光的接收方式和性能

1、光的接收方式和性能 4.1 光的接收方式和性能光的接收方式和性能 一、半导体中的光生载流子、光生电流和光电流一、半导体中的光生载流子、光生电流和光电流 二、接收系统的接收方式二、接收系统的接收方式 （一）直接探测法（一）直接探测法 （二）外差探测法（二）外差探测法 三、接收系统的性能三、接收系统的性能 （一）光接收系统的性能参数（一）光接收系统的性能参数 （二）接收系统的噪声（二）接收系统的噪声 四、直接探测方法性能分析四、直接探测方法性能分析 （一）直接探测的响应（一）直接探测的响应 （二）入射光噪声对接收器输出的影响（二）入射光噪声对接收器输出的影响 （三）接收器本身产生的噪声（三）接收器

2、本身产生的噪声 （四）输出电路（四）输出电路 五、外差探测性能分析五、外差探测性能分析 （一）外差探测的响应和增益（一）外差探测的响应和增益 （二）差频探测的噪声分析（二）差频探测的噪声分析 一、半导体中的光生载流子、光生电流和光电流一、半导体中的光生载流子、光生电流和光电流 *接收系统通过探测器接收光信号并将其转变为电流接收系统通过探测器接收光信号并将其转变为电流 或电压，所以接收系统的性能首先取决于探测器的或电压，所以接收系统的性能首先取决于探测器的 性能。性能。 *在光通信等领域内用得最多的是半导体光电探测器。在光通信等领域内用得最多的是半导体光电探测器。 *入射光照射到半导体光电探测器

3、上后，在探测器内入射光照射到半导体光电探测器上后，在探测器内 部激发出载流子。部激发出载流子。 *通常，光电探测器跟不上光频电磁场的瞬时变化，通常，光电探测器跟不上光频电磁场的瞬时变化， 因为它们的响应速度受到探测器内载流子输运和弛因为它们的响应速度受到探测器内载流子输运和弛 豫这些缓慢得多的过程的限制，同时也受到输出电豫这些缓慢得多的过程的限制，同时也受到输出电 路的频率特性的限制。路的频率特性的限制。 *光电探测器只能对所吸收的光强或对几个光波周期光电探测器只能对所吸收的光强或对几个光波周期 内的平均光子数产生响应，所以探测器内光生载流内的平均光子数产生响应，所以探测器内光生载流 子的产生

4、率正比于入射光强。子的产生率正比于入射光强。 * *上式表明探测器产生的光生电流正比于光强，比例上式表明探测器产生的光生电流正比于光强，比例 常数为常数为A A。并且。并且A A反映探测器的灵敏度。反映探测器的灵敏度。 *如果入射光未经调制，光振幅不随时间而变，探测如果入射光未经调制，光振幅不随时间而变，探测 器产生的光生电流是一个恒量，称为直流分量；器产生的光生电流是一个恒量，称为直流分量； *如果入射光经过调制后承载了信息，这种载波光的如果入射光经过调制后承载了信息，这种载波光的 振幅随信号而变。振幅随信号而变。 *由于每个信号周期内包含了许多载波光振荡周期，由于每个信号周期内包含了许多载

5、波光振荡周期， 所以探测器将反映几个载波光振荡周期内光振幅的所以探测器将反映几个载波光振荡周期内光振幅的 有效值，光生电流随信号的变化而变化，是个交变有效值，光生电流随信号的变化而变化，是个交变 量。量。 *探测器内部的光生电流在运动过程中可能通过载流探测器内部的光生电流在运动过程中可能通过载流 子复合而减弱，也可能由于探测器的放大作用而增子复合而减弱，也可能由于探测器的放大作用而增 强，所以，进入外电路的电流不一定等于光生电流。强，所以，进入外电路的电流不一定等于光生电流。 * 我们把由光生载流子进入探测器外电路引起的电流我们把由光生载流子进入探测器外电路引起的电流 称为称为“光电流光电流”

6、。 *光电流是接收系统真正显示的电流，由它表达入射光电流是接收系统真正显示的电流，由它表达入射 光的强弱。对不同的探测器，光电流和光生电流的光的强弱。对不同的探测器，光电流和光生电流的 关系不同。关系不同。 二、接收系统的接收方式二、接收系统的接收方式 *接收系统的接收方式分为直接探测和外差探测两种。接收系统的接收方式分为直接探测和外差探测两种。 *由入射光直接照射探测器，并产生光电流的方式称由入射光直接照射探测器，并产生光电流的方式称 为直接探测的接收方式；为直接探测的接收方式； *入射光信号与本机振荡的光混频后照射到探测器上入射光信号与本机振荡的光混频后照射到探测器上 产生光电流的方式称为

