8、子漂移的,渡越时间,，,使响应速度减慢。,为了解决这一矛盾，,就需要改进,PN,结光电二极管的结构。,PN,光电二极管,(1),?,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,：,由光功率输入转化,为光电流输出，有一定时间迟,后，其值主要决定于载流子通,过耗尽区的,渡越时间,。,?,r,?,w,v,s,PN,光电二极管,(2),带宽受限的主要因素,:,产,生的光电流中存在扩散,分量，它与耗尽区外的,光吸收有关。载流子作,扩散运动的时延将使检,测器输出电流脉冲后沿,的托尾加长，影响光电,二极管的响应速度。,扩

9、散分量的存在,导致光电二极管,瞬态响应失真,考虑漂移和扩散运动时,PN,光电二极管对矩形脉冲的响应,解决方法：减小,P,N,区厚度，增加耗尽区的宽度，,使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少,P,N,区,吸收的光能,-PIN,5.2.2,PIN,光电二极管,PIN,光电二极管的产生,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,(,称为,I),，这种结构便是常用的,PIN,光电二极管,。,I,层的宽度较宽，约有,550,m,。,PIN,光电二极管,的工作原理和结构见图

10、,5.2,和图,5.3,。,中间的,I,层是,N,型掺杂浓度很低的,本征半导体,，用,(N),表示；,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，入射光很容易进入材料内部被充,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，吸收入射光的比例很小，,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,w,，来改变器件的,响应速度,。,图,5.2 PIN,光电二极管工作原理,光,抗,

11、反,射,膜,P,电,极,?,(n),N,E,电,极,图,5. 3 PIN,光电二极管结构,PIN,光电二极管具有如下,主要特性：,(,一,),量子效率和光谱特性,。,光电转换效率,用,量子效率,或,响应度,表示。,量子效率,的定义为一次,光,生电子,-,空穴对,和,入射光子数,的比值,光生电子对,?,空穴对,I,P,/,e,I,P,hf,?,?,?,?,入射光子数,P,0,/,hf,P,0,e,（,5.1,）,响应度,的定义为一次,光生电流,I,P,和,入射光功率,P,0,的比值,I,P,?,e,?,?,?,(,A,/,W,),P,0,hf,式中，,h,f,为,光子能量,，,e,为,电子电荷,

12、。,（,5.2,）,（,1,）,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,光电二极管,的,量子效率,可以近似表示为,?,?,1,?,exp,?,?,(,?,),w,（,5.3,）,式中，,(),和,w,分别为,I,层的吸收系数和厚度。由上式可以,看到，当,()w,1,时，,1,，所以为提高量子效率,，,I,层的厚,度,w,要足够大。,（,2,）,量子效率,的光谱特性取决于半导体材料的,吸收光谱,(),，,对长波长的限制由式,hc,1,.,24,?,?,?,E,g,E

13、,g,确定，即,c,= hc,/E,g,。,图,5.4,示出,量子效率,和,响应度,的光谱特性，由图可见，,Si,适用于,0.80.9m,波段，,Ge,和,InGaAs,适用于,1.31.6 m,波段。响,应度一般为,0.50.6 (A/W),。,1.0,?,?90,￥,0.8,70,￥,0.6,S,i,50,￥,0.4,30,￥,0.2,10,￥,0,0.7,0.9,1.1,1.3,?,?,m,1.5,1.7,G,e,InGaAs,W,-,1,),?,?,?,(,?,?,图,5-4 PIN,光电二极管响应度、,?,量子效应率,?,与波长,?,的关系,(,二,),响应时间和频率特性,。,光电二

14、极管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,f,c,(,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,。,当光电二极管具有单一时间常数,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,=2.2,0,(5.4),(,三,),噪声,。,噪声,影响光接收机的,灵敏度,。,噪声,包括,散粒噪声,(Shot,Noise),(,由信

