第5章 光探测及光接收机

1、第第 3、4 章提问问题章提问问题 一、选择题一、选择题 1. DFB激光器的工作原理与激光器的工作原理与F-P腔腔LD的工作原理不同，其的工作原理不同，其 主要区别是主要区别是DFB激光器激光器 (a) 反射只发生在解理端面，在腔体的任一点，都是这些反射只发生在解理端面，在腔体的任一点，都是这些 端面反射的左右行波的干涉端面反射的左右行波的干涉 (b) 在腔体内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，在在腔体内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，在 腔内的每一点都有反射，从而使只有满足布拉格波长条腔内的每一点都有反射，从而使只有满足布拉格波长条 件的光波才能建立起振荡件的光波才能建立起振荡 2.

2、 2. 激光器起振的阈值条件是激光器起振的阈值条件是: : ( (a) a) 受激发射使腔内获得的光增益正好与腔内损耗受激发射使腔内获得的光增益正好与腔内损耗 相抵消相抵消 ( (b) b) 谐振腔内的前向和后向光波发生相干谐振腔内的前向和后向光波发生相干 一、选择题一、选择题 3. LD和和 LED的主要区别是：的主要区别是： (a) LD本质上是非相干光源，谱线较宽；而本质上是非相干光源，谱线较宽；而 LED 却相反却相反 (b) LD是相干光源，它的谱线很窄；而是相干光源，它的谱线很窄；而LED却相反却相反 4. 直接调制是信息信号直接调制光源的直接调制是信息信号直接调制光源的 (a)

3、输出光强输出光强 (b) 输出光的相位输出光的相位 5. 光隔离器是一种只允许单方向传输光的器件，通常用于消光隔离器是一种只允许单方向传输光的器件，通常用于消 除除:(a) 反射光的影响反射光的影响(b) 色散的影响色散的影响 6. 在由四分之一波长厚的多层介质膜组成的电介质镜中，所在由四分之一波长厚的多层介质膜组成的电介质镜中，所 有从前后相挨的两个界面上反射的波都具有有从前后相挨的两个界面上反射的波都具有 (a) 相长干涉的特性相长干涉的特性(相位差为相位差为180度度) (b) 相消干涉的特性相消干涉的特性 经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数经过几层这样的反射后，透射光强

4、度将很小，而反射系数 将达到将达到 1。 二、填空题二、填空题 1. 是把两个光纤端面结合在一起，是把两个光纤端面结合在一起， 以实现光纤与光纤之间的永久性以实现光纤与光纤之间的永久性(固定固定)连连 接。接。 2. DFB激光器腔体损耗与激光器腔体损耗与 有关有关 3. 激光器的阈值电流和输出功率激光器的阈值电流和输出功率 对对 很敏感。很敏感。 三、名词解释三、名词解释 1. DFB 2. 光环行器光环行器 3. 连接器连接器 4. 耦合器耦合器 5. 光开关光开关 6 波分复用器波分复用器 第五章第五章 光探测及光接收机光探测及光接收机 光电检测器原理、性能和分类光电检测器原理、性能和分

5、类 直接检测接收机的构成、信噪比、灵敏直接检测接收机的构成、信噪比、灵敏 度和比特误码率度和比特误码率 光探测器光探测器 前前 言言 发射机发射的光信号经光纤传输后，由第二章发射机发射的光信号经光纤传输后，由第二章 我们知道，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也我们知道，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也 展宽了展宽了。 光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光 信号，并放大、整形、再生成原输入信号。信号，并放大、整形、再生成原输入信号。 它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为 电信号的光电检测器。电信号的光电检测器。 对

6、光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪 声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应 与光纤芯径匹配。与光纤芯径匹配。 用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些 要求。要求。 5.1 光探测原理光探测原理 发生受激吸收产生一个电子空穴对发生受激吸收产生一个电子空穴对; 在在 PN 结施加反向电压的情况下，受结施加反向电压的情况下，受 激吸收过程生成的电子激吸收过程生成的电子 空穴对，在空穴对，在 电场的作用下，在外电路形成光生电电场的作用下，在外电路形成光生电 流。流。 当入射功

