第五章光检测器和光接收机

1、5 51 1光检测器光检测器5 51 11 1光检测的原理光检测的原理5 51 12 PIN2 PIN光电二极管光电二极管5 51 13 3 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APDAPD）5 52 2光接收机光接收机 5 52 21 1数字光接收机的基本组成数字光接收机的基本组成 5 52 22 2数字光接收机的噪声数字光接收机的噪声 5 52 23 3误码率误码率 5 52 24 4灵敏度灵敏度 5 52 25 5 动态范围动态范围光检测器是光接收机的关键器件。光检测器是光接收机的关键器件。功能功能: :将接受到的将接受到的光信号转化成电信号光信号转化成电信号，在电，在电路中形成随着入射光强

2、弱变化而变化的电流。路中形成随着入射光强弱变化而变化的电流。 PINPIN光电二极管光电二极管 常用的光检测器：常用的光检测器： 雪崩二极管雪崩二极管 5 51 1光检测器光检测器当当PN结上加有结上加有反向偏压反向偏压时，外加电场的方向和空间电荷区时，外加电场的方向和空间电荷区里电场的方向相同，因此在空间电荷区里载流子基本耗尽里电场的方向相同，因此在空间电荷区里载流子基本耗尽了，这个区域称为了，这个区域称为耗尽区耗尽区。一一.PN结的光电效应结的光电效应 光电二极管（光电二极管（PD）是一个工作在）是一个工作在反向偏压反向偏压下的下的PN结二极管，它的工作原理可用结二极管，它的工作原理可用光

3、电效应光电效应来解释。来解释。5 51 11 1光检测的原理光检测的原理 当光束入射到当光束入射到PN结上，且结上，且光子能量大于半导体材料的光子能量大于半导体材料的禁带宽度时，禁带宽度时，价带上的电子价带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，可以吸收光子而跃迁到导带，结果产生一个电子结果产生一个电子-空穴对。空穴对。 当连接的电路闭合时当连接的电路闭合时,N区过剩的电子通过外部电路流向区过剩的电子通过外部电路流向P区，区，P区的空穴流向区的空穴流向N区，便形成了区，便形成了光生电流。光生电流。当入射光当入射光功率变化时，光生电流也随之线形变化，从而把光信号转功率变化时，光生电流也随之线形变化，从

4、而把光信号转化成电流信号。化成电流信号。 如果光生的电子如果光生的电子-空穴对在空穴对在耗尽区耗尽区产生，那么在电场的产生，那么在电场的作用下，电子将向作用下，电子将向N区漂移，而空穴将向区漂移，而空穴将向P区漂移。当与区漂移。当与P层和层和N层连接的电路开路时，便在两端产生产生电动势，这层连接的电路开路时，便在两端产生产生电动势，这种效应称为种效应称为光电效应。光电效应。 注意：注意：如果入射光子的能量小于如果入射光子的能量小于 时，不时，不论入射光有多么强，光电效应也不会发生。论入射光有多么强，光电效应也不会发生。即光电效应必须满足条件即光电效应必须满足条件gEgEhf 或gEhc式中：是

5、真空中的光速；是入射光的波长；式中：是真空中的光速；是入射光的波长； h是普朗克常量；是普朗克常量； 是材料的禁带宽度。是材料的禁带宽度。cgE二光电二极管的波长响应二光电二极管的波长响应 由光电效应的条件可知，由光电效应的条件可知，对任何一种材料对任何一种材料制作的光电二极管，都有制作的光电二极管，都有上截止波长，上截止波长，定义为定义为 Si材料制作的材料制作的PIN光电二极管，光电二极管， 1.06um Ge材料制作的材料制作的PIN光电二极管，光电二极管， 1. 6umcc 原因原因:当入射光波长很短当入射光波长很短时，材料的吸收系数变时，材料的吸收系数变得很大，得很大，结果使大量的入