7、外差探测的接收方式。产生光电流的方式称为外差探测的接收方式。 *光探测器可以直接对经强度调制的光波进行解调。光探测器可以直接对经强度调制的光波进行解调。 *对于偏振调制，利用偏振片可以将偏振方向的变化对于偏振调制，利用偏振片可以将偏振方向的变化 变换成强度变化，所以也可以利用光探测器直接解变换成强度变化，所以也可以利用光探测器直接解 调。调。 * * * * * * * * * * * * * * * * * * *功率输出的不确定程度限制了最小可测信号，只有接收功率输出的不确定程度限制了最小可测信号，只有接收 系统输出的信号功率大于功率输出的不确定程度才能使系统输出的信号功率大于功率输出的不

8、确定程度才能使 信号在噪声起伏中被探测出来。信号在噪声起伏中被探测出来。 *信噪比越高，解调光信号的差错率越小。由此可见，提信噪比越高，解调光信号的差错率越小。由此可见，提 高信噪比是接收器设计中的重要问题。为此，我们必须高信噪比是接收器设计中的重要问题。为此，我们必须 了解噪声的来源。了解噪声的来源。 *（1）输入光场中的噪声。输入光场中的噪声主要来源）输入光场中的噪声。输入光场中的噪声主要来源 于激光器出射光强的起伏以及利用光纤传输时模的噪声。于激光器出射光强的起伏以及利用光纤传输时模的噪声。 *激光器出射光强的起伏主要由于激光器的散弹噪声和粒激光器出射光强的起伏主要由于激光器的散弹噪声和

9、粒 子反转不均匀性带来的振荡。子反转不均匀性带来的振荡。 *此外，激光器中存在的自发辐射也会产生噪声，它使此外，激光器中存在的自发辐射也会产生噪声，它使 得信号光频率展宽，这种展宽导致了有限的相干时间，得信号光频率展宽，这种展宽导致了有限的相干时间， 从而降低了信噪比。从而降低了信噪比。 * 当激光器输出的光通过光纤传播时，如果光纤中存当激光器输出的光通过光纤传播时，如果光纤中存 在与模有关的随时间变化的微区弯曲损耗。在与模有关的随时间变化的微区弯曲损耗。 *或者两光纤连接处出现轴向的偏转，以及两光纤相互或者两光纤连接处出现轴向的偏转，以及两光纤相互 倾斜或端面离开一段距离等情况时，通过光纤输

10、出的倾斜或端面离开一段距离等情况时，通过光纤输出的 光强就会有起伏，这种效应称为模噪声。光强就会有起伏，这种效应称为模噪声。 *模噪声是不可避免的。模噪声是不可避免的。 * * * * * * * * *由此可见输入信噪比严重影响了接收器输出信噪比，由此可见输入信噪比严重影响了接收器输出信噪比， 所以在直接探测器中必须设法排除输入光中的噪声，所以在直接探测器中必须设法排除输入光中的噪声， 尽量提高输入信噪比。尽量提高输入信噪比。 *直接探测时探测器光谱响应很宽，它不能鉴别出信号直接探测时探测器光谱响应很宽，它不能鉴别出信号 光子和非信号光子。光子和非信号光子。 *因此，为了提高输入信噪比，在探测器之前必须加一因此，为了提高输入信噪比，在探测器之前必须加一 个滤波器，以滤除背景光。为了实现空间滤波，应减个滤波器，以滤除背景光。为了实现空间滤波，应减 小探测器的接收面积。小探测器的接收面积。 （三）接收器本身产生的噪声（三）接收器本身产生的噪声 * * * * * * * * * * 它由两个性能很接近的它由两个性能很接近的 探测器组成。一部分探测器组成。一部分 输入信号光和本振光输入信号光和本振光 以相同的位相馈入一以相同的位相馈入一 个探测器上，另一部个探测器上，另一部 分输入信号光则反相分输入信号光则反相 地馈入到另一探测器地馈入到另一探测器 上。上。