7、率变化时，光生电流也随之当入射功率变化时，光生电流也随之 线性变化，从而把光信号转变成电流线性变化，从而把光信号转变成电流 信号。信号。 假如入射光子的能量超过禁带能量假如入射光子的能量超过禁带能量 Eg， 耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个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。电子空穴对，发生受激吸收。 光探测原理光探测原理-受激吸收受激吸收 E c c 吸收光子后吸收光子后 产生电子产生电子 Ev 光子光子 h 输入输入 (输出电流)(输出电流) 在在 PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子 空穴空穴 对在

8、电场的作用下对在电场的作用下, 分别离开耗尽区，电子向分别离开耗尽区，电子向 N 区漂移，空穴向区漂移，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 区进入区进入 正电极。从而在外电路形成光生电流。正电极。从而在外电路形成光生电流。 当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转 变成电流信号。变成电流信号。 W为禁带宽度，又称为耗尽区宽度。为禁带宽度，又称为耗尽区宽度。 图图5.1.1 PN结光电检测原理说明结光电检测原理说明 入入射射光光 hv E g Si

9、O2 P + h+ e- + E RIpVout W 抗抗反反射射膜膜 电电极极 电电 极极 耗耗尽尽区区 Pin 空空穴穴h+ e-电电子子 负负载载电电阻阻R Ip光光生生电电流流 输输出出电电压压 L L L L N (a) 反反向向偏偏置置的 的 PN 结结 , , 当当光光入入射射时时, ,光光生生电电子子 空空穴穴对对分分别别向向N N区区和和P P 区区漂漂移移，在在外外电电路路产产 生生光光生生电电流流 W= = m 几几 光电检测器响应度光电检测器响应度 5.2 光电探测器光电探测器 光纤通信中最常用的光电检测器是光纤通信中最常用的光电检测器是: PIN 光电二极管光电二极管

10、 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD) 现分别介绍如下现分别介绍如下 5.2.1 PIN光电二极管光电二极管 -工作原理工作原理 简单的简单的 PN 结光电二极管具有两个主结光电二极管具有两个主 要的缺点。要的缺点。 首先，它的结电容或耗尽区电容较大，首先，它的结电容或耗尽区电容较大， RC 时间常数较大，不利于高频调制。时间常数较大，不利于高频调制。 其次，它的耗尽层宽度最大也只有几微其次，它的耗尽层宽度最大也只有几微 米，此时长波长的穿透深度比耗尽层宽米，此时长波长的穿透深度比耗尽层宽 度度 W 还大，所以大多数光子没有被耗尽还大，所以大多数光子没有被耗尽 层吸收，因此长波长的量子效率很

11、低。层吸收，因此长波长的量子效率很低。 为了克服为了克服 PN 管存在的问题，人们采用管存在的问题，人们采用 PIN 光电二极管光电二极管 PIN 二极管与二极管与 PN 二极管的主要区别是，在二极管的主要区别是，在 P 和和 N 层之间加入了层之间加入了 一个一个 I 层，作为耗尽层。层，作为耗尽层。I 层的宽度较宽，约有（层的宽度较宽，约有（5 50） m， 可吸收绝大多数光子，使光生电流增加。可吸收绝大多数光子，使光生电流增加。 图图5.2.1 PIN光电二极管光电二极管 入入射射光光hv E g SiO2 P+ h+ e- + E Ip Vout 抗抗反反射射膜膜 电电极极 电电 极极

12、 耗耗尽尽区区 Pin 输输出出 电电压压 RL 反反向向偏偏置置的的 PIN, 因因耗耗尽尽区区较较宽宽, , 可可以以吸吸收收绝绝大大多多数数 光光生生电电子子和和空空穴穴对对, , 使使量量子子效效率率提提高高 I-Si W N+ Vr - RL Cd Ip Vout 空空穴穴h+ e-电电子子 负负载载电电阻阻R Ip 光光生生电电流流 L L W= = m 550 EVr/W CdP PI IN N管管分分布布电电容容 W A C r d 0 1. PIN光电二极管的响应时间光电二极管的响应时间 由光生载流子穿越耗尽层的宽度由光生载流子穿越耗尽层的宽度 W 所决所决 定。增加定。增加