6、射光子在光电二极管的表面层(如P区)就被吸收。 入射光波长太短时入射光波长太短时,光变电的转化效率也会大光变电的转化效率也会大大下降。大下降。 光电二极管的表面层往往存在一个零电场的区域光电二极管的表面层往往存在一个零电场的区域,当电子当电子-空穴对在表面层（如空穴对在表面层（如P区）里产生时，少数载区）里产生时，少数载流子首先要扩散到耗尽层，然后才能被外电路收集。流子首先要扩散到耗尽层，然后才能被外电路收集。 但在表面层区域，少数载流子的寿命时间很短，扩但在表面层区域，少数载流子的寿命时间很短，扩散速度又慢，电子散速度又慢，电子-空穴对往往在被检测器电路收集以空穴对往往在被检测器电路收集以前

7、就已被复合掉，从而使检测器的光电转换效率降低。前就已被复合掉，从而使检测器的光电转换效率降低。Si材料材料PIN光电二极管，波长响应范围：光电二极管，波长响应范围：0.51.0umGe和和InGaAs材料材料PIN光电二极管光电二极管, 波长响应范围：波长响应范围：1.11.6um光电二极管的波长响应范围光电二极管的波长响应范围:5 51 12 PIN2 PIN光电二极管光电二极管 为了提高光电转换效率，最好使所有的入为了提高光电转换效率，最好使所有的入射光落在作用区（耗尽区内），必须采取如下措射光落在作用区（耗尽区内），必须采取如下措施：施： 减小入射表面的反射率；减小入射表面的反射率； 尽

8、量减小光子在表面层被吸收的可能性，增尽量减小光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区被充分吸收加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区被充分吸收。 PIN光电二极管就是基于此种设计思想的一光电二极管就是基于此种设计思想的一种器件。种器件。一一.PIN光电二极管的结构光电二极管的结构 PN结的中间是一个接近本征，结的中间是一个接近本征，掺杂很低的掺杂很低的N区，称为区，称为I层，层，I层很厚。两侧是掺杂浓度很层很厚。两侧是掺杂浓度很高的高的P型和型和N型半导体，用型半导体，用P+和和N+表示，表示，P+层和层和N+层很薄。层很薄。则在则在P+层和层和I层之间形成了一层之间形成了一个耗尽

9、层，通过调整材料的个耗尽层，通过调整材料的掺杂浓度和加上适当的反向掺杂浓度和加上适当的反向偏压，就可以将耗尽层拓宽偏压，就可以将耗尽层拓宽到整个到整个I层。层。 由于由于P+层和层和N+层都很薄，这样耗尽区几乎占据了整个层都很薄，这样耗尽区几乎占据了整个PN结，光在结，光在零电场区被吸收的可能性很小，零电场区被吸收的可能性很小，从而提高光电转从而提高光电转换效率。换效率。二二PIN光电二极管的基本特性光电二极管的基本特性1.1.光电转换效率光电转换效率 响应度响应度 ：定义为输出光生电流：定义为输出光生电流 和入射光功和入射光功率率 的比值。的比值。 PI0P量子效率量子效率 ：定义为一次光生

10、电子：定义为一次光生电子-空穴对和入空穴对和入射光子数的比值射光子数的比值 式中式中 为入射光功率，为入射光功率， 为光生电流，为光生电流， 为光子能量，为光子能量，为电子电荷。为电子电荷。 0PPIhfe 量子效率量子效率 和响应度和响应度 取决于材料的特性和器取决于材料的特性和器件的结构。件的结构。 假设假设:器件表面反射率为零；器件表面反射率为零；P层和层和N层对量子效率的层对量子效率的贡献为零；仅仅耗尽区（贡献为零；仅仅耗尽区（I区）里吸收的光子才能有效的区）里吸收的光子才能有效的转化成光电流。转化成光电流。 则则PIN光电二极管的量子效率可近似表示为：光电二极管的量子效率可近似表示为

11、： 式中式中 和和 分别为耗尽区（分别为耗尽区（I区）的吸收系数和厚度。区）的吸收系数和厚度。 w 可见，当可见，当 1时，时， 所以为提高量子效率所以为提高量子效率 ，I层的厚度层的厚度 要足够大。要足够大。 w1w2.2.暗电流暗电流 暗电流暗电流Id：是在反向偏压条件下，没有入射：是在反向偏压条件下，没有入射光时，光电二极管产生的反向电流。光时，光电二极管产生的反向电流。 包括：晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和包括：晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流。载流子热扩散形成的本征暗电流。 暗电流与光电二极管的材料和结构有关暗电流与光电二极管的材料和结构有关 例如：例如