15、号电流和暗电流产生,),热噪,声,(,由负载电阻和后继放大器输入电阻产生,),（,1,）,均方散粒噪声电流,i,2,sh,=2e(I,P,+I,d,)B (5.10),2eI,P,B,称为,量子噪声,(,由于入射光子和所形成的电子,-,空穴对都具有离,散性和随机性而产生,),2eI,d,B,是,暗电流,产生的噪声。,e,为电子电荷，,B,为放大器带宽，,I,P,和,I,d,分别为信号电流和暗电流。,暗电流,是器件在,反,偏压,条件下，没有入射光时产生的,反向直流,电流。,均方热噪声电流,4,KTB,i,2,T,=,R,(5.11),式中，,k=1.38,10,-23,J/K,为,波尔兹曼常数,

16、，,T,为等效噪声温度，,R,为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。,因此，,光电二极管的,总均方噪声电流,为,4,KTB,i,2,=2e(I,P,+I,d,)B+,R,(5.12),5.2.,3,雪崩光电二极管,(APD),光电二极管,输出电流,I,和,反偏压,U,的关系示于图,5.6,。,随着,反向偏压,的增加，开始,光电流,基本保持不变。,当,反向偏压,增加到一定数值时，,光电流,急剧增加，最后器件,被击穿，这个电压称为,击穿电压,U,B,。,APD,就是根据这种特性设计的器件。,根据,光电效应,，当光入射到,PN,结时，,光子被吸收而产生,电,子,-,空穴对,。,I,0,?

17、,a,1,?,3,?,1,a,?,暗,电,流,U,B,0,?,?,?,?1,U,图,5.6,光电二极管输出电流,I,和反向偏压,U,的关系,如果,电压增加到使电场达到,200 kV/cm,以上，初始电子,(,一次,电子,),在高电场区获得足够能量而加速运动。,高速运动的电子和晶格原子相碰撞，,使晶格原子电离，产,生新的,电子,-,空穴对,。,新产生的二次电子再次和原子碰撞。,如此多次碰撞，产生连锁反应，致使,载流子,雪崩式倍增,，见,图,5.7,。,所以,这种器件就称为,雪崩光电二极管,(APD),。,P,P,(N,),N,光,I,0,图,5.7,APD,(,只画出电子）,对,APD,特性新引

18、入的参数是,倍增因子,和,附加噪声指数,1.,倍增因子,倍增因子,g,(,一次光生电流产生的平均增益的倍数,),定义为,APD,输出,光电流,I,o,和一次,光生电流,I,P,的比值。,I,0,(5.13),g,?,I,P,APD,的,响应度,比,PIN,增加了,g,倍。,I,0,1,g,?,?,n,n,1,?,(,U,/,U,B,),1,?,(,U,?,RI,0,),/,U,B,(5.14),U,为,反向偏压,，,U,B,为,击穿电压,，,n,为与材料特性和入射光波,长有关的常数，,R,为,体电阻,。,当,UU,B,时，,RIo/U,B,1,，上式可简化为,U,B,U,B,1,2,g,?,?

19、,(,),nRI,0,nRI,P,(5.15),2.,过剩噪声因子,APD,的,均方量子噪声电流,为,i,2,q,=2eI,P,Bg,2,(5.16a),引入新的噪声成分，,并表示为,附加噪声因子,F,。,F(1),是,雪崩效应,的随机性引起噪声增加的倍数，设,F=g,x,，,APD,的,均方量子噪声电流,应为,i,2,q,=2eI,P,Bg,2+x,式中，,x,为附加噪声指数。,(5.16b),同理，,APD,暗电流,产生的均方噪声电流应为,i,2,d,=2eIdBg,2+x,(5.17),附加噪声指数,x,与器件所用材料和制造工艺有关,Si-APD,的,x=0.30.5,，,Ge-APD,