13、 W 可可吸收吸收更多的光子，从而增加更多的光子，从而增加 量子效率，但是载流子穿越量子效率，但是载流子穿越 W 的时间增的时间增 加，响应速度变慢。载流子在加，响应速度变慢。载流子在 W 区的漂移区的漂移 时间为时间为 d tr V W t (5.2.2) 式中式中d V 是漂移速度。为了减小漂移时间，是漂移速度。为了减小漂移时间， 可增加施加的电压。可增加施加的电压。 2. 光电二极管的响应波长光电二极管的响应波长 光电二极管的响应波长光电二极管的响应波长 响应曲线如下图所示：各种光电探测器的波长 工作。 ，适用于长波长波段范围为光电二极管的波长响应和 作；，适用于短波长波段工范围为光电二

14、极管的波长响应 响应都有一定的范围。光电二极管对光波长的因此，不同材料制成的 降低。，从而使光电转换效率能有效地转换成光电流 空穴对不域里产生的电子电场区域，在零电场区层里往往存在着一个零 里，光电二极管的表面结的结区附近的耗尽层反向偏压主要是加在二 层里被吸收。 面光子在光电二极管的表大，结果使大量的入射对光的吸收系数变得很 射光波长很短时，材料数是波长的函数。当入因为材料对光的吸收系一 ：会大大下降。原因有二太短时，光电转换效率 波长。当入射光波长止波长外，还有下截止光电二极管除了有上截 mInGaAsGe mSi PN 6 . 11 . 1 0 . 15 . 0 - . . 图图5.2.

15、2 PIN光电二极管光电二极管的波长响应曲线的波长响应曲线 60080010001200140016001800 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 90% 70% 50% 30% 10% InGaAsP Ge InGaAs Si (nm)波长波长 ( ) R 响响 应应 度度 量子效率量子效率 3. PIN光电二极管的性能参数光电二极管的性能参数 量子效率量子效率 响应度响应度 R 暗电流暗电流 ，表示无光照时出现的反向电，表示无光照时出现的反向电 流，它影响接收机的信噪比流，它影响接收机的信噪比; 响应速度响应速度, 它表示对光信号的反应能力，它表示对光信号的反应能力， 常用对光脉

16、冲响应的上升或下降沿表示常用对光脉冲响应的上升或下降沿表示; 结电容结电容 (pF), 它影响响应速度。它影响响应速度。 R q hv hvP qI in P 24.1 hv q R d I d C 例题例题 PIN光电二极管的灵敏度光电二极管的灵敏度 5.2.2 雪崩光电二极管雪崩光电二极管 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）是利用雪崩倍增效应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。使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。 APD的光敏面是的光敏面是 区，紧接着是三个掺杂浓区，紧接着是三个掺杂浓 度逐渐加大的度逐渐加大的P区，分别标记为区，分别标记为P,和和 。 APD的这种结

17、构设计，使它能承受高的反向偏的这种结构设计，使它能承受高的反向偏 压，从而在压，从而在 PN 结内部形成一个高电场区。结内部形成一个高电场区。 APD能提供内部增益能提供内部增益,且工作速度高，且工作速度高， 已广泛应用于光通信系统中。已广泛应用于光通信系统中。 P N 光生的电子光生的电子 空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能 量，它们在高速运动中与量，它们在高速运动中与 P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原 子电离，从而产生新的电子子电离，从而产生新的电子 空穴对。这种通过碰撞电离产生的空穴对。这种通过碰撞

18、电离产生的 电子电子 空穴对，称为二次电子空穴对，称为二次电子 空穴对。空穴对。 新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能 碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加， 反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。 1. A P D 工工 作作 原原 理理 SiO2 P + + h+ e- E RIp Vout 电极电极 电电 极极 耗尽区耗尽区 入射光入射光 hv E g L L (a)雪崩光电二 雪崩光电二 极管（APD极管