12、：Si材料的材料的PIN，Id100 nA。3.3.噪声噪声n 噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数，噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数，它直接影响光接收机的灵敏度它直接影响光接收机的灵敏度n 光电二极管的噪声光电二极管的噪声:包括包括散粒噪声散粒噪声和和热噪声。热噪声。n 噪声通常用噪声通常用均方噪声电流均方噪声电流(在在1负载上消耗负载上消耗的噪声功率的噪声功率)来描述。来描述。 n(1)散粒噪声：散粒噪声：是由于带电粒子产生和运动的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。随机性而引起的一种具有均匀频谱的白噪声。包括包括:量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声量子

13、噪声、暗电流噪声、漏电流噪声n量子噪声量子噪声：是由于光电子产生和收集的统计特：是由于光电子产生和收集的统计特性造成的。性造成的。n量子噪声电流的均方值量子噪声电流的均方值: 其中：其中：IP为平均光电流；为平均光电流；e为电子电荷；为电子电荷；f为噪声带宽。为噪声带宽。说明：说明：n1）量子噪声伴随着入射光信号的产生而产生，）量子噪声伴随着入射光信号的产生而产生，随着信号的增大而增大；当入射光信号消失，随着信号的增大而增大；当入射光信号消失，量子噪声也消失。量子噪声也消失。n2）量子噪声是一种不可克服的本征噪声，它量子噪声是一种不可克服的本征噪声，它决定光接收机灵敏度的极限。决定光接收机灵敏

14、度的极限。 n 暗电流噪声暗电流噪声: 暗电流是器件在反偏压条件下，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。它是由于没有入射光时产生的反向直流电流。它是由于PN结内电子的热扩散形成的。结内电子的热扩散形成的。n暗电流的均方值：暗电流的均方值： 其中：其中：Id为暗电流平均值；为暗电流平均值；说明：说明：n1. 偏置电流增大，暗电偏置电流增大，暗电流增大；流增大；n2. 器件温度升高，暗电器件温度升高，暗电流增大；流增大；n3.暗电流与光电二极管暗电流与光电二极管材料和结构有关。材料和结构有关。n例例:si-PIN，Id100nA。 n漏电流噪声漏电流噪声: 是由于器件表面物

15、理缺陷引起的。是由于器件表面物理缺陷引起的。n 漏漏电流的均方值：电流的均方值：其中：其中：IL为漏电流平均值；为漏电流平均值；说明：漏电流和暗电流只能通过合理设计、良好说明：漏电流和暗电流只能通过合理设计、良好的结构和严格的工艺来降低。的结构和严格的工艺来降低。 n(2)热噪声：热噪声：任何电阻都具有热噪声。只要温度任何电阻都具有热噪声。只要温度高于绝对零度，电阻中大量的电子就会在热激高于绝对零度，电阻中大量的电子就会在热激励下作无规则运动，由此在电阻上形成无规则励下作无规则运动，由此在电阻上形成无规则弱电流，形成电阻的热噪声。弱电流，形成电阻的热噪声。n包括：包括：负载电阻和后继放大器输入

16、电阻负载电阻和后继放大器输入电阻产生的产生的热噪声。热噪声。n均方热噪声电流：均方热噪声电流：式中：式中：k=1.3810-23J/K为波尔兹曼常数；为波尔兹曼常数；T为绝对温度；为绝对温度；R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻的并联为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻的并联.nPIN光电二极管的总均方噪声电流为：光电二极管的总均方噪声电流为： 5 51 13 3 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APDAPD） 一一APD的工作原理的工作原理 随着反向偏压的增加，随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。开始光电流基本保持不变。当反向偏压增加到一定数值当反向偏压增加到一定数值时，光电流

17、急剧增加，最后时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为器件被击穿，这个电压称为击穿电压击穿电压UB。 APD就是根据这种特性就是根据这种特性设计的器件。设计的器件。 根据光电效应，当光入射到根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生结时，光子被吸收而产生电子电子-空穴对。空穴对。如果反向电压增加到是电场如果反向电压增加到是电场达到达到200kV/cm以上，初始以上，初始电子（一次电子）在高电场电子（一次电子）在高电场区获得足够的能量而加速运区获得足够的能量而加速运动。高速运动的电子和晶格动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子离，