20、的,x=0.81.0,，,InGaAs-APD,的,x=0.50.7,。,当式,(5.16),和式,(5.17),的,g=1,时，得到的结果和,PIN,相同。,5.2.4,光电二极管一般性能和应用,采用,APD,有利于延长系统的传输距离。,灵敏度,要求不高的场合，一般采用,PIN-PD,。,APD,是有增益的光电二极管，在光接收机,灵敏度,要求较高的场合，,InGaAs PIN,带尾纤光电二极管,5.3,光接收机,5.3.1,概述,?,光接收作用：,是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、,微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再,生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接

21、收端机，并,且用自动增益控制电路（,AGC,）保证稳定的输出。,?,分类：,?,组成：,图,5.9,5.3.2,数字光接收机,输出,光信号,光检,测器,前置,放大,主放,大器,均衡,滤波,判,决,器,AGC,电路,前端,性能指标,:,接收灵敏度、,误码率或信噪比,线性通道,时钟恢复,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。,一、光接收机的前端,(1),光信号,光检,测器,电信号,前置,放大,?,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，以便后级作进一步处理。,是光接收机的核心

22、。,?,要求：,低噪声、高灵敏度、足够的带宽,光检测器,是光接收机实现光,/,电转换的关键器件，其性能特别是,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),。,光接收机的前端,(2),?,光检测器的选择：,要视

23、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。,前置放大器,应是,低噪声放大器,，它的噪声对光接收机的灵敏度,影响很大。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪,比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要,前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。,二、光接收机的线性通

24、道,提供高的增益，,放大到适合于,判决电路的电,平。,主放,大器,均衡,滤波,对主放输出的失,真数字脉冲进行,整形，使之成为,有利于判决码间,干扰最小的升余,弦波形。,AGC,电路,可根据输入信号（平均值）大小自动调整放,大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大,接收机的动态范围。,1.,主放大器,?,主放大器,一般是多级放大器，它的作用是：,（,1,）提供足够的增益,（,2,）并通过它实现,自动增益控制,(AGC),，使输入光,信号在一定范围内变化时，,输出电信号保持恒定。,主放大器和,AGC,决定着光接收机的,动态范围,。,2.,均衡滤波器,均衡的目的：,?,对经光纤传输、光,/,电转换和放

25、大后已产生畸变,(,失真,),的电信,号进行补偿,?,使输出信号的波形适合于判决,(,一般用具有升余弦谱的码元脉,冲波形,),，以消除码间干扰，减小误码率。,三、,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,为确定是“,1,”,或是,“,0,”,，需要对某时隙,的码元作出判决。若,判决结果为“,1,”,，则,由再生电路产生一个,矩形“,1,”,脉冲；若判,决结果为“,0,”,，则由,再生电路重新输入一,个“,0,”,。,将接收的信,?,再生器的作用：,号恢复成标准数字信号。,?,再生电路包括：,判决电路,和,时钟提取电路。,判,决,器,输出,时钟恢复,为了精确地确定“判

26、决时刻”，,需要从信号码流中提取准确的,时钟信息作为标定，以保证与,发送端一致。,?,判决、再生过程,判决电压,均衡器输,出波形,时钟,再生后,的信号,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。,光接收机各器件作用总结,?,光电检测器：光电检测器是把光信号变换为电信号,；,?,前置放大器：是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声,最小；,?,主放大器：提供足够的增益,，并通过它实现自动增益控制,(AGC),，使输入光信号在一定范围内变化时，,输出电信号,保持恒定；,?,均衡滤波器：对已产生畸变,(,失真,),和有码间干扰的的电信号,进行补偿，使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，,减小误码率。,?,自动增益控制电路（,AGC,）：用反馈环路来控制主放大器,的增益，增加光接收机的动态范围；,?,判决器：将均衡器输出的信号判为“,1”,码或“,0”,码；,?,时钟恢复电路：从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，,以保证与发送端一致。,光电集成,接收机：,光接收机方框图中除光检测器以外的所有元件都,是标准的电子