19、（APD ）的结构）的结构 W N+ Vr - P E( )x 0 0 各区电场分布,各区电场分布, 雪崩发生在P区，雪崩发生在P区， 吸收发生在 区吸收发生在 区 (b) x 吸收区吸收区 雪崩区雪崩区 E N+ P h+ e- 雪崩区雪崩区 (a)离子碰撞过程释放电子空穴对，离子碰撞过程释放电子空穴对， 导致雪崩导致雪崩 晶格晶格 2. 平均雪崩增益平均雪崩增益 通常用通常用平均雪崩增益平均雪崩增益 M 来表示来表示 APD 的的 倍增大小，倍增大小，M定义为定义为 PM IIM (5.2.4) 式中式中 P I 是初始的光生电流是初始的光生电流， M I 是倍增后的是倍增后的 总输出电流

20、的平均值。总输出电流的平均值。M也与结上所加的也与结上所加的 反向偏压有关。反向偏压有关。 5.2.3 响应带宽响应带宽 光电二极管响应带宽定义光电二极管响应带宽定义 光发光发 射机射机 LD 光纤光纤 t 光接光接 收机收机 PD 频率为 的频率为 的 正弦电信号正弦电信号 f 调制频率调制频率 f 正弦信号正弦信号 f = (a)传输模拟信号的光纤线路(a)传输模拟信号的光纤线路 0 f f 3dB el 频率频率 Phig f /P low f 1.0 0.5 电带宽电带宽 (b)光电二极管(b)光电二极管 响应带宽 响应带宽 上升时间定义为输入阶跃光功率时，探测器输上升时间定义为输入阶

21、跃光功率时，探测器输 出光电流最大值的出光电流最大值的 10 % 到到 90 % 所需的时间。所需的时间。 上升时间定义上升时间定义 0 90% 10% Tr=0.7 0 0.9 0.1 t Vout Tr 0 1.0 t Vin线性系统线性系统 R CVinVout i (a) 阶跃脉冲作用于线性系统阶跃脉冲作用于线性系统(b)方波作用于方波作用于 线性系统线性系统 受受 RC 时间常数限制的带宽时间常数限制的带宽 35. 0 35. 0 2 2 . 2 2 . 2)9( 33 33 3 dBrdBr dBdB r dBr r r fTfT ff T fT RCCR RCRCInT RC f

22、T 成反比关系，与即 的关系为与带宽该系统的上升时间 电路的电阻和电容值。分别是和式中 的上升时间为 下，该电路电路，在阶跃脉冲作用对于一个 成反比。与系统带宽上升时间 成反比与系统带宽上升时间fT r 图图5.2.2 APD 波长响应曲线波长响应曲线 600 8001000 12001400 1600 1800 1 2 4 7 100 10 3 5 70 50 40 30 20 InGaAs Ge Si (nm)波长波长 ( ) R 响响 应应 度度 例题例题 带宽带宽 例题例题 InGaAs APD响应度响应度 例题例题 Si APD 5.2.4 MSM光电探测器光电探测器 金属金属-半导

23、体半导体-金属（金属（MSM, Metal- Semiconductor-Metal）光电探测器与光电探测器与PN 结二极管结构不同。它是另一种类型的结二极管结构不同。它是另一种类型的 光电探测器。光电探测器。 然而，它的光然而，它的光/电转换的基本原理却仍然电转换的基本原理却仍然 相同，即入射光子产生电子相同，即入射光子产生电子-空穴对，电空穴对，电 子子-空穴对的流动就产生了光生电流。空穴对的流动就产生了光生电流。 图图5.2.5 MSM光电探测器结构光电探测器结构 + + _ _ 有有源源区区 金金属属电电极极 m 1 MSM光电光电 探测器原理探测器原理 + + _ _ 有有 源源 区

24、区 金属金属 电极电极 象手指状的平面金属电极沉淀在半导体的表面，这些电极象手指状的平面金属电极沉淀在半导体的表面，这些电极 交替地施加电压，所以这些电极间存在着相当高的电场。交替地施加电压，所以这些电极间存在着相当高的电场。 光子撞击电极间的半导体材料，产生电子光子撞击电极间的半导体材料，产生电子-空穴对，然后电空穴对，然后电 子被正极吸引过去，而空穴被负极吸引过去，于是就产生子被正极吸引过去，而空穴被负极吸引过去，于是就产生 了光生电流。了光生电流。 与与PIN和和APD探测器相比，这种结构的结电容小，所以它的探测器相比，这种结构的结电容小，所以它的 带宽大，这种器件很有可能工作在带宽大，