18、产生新的电子-空穴对，空穴对，这个过程称为这个过程称为碰撞电离碰撞电离。 新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，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，致使载流子产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增雪崩式倍增，见图。所以这种，见图。所以这种器件就被称为器件就被称为雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）。）。二二APD的倍增因子的倍增因子 由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这种效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述它的种效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述它的放大作用，即用放大作用，即用倍增因子倍增

19、因子 来定义。来定义。 g根据经验，并考虑到器件体电阻的影响，可以表示为根据经验，并考虑到器件体电阻的影响，可以表示为g式中式中 为为APD击穿电压，为与材料特性和入射光波长有击穿电压，为与材料特性和入射光波长有关的常数，关的常数，R为为APD体电阻。现有的体电阻。现有的APD的的 值已达几值已达几十到上百，随反向偏压，波长和温度而变化。十到上百，随反向偏压，波长和温度而变化。 BUgn 三三. APD的结构类型的结构类型 在光通信中常用的在光通信中常用的APD有如下几中结构类型。有如下几中结构类型。 保护环型（保护环型（GAPD ） 短波段短波段 （0.85um） 拉通型（拉通型（RAPD）

20、 SAM（Separated Absorption 长波段长波段 and multiplexing）（1.3 um1.55 um） SAGM （带隙渐变型（带隙渐变型SAM） 1.1.拉通型（拉通型（RAPDRAPD） 当偏置电压逐渐升高时，峰值电场超过雪崩效应所需最低电压，就会发生雪崩效应。同时，耗尽区已经“拉通”到了整个 区。虽然 区的电场比高场区低，但也足以保证载流子有较高的漂移速度。 入射光子在 区被吸收后，产生一次电子-空穴对，其中的一次电子在电场的作用下向PN结漂移，并在那里产生雪崩效应，而一次空穴在电场的作用下移向P+区，被外电路收集。 P+和N+为高掺杂低阻区，压降很小，偏置电

21、压基本上都落在高阻的PN结上。低掺杂的本征区 很宽，电场较低，大部分入射光子在此区被吸收并建立最初的电子空穴对。 当偏置电压较低时，电场分布如图中虚线所示，这时本征区也未耗尽，而且峰值电场较低，不会发生碰撞电离。5 52 2光接收机光接收机5 52 21 1数字光接收机的基本组成数字光接收机的基本组成5 52 22 2数字光接收机的噪声数字光接收机的噪声5 52 23 3误码率误码率5 52 24 4灵敏度灵敏度5 52 25 5 动态范围动态范围n光接收机功能光接收机功能: : 把从光纤线路输出，产生畸变和衰减的把从光纤线路输出，产生畸变和衰减的微弱微弱光信号转为电信号光信号转为电信号，并经

22、放大和处理，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号后恢复成发射前的电信号n主要组成部分：光检测器（核心）主要组成部分：光检测器（核心）5 52 21 1数字光接收机的基本组成数字光接收机的基本组成 1 1光检测器：光检测器：实现电实现电/ /光转换的关键器件。即光转换的关键器件。即对光进行解调。对光进行解调。2放大器放大器：包括：包括前置放大器前置放大器和和主放大器主放大器： n前置放大器前置放大器：n 低噪声、高增益和足够的带宽特性，以获得较低噪声、高增益和足够的带宽特性，以获得较大的信噪比。大的信噪比。n 它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大n 输出一般为毫伏

23、数量级。输出一般为毫伏数量级。 n主放大器主放大器： n作用：作用：是提供足够的增益，将前置放大器输出是提供足够的增益，将前置放大器输出的信号电平放大到判决电路所需要的信号电平。的信号电平放大到判决电路所需要的信号电平。n一般是多级放大器一般是多级放大器;n是一个增益可调节的放大器。是一个增益可调节的放大器。 它的增益受它的增益受AGC电路（自动增益控制电路）的控电路（自动增益控制电路）的控制，以使输出的电信号的幅度在一定范围内不受输制，以使输出的电信号的幅度在一定范围内不受输入光信号幅度的影响入光信号幅度的影响。 3、均衡器：、均衡器： n（1）没有均衡器出现的问题）没有均衡器出现的问题 ：