25、这种器件很有可能工作在300GHz。另外它的制造另外它的制造 也容易。也容易。 但缺点是灵敏度低（但缺点是灵敏度低（0.4 0.7A/W），），因为半导体材料的一因为半导体材料的一 部分面积被金属电极占据了，所以有源区的面积减小了。部分面积被金属电极占据了，所以有源区的面积减小了。 5.3 数字光接收机数字光接收机 接收机的设计很大程度上取决于发射机使用接收机的设计很大程度上取决于发射机使用 的调制方式，特别是与传输信号的种类，即的调制方式，特别是与传输信号的种类，即 模拟或数字信号有关。模拟或数字信号有关。 因为大多数光波系统使用数字调制方式，所因为大多数光波系统使用数字调制方式，所 以在本

26、章中，我们集中讨论数字光接收机。以在本章中，我们集中讨论数字光接收机。 关于模拟接收机的设计，我们将在第六章和关于模拟接收机的设计，我们将在第六章和 第八章中讨论。第八章中讨论。 数字光接收机最主要的性能指标是接收光的数字光接收机最主要的性能指标是接收光的 灵敏度和光的动态范围。灵敏度和光的动态范围。 图图5.3.1 数字光接收机原理组成图数字光接收机原理组成图 均均衡衡 滤滤波波 信信号号光光 光光探探 测测器器 电电压压 供供给给 光光电电变变换换和和前前放放 前前放放主主放放 自自动动增增 益益控控制制 线线性性放放大大 判判决决 电电路路 时时钟钟 恢恢复复 数数据据恢恢复复 数数据据

27、 输输出出 接收机前端的光电二极管通常采用PIN或 APD,它是实现光电转换的关键器件，直 接影响光接收机的灵敏度。 低噪声前置放大器的作用是放大光电二 极管产生的微弱电信号，以供主放大器 进一步放大和处理。 由于干扰和噪声的影响，接收机不是对 任何微弱信号都能正确接收的。虽然放 大器的增益可以做得很大，但在弱信号 被放大的同时，噪声也被放大了，当接 收信号太弱时，必定会被噪声淹没。 信号光信号光 光探光探 测器测器 电压电压 供给供给 光电变换和前放光电变换和前放 前放前放 5.3.1 前置前置 放大器放大器 前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声

28、方 面起着特别重要的作用，所以精心设计前置放大面起着特别重要的作用，所以精心设计前置放大 器就显得特别重要。器就显得特别重要。 光电二极管把光比特流转变成随时间变化的电信光电二极管把光比特流转变成随时间变化的电信 号。前置放大器的作用是放大该电信号，以供主号。前置放大器的作用是放大该电信号，以供主 放大器进一步放大和处理。放大器进一步放大和处理。 前置放大器的设计前置放大器的设计,要求在带宽和灵敏度之间进行要求在带宽和灵敏度之间进行 折衷。折衷。 图图5.3.2 光接收机光接收机 前置放大器等效电路前置放大器等效电路 前前放放 G ID R L C T 高高阻阻型型 前前放放 G R L ID

29、 C T 转转移移阻阻抗抗型型 负载电阻跨接到反向负载电阻跨接到反向 放大器的输入和输出放大器的输入和输出 端，尽管端，尽管RL仍然很大，仍然很大， 但负反馈使输入阻抗但负反馈使输入阻抗 减小了减小了G 倍，因此带倍，因此带 宽也比高阻抗放大器宽也比高阻抗放大器 的扩大了的扩大了G 倍。倍。 它的灵敏度高、频带它的灵敏度高、频带 宽。动态范围也比高宽。动态范围也比高 阻抗前置放大器的大。阻抗前置放大器的大。 因此光接收机常使用因此光接收机常使用 这种结构的前放。这种结构的前放。 前放前放 G RL ID CT 转移阻抗型转移阻抗型 转移阻抗前置放大器转移阻抗前置放大器 滤滤 波波 主放主放 自