24、从接收机主放：从接收机主放大器输出的脉冲形状将不会再是矩形了，将可大器输出的脉冲形状将不会再是矩形了，将可能出现很长的拖尾。这种拖尾现象将会使前、能出现很长的拖尾。这种拖尾现象将会使前、后码元的波形重叠产生码间干扰后码元的波形重叠产生码间干扰n对于一个实际的传输系统（包括信道，放大器，滤对于一个实际的传输系统（包括信道，放大器，滤波器等），其频带总是受限的，结果使输出波形有波器等），其频带总是受限的，结果使输出波形有很大的拖尾，使前后码元在波形上相互重叠，而产很大的拖尾，使前后码元在波形上相互重叠，而产生码间干扰。生码间干扰。 n（2）均衡器作用：使经过均衡器以后的波形）均衡器作用：使经过均衡

25、器以后的波形成为有利于判决的波形。成为有利于判决的波形。n在本码判决时刻波形的瞬时值应为最大值；在本码判决时刻波形的瞬时值应为最大值；n这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为应为0。 n一般用具有升余弦频谱的码元脉冲波形一般用具有升余弦频谱的码元脉冲波形 4、再生电路：、再生电路：包括包括判决器判决器和和时钟提取电路时钟提取电路n-作用：将均衡器输出的升余弦波形信号，恢复作用：将均衡器输出的升余弦波形信号，恢复为原发送为原发送“0”或或“1”的数字信号。的数字信号。n再生过程：再生过程：n为了能从均衡器的输出信号判决出是为了能从均衡器的输出信号判决

26、出是“0”还是还是“1”码，首先要确定判决的时刻，这就要从升余弦波形码，首先要确定判决的时刻，这就要从升余弦波形中提取准确的时钟信号。中提取准确的时钟信号。n时钟信号经过适当的移相后，在最佳的取样时刻对时钟信号经过适当的移相后，在最佳的取样时刻对升余弦波形进行取样，然后将取样幅度与判决阈值升余弦波形进行取样，然后将取样幅度与判决阈值进行比较，确定码元是进行比较，确定码元是“0”还是还是“1”，从而把升余，从而把升余弦波形恢复再生成原传输的数字信号。弦波形恢复再生成原传输的数字信号。 5 52 22 2数字光接收机的噪声数字光接收机的噪声一光接收机噪声的分类一光接收机噪声的分类二噪声分析的一般方

27、法二噪声分析的一般方法三光接收机的噪声等效模型三光接收机的噪声等效模型四放大器噪声的计算四放大器噪声的计算五前置放大器的类型五前置放大器的类型一光接收机噪声的分类一光接收机噪声的分类 光接收机的噪声有两部分：光接收机的噪声有两部分：外部噪声外部噪声和和内部噪声内部噪声。n外部噪声外部噪声：由外部电磁干扰产生的。可以通：由外部电磁干扰产生的。可以通过屏蔽或滤波来消除。过屏蔽或滤波来消除。 n内部噪声内部噪声：是在信号检测和放大过程中引入：是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声。的随机噪声。n主要包括：主要包括：光检测器的噪声光检测器的噪声、前置放大器前置放大器的噪声的噪声和和热噪声。热噪声。 光

28、检测器的噪声：光检测器的噪声：如量子噪声，暗电流噪声，如量子噪声，暗电流噪声，漏电流噪声，漏电流噪声，APD的倍增噪声的倍增噪声前置放大器的噪声前置放大器的噪声：放大器的噪声主要由前置：放大器的噪声主要由前置放大器噪声决定。因为前置级输入的是微弱信放大器噪声决定。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。号，其噪声对输出信噪比影响很大。 热噪声热噪声：负载电阻上的热噪声和放大电路中产：负载电阻上的热噪声和放大电路中产生的热噪声。生的热噪声。 二噪声分析的一般方法二噪声分析的一般方法n噪声是一种随机过程，它的值并不能预噪声是一种随机过程，它的值并不能预先确定，在不同的时刻测量噪声时

29、所得先确定，在不同的时刻测量噪声时所得的结果也常常是不一样的，因此，对噪的结果也常常是不一样的，因此，对噪声的分析应采用随机过程的分析方法。声的分析应采用随机过程的分析方法。 3平稳随机过程的功率谱密度平稳随机过程的功率谱密度 n设有时间函数设有时间函数x（t），），-t+，假设，假设x（t）满足）满足荻氏条件，且绝对可积，那么荻氏条件，且绝对可积，那么x（t）的傅立叶变）的傅立叶变换为换为nx（t）和）和FX（w）之间有以下的巴塞伐（）之间有以下的巴塞伐（parseval）等式成立等式成立 n等式左边的积分表示等式左边的积分表示x（t）在（）在（-，+）上）上的总能量。的总能量。n把函数把函

30、数x（t）限制在（）限制在（-T，T）时间间隔内的可）时间间隔内的可得到：得到：n上式的左边表示平均功率：上式的左边表示平均功率：n函数函数x（t）的双边平均功率谱密度（简称功率）的双边平均功率谱密度（简称功率谱密度）为：谱密度）为： 4.4.线形系统对随机输入的响应线形系统对随机输入的响应 n线形系统在这里指时不变线形系统。线形系统在这里指时不变线形系统。n系统的脉冲响应函数：当系统的输入是单位脉冲时系统的脉冲响应函数：当系统的输入是单位脉冲时（t）时，相应的系统的输出称为系统的脉冲响应函）时，相应的系统的输出称为系统的脉冲响应函数，记作数，记作HT（t）。）。n频率响应函数（或传递函数）：

31、频率响应函数（或传递函数）：HT（t）的傅氏变换）的傅氏变换HT（w）称为系统的频率响应函数（或传递函数）。）称为系统的频率响应函数（或传递函数）。n 若对此线形系统输入信号若对此线形系统输入信号x(t)，则输出信号的波形，则输出信号的波形和频谱为：和频谱为：n 线形系统在平稳输入的条件下，其输出也是平稳线形系统在平稳输入的条件下，其输出也是平稳的。系统的输出谱密度等于输入谱密度乘以系统的的。系统的输出谱密度等于输入谱密度乘以系统的功率增益因子功率增益因子|HT(w)|2,即即三光接收机的噪声等效模型三光接收机的噪声等效模型 n把所有的噪声源都等效到光接收机的输入端，把所有的噪声源都等效到光接

32、收机的输入端，光接收机的输入端的噪声等效模型如图。光接收机的输入端的噪声等效模型如图。 说明：说明：n光检测器等效为电流源，光检测器等效为电流源，n：光检测器的量子噪声的均方噪声电流，功率谱密：光检测器的量子噪声的均方噪声电流，功率谱密度分别为度分别为Sqn：光检测器的暗电流噪声的均方噪声电流（等效噪：光检测器的暗电流噪声的均方噪声电流（等效噪声功率），功率谱密度为声功率），功率谱密度为Sd。n R为偏置电阻，为偏置电阻，C为电容（结电容和其他电容），为电容（结电容和其他电容），ib为偏置电阻的热噪声电流。为偏置电阻的热噪声电流。n 放大器放大器:分解为理想放大器和等效电流源分解为理想放大器和

33、等效电流源和电和电压源压源，其功率谱密度分别为，其功率谱密度分别为SI和和SE。Rin是放是放大器的输入电阻。大器的输入电阻。 n光检测器的噪声特性光检测器的噪声特性参见512 节PIN光电二极管的基本特性。n偏置电阻的热噪声偏置电阻的热噪声：偏置电阻具有热噪声，只要偏置电阻具有热噪声，只要温度大于绝对温度，电阻中大量的电子就会在热温度大于绝对温度，电阻中大量的电子就会在热激励下作不规则的运动，结果在电阻上形成不规激励下作不规则的运动，结果在电阻上形成不规则变化的微弱电流，形成电阻的热噪声。则变化的微弱电流，形成电阻的热噪声。1.带有热噪声的电阻等效方式带有热噪声的电阻等效方式可以有两种等效方