30、动增自动增 益控制益控制 均均 衡衡 5.3.2 线性放大线性放大 由主放大器、低通滤波器由主放大器、低通滤波器 和自动增益控制电路组成。和自动增益控制电路组成。 有时候，为了校正和补偿有时候，为了校正和补偿 前端对带宽的限制，在主前端对带宽的限制，在主 放大器之前还要插入一个放大器之前还要插入一个 均衡器。均衡器。 低通滤波器的作用是整形低通滤波器的作用是整形 电压脉冲，减小噪声，同电压脉冲，减小噪声，同 时避免引入更多的码间干时避免引入更多的码间干 扰。扰。 采用自动增益控制电路，采用自动增益控制电路， 在接收机平均入射光功率在接收机平均入射光功率 一定的变化范围内，可以一定的变化范围内，

31、可以 把放大器的增益自动控制把放大器的增益自动控制 在固定的输出电平上在固定的输出电平上。 判决判决 电路电路 时钟时钟 恢复恢复 数据恢复数据恢复 数据数据 输出输出 5.3.3 数据恢复数据恢复 数据恢复电路包括判决电路数据恢复电路包括判决电路 和时钟恢复电路。和时钟恢复电路。 它的任务是把均衡器输出的它的任务是把均衡器输出的 升余弦信号恢复成数字信号。升余弦信号恢复成数字信号。 首先要提取时钟信号，在最首先要提取时钟信号，在最 佳的取样时间对升余弦信号佳的取样时间对升余弦信号 进行取样，然后将取样幅度进行取样，然后将取样幅度 与判决阈值进行比较，确定与判决阈值进行比较，确定 码元是码元是

32、“0”还是还是“1”，从，从 而把升余弦波形恢复再生成而把升余弦波形恢复再生成 原传输的数字信号。原传输的数字信号。 最佳的判决时间应是升余弦最佳的判决时间应是升余弦 波形的正负峰值点，这时取波形的正负峰值点，这时取 样幅度最大，抵抗噪声的能样幅度最大，抵抗噪声的能 力最强。力最强。 选取最佳的判决时间选取最佳的判决时间 01010100 01011010 P t t 发发射射信信号号 误误码码 判判决决 时时刻刻 判判决决 门门限限 噪噪声声 (a) 在在接接收收端端探探测测到到的的 带带有有噪噪声声的的信信号号 Str (b) (c) tDtDtDtDtDtDtDtD 由由于于噪噪声声叠叠

33、加加, , “0 0 ”码码，在在判判决决时时刻刻变变成成 使使“1 1”码码 经经判判决决电电路路后后产产生生了了一一个个误误码码。 I D I 取取样样值值 判判决决 时时刻刻 5.3.4 眼图分析法眼图分析法 在实验室里观察码间干扰是否存在的最直观、在实验室里观察码间干扰是否存在的最直观、 最简单的方法是眼图分析法。最简单的方法是眼图分析法。通常误码率的典通常误码率的典 型值为型值为109。 将均衡滤波器输出的随机脉冲序列输入到示波将均衡滤波器输出的随机脉冲序列输入到示波 器的器的 Y 轴，用时钟信号作为外触发信号，就可轴，用时钟信号作为外触发信号，就可 观察到眼图。观察到眼图。 眼图的

34、张开度受噪声和码间干扰的影响，当输眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响，当输 出端信噪比很大时，张开度主要受码间干扰的出端信噪比很大时，张开度主要受码间干扰的 影响。因此，观察眼图的张开度就可以估计出影响。因此，观察眼图的张开度就可以估计出 码间干扰的大小，这给均衡电路的调整提供了码间干扰的大小，这给均衡电路的调整提供了 简单而适用的观测手段。简单而适用的观测手段。 NRZ码数字光接收机眼图码数字光接收机眼图 5.4 接收机信噪比接收机信噪比(SNR) 定义定义SNR为平均信号功率和噪声功率之比为平均信号功率和噪声功率之比 光接收机使用光电二极管，将入射光功率光接收机使用光电二极管，将入射光功率

35、 转换为电流转换为电流 当入射光功率不变时，两种基本的噪声，当入射光功率不变时，两种基本的噪声， 散粒噪声和热噪声也会引起光生电流的起散粒噪声和热噪声也会引起光生电流的起 伏伏 电流起伏引入的电噪声影响接收机性能电流起伏引入的电噪声影响接收机性能 本节回顾噪声机理，并讨论光接收机的信本节回顾噪声机理，并讨论光接收机的信 噪比噪比(SNR) 5.4.1 PIN光接收机光接收机 SNR 热噪声受限SNR 当均方根热噪声当均方根热噪声 （散粒噪声），（散粒噪声）， 即即 很小时，接收机性能受限于热噪声，在很小时，接收机性能受限于热噪声，在 上式中，忽略散粒噪声后，上式中，忽略散粒噪声后，SNR变为变

36、为 该式表明在热噪声占支配地位时，该式表明在热噪声占支配地位时，SNR随随 变化，且增加负载电阻也可以提高变化，且增加负载电阻也可以提高SNR。这就。这就 是为什么大多数接收机使用高阻或转移阻抗前是为什么大多数接收机使用高阻或转移阻抗前 置放大器的道理。置放大器的道理。 sT 22 )4( innBL PfTFkRRSNR 2 in P in P 散粒噪声受限散粒噪声受限 SNR 5.4.2 APD 接收机接收机 fFRTkfIRPFqM MRP I SNR SNRAPD xAPDInGaAsGe xAPDSi APDx MFAPDF fIRPFqM fFRTkPINAPD nLBdinA i

37、n Ts P x AA dinAs nLBT )/4()(2 )( 17 . 0/ 5 . 03 . 0 . )(2 )4( 2 2 22 2 22 2 为接收机的 对于 等有关的指数。器件的材料及结构类型是与 的过剩噪声指数，是式中 了附加的倍增噪声：雪崩增益的影响，包含而散粒噪声却受到平均 相同，即接收机的热噪声与 。就体现不出大的优越性 倍，接收机的是接收机相比，此时的与 与量子效率关系） 与响应度关系） 中，散粒噪声限制的接收机在大入射功率时，即受 有很大的优越性。 大大提高，性能使得，因此在小入射光功率时 倍。的的是的与前相比， 噪声限制接收机中，在小入射功率时，即热 A A in

38、A in Ts innBL sT F PINSNRPIN fhvF P fqF RP SNR SNRAPD MSNRPINSNRAPD PMfTFkRRSNR 1 ( 2 ( 2 )4( 2 222 )(9 .12565.19log10 565.19 105 .11 10225 103 . 8102 . 3 )1015( )(103 . 8 101 105003001038. 144 )(102 . 3 1050010)515(106 . 12 )(2 3001 ,1520 ,500,5 1 18 18 1818 29 22 2 18 6 623 2 18 6919 2 dBSNRdB I S

39、NR A R fTk A fIIq KTF SNR nAInWP MHzfnAI MRPINInGaAs Ts P L B T dPs n Pin d L 数表示用 热噪声 散粒噪声 常温下即解：放大器没有噪声， 。信噪比 计算接收机的产生平均光电流噪声，入射光功率 假如放大器没有前置放大器带宽二极管暗电流 ，光电光电二极管，负载电阻例：接收机使用 5.5 接收机误码率和灵敏度接收机误码率和灵敏度 图图5.5.1 比特误码率比特误码率 SrPt SD 发射信号发射信号接收信号接收信号 TX AMP 噪声噪声光源光源探测器探测器 判决判决 01010100 01011010 P t t 发射信号发射信号 误码误码 判决判决 时刻时刻 判决判决 门限门限 噪声噪声 (a) (b) 在接收端探测到的在接收端探测到的 带有噪声的信号带有噪声的信号 St r (c) (d) tDtDtDtDtDtDtDtD 由于噪声叠加由于噪声叠加 , , “ 0 0 ”码，”码， 在判决时刻变成在判决时刻变成 使“1”码使“1”码 经判决电路后产生了一个误码。经判决电路后产生了一个误码。 系统构成系统构成 I D I 取样值取样