34、式：可以有两种等效方式：n一种是等效一种是等效为一个无噪声的电阻和一个噪声电为一个无噪声的电阻和一个噪声电流源并联。流源并联。（上图中就是这样等效的。（上图中就是这样等效的。n并联电流噪声源的功率谱密度为：并联电流噪声源的功率谱密度为：式中：式中：k k为玻耳兹曼常数，为玻耳兹曼常数，k k=1.38=1.381010-23-23J/KJ/K；K K为为绝对温度。绝对温度。上式表明，电阻的热噪声随温度的升高而加大。上式表明，电阻的热噪声随温度的升高而加大。 n另一种是等效为另一种是等效为一个无噪声的电阻和一个噪一个无噪声的电阻和一个噪声电压源的串联。声电压源的串联。n串联噪声电压源的功率谱密度

35、为：串联噪声电压源的功率谱密度为：四放大器噪声的计算四放大器噪声的计算1放大器输入端的噪声源放大器输入端的噪声源 （1）放大器的噪声包括）放大器的噪声包括电阻的热噪声电阻的热噪声及有源器件及有源器件（双极型晶体管或场效应管）的（双极型晶体管或场效应管）的散粒噪声散粒噪声。将所。将所有噪声源都等效到输入端。有噪声源都等效到输入端。（2）放大器中各个噪声源都可以认为是高斯分布放大器中各个噪声源都可以认为是高斯分布的平稳随机过程。的平稳随机过程。 n放大器噪声的概率密度函数可以表示为高斯函放大器噪声的概率密度函数可以表示为高斯函数：数： n（3）均值为）均值为0的高斯噪声的方差的高斯噪声的方差2实际

36、就代表实际就代表噪声电压或（电流）的平方的平均值，即为噪噪声电压或（电流）的平方的平均值，即为噪声平均功率。声平均功率。n（4）概率密度为高斯函数的各个随机噪声，它概率密度为高斯函数的各个随机噪声，它们之和的概率密度仍是高斯函数，而且总噪声们之和的概率密度仍是高斯函数，而且总噪声的方差等于各个噪声源的方差之和。的方差等于各个噪声源的方差之和。n（5）计算放大器的输出噪声应求得各个噪声源）计算放大器的输出噪声应求得各个噪声源的方差，然后求和得到输出端总噪声电压的方的方差，然后求和得到输出端总噪声电压的方差。差。2放大器输出噪声电压的计算方法放大器输出噪声电压的计算方法 (1) 用输入端各噪声源的

37、功率谱密度乘以放大器用输入端各噪声源的功率谱密度乘以放大器的功率功率增益因子，可得到输出端的功率谱的功率功率增益因子，可得到输出端的功率谱密度。密度。其中：其中：n|ZT(w)|2 是放大器的功率增益因子是放大器的功率增益因子nZT(w)是放大器的传递函数，它表示输入电流和输出电是放大器的传递函数，它表示输入电流和输出电压之间的传递关系，实为转移阻抗。压之间的传递关系，实为转移阻抗。（2）输出端功率谱密度）输出端功率谱密度SY（w）对）对w积分，得到积分，得到输出端的各噪声电压的方差（或称为噪声功率）输出端的各噪声电压的方差（或称为噪声功率）（3）由于放大器的各噪声源的概率分布函数均为）由于放

38、大器的各噪声源的概率分布函数均为高斯函数，所以输出端总噪声电压的方差等于各高斯函数，所以输出端总噪声电压的方差等于各噪声源方差之和。噪声源方差之和。 说明：说明： 计算时，输入端的串联电压噪声源首先要乘以计算时，输入端的串联电压噪声源首先要乘以输入导纳（输入导纳（1/Rt+iwC）的绝对值的平方，转换成）的绝对值的平方，转换成电流源，然后再乘以功率增益因子电流源，然后再乘以功率增益因子|ZT(w)|2。式中。式中Rt=RRin。n根据根据上述的步骤，可以算出根据根据上述的步骤，可以算出放大器的总噪声放大器的总噪声电压的方差为：电压的方差为：五前置放大器的类型五前置放大器的类型 放大器的噪声特性

39、取决于所采用的前置放大器的噪声特性取决于所采用的前置放大器的类型放大器的类型。n1.1.前置放大器的分类：前置放大器的分类：n双极型晶体管前置放大器双极型晶体管前置放大器n场效应管前置放大器场效应管前置放大器n跨阻型前置放大器跨阻型前置放大器2 2三种类型前置放大器的比较：三种类型前置放大器的比较： n 双极型晶体管前置放大器：输入阻抗低，线路简双极型晶体管前置放大器：输入阻抗低，线路简单；接收机不需要或只需要很少的均衡，码间干单；接收机不需要或只需要很少的均衡，码间干扰小；适用于高速率传输系统。扰小；适用于高速率传输系统。n 场效应管前置放大器：输入阻抗高，噪声小；高场效应管前置放大器：输入

40、阻抗高，噪声小；高频特性差，适用于低速率传输系统。频特性差，适用于低速率传输系统。n 跨阻型前置放大器：是一个性能优良的电流跨阻型前置放大器：是一个性能优良的电流-电电压转换器；具有宽频率低噪声的优点；压转换器；具有宽频率低噪声的优点；n根据目前已报导的根据目前已报导的Gbit/s速率的光接收机的情况看，前速率的光接收机的情况看，前置放大器有采用跨阻型也有采用低阻型的。置放大器有采用跨阻型也有采用低阻型的。 5 52 23 3误码率误码率一一.误码的产生误码的产生:n在数字光纤通信系统中，接收端的光信号经在数字光纤通信系统中，接收端的光信号经检测，放大，均衡后，进行判决，再生。检测，放大，均衡

41、后，进行判决，再生。n判决判决,再生的过程再生的过程:见下图见下图n判决是通过时钟信号的上升沿在最佳的时刻对接收的数字判决是通过时钟信号的上升沿在最佳的时刻对接收的数字信号进行取样。信号进行取样。 n然后将取样值与判决阈值进行比较，若取样幅度大于判决然后将取样值与判决阈值进行比较，若取样幅度大于判决阈值，则判为阈值，则判为“1”，若取样幅度小于判决阈值，则判为，若取样幅度小于判决阈值，则判为“0”，从而使信号得到再生。，从而使信号得到再生。n由于噪声的存在，接收信号就有被误判的可能性。由于噪声的存在，接收信号就有被误判的可能性。 n误码率误码率：接收码元被错误判决的概率，接收码元被错误判决的概

42、率，称为误码率。（在二元制的情况下，等称为误码率。（在二元制的情况下，等于误比特率，于误比特率，BER） BER错误码元数错误码元数/传输总的码元数传输总的码元数n光接收机输出的噪声的特性：光接收机输出的噪声的特性：n光接收机输出的噪声的特性概率分布十分复光接收机输出的噪声的特性概率分布十分复杂，包括放大器引入的噪声和光检测器的噪杂，包括放大器引入的噪声和光检测器的噪声。声。n前面分析过放大起引入的噪声，是高斯分布前面分析过放大起引入的噪声，是高斯分布的平稳随机过程，其概率密度函数为高斯函的平稳随机过程，其概率密度函数为高斯函数。数。n光电检测过程，尤其是雪崩光电检测过程是光电检测过程，尤其是

43、雪崩光电检测过程是一个非常复杂的随机过程，它的概率密度函一个非常复杂的随机过程，它的概率密度函数是非高斯型的。数是非高斯型的。 n假设：一般假设噪声电流（或电压）的瞬时值假设：一般假设噪声电流（或电压）的瞬时值服从服从高斯分布，高斯分布，其概率密度函数为其概率密度函数为式中：式中：x是代表噪声这一高斯随机变量的取值，均值是代表噪声这一高斯随机变量的取值，均值E（x）=0，方差，方差D（x）=2nNA为前置放大器的平均噪声功率；为前置放大器的平均噪声功率；nND为光检测器的平均噪声功率；为光检测器的平均噪声功率；nN0为总的平均噪声功率。为总的平均噪声功率。（1）发）发“0”码时码时 平均噪声功

44、率平均噪声功率N0=NA，NA为前置发达器的平均噪声为前置发达器的平均噪声功率；这时没有光信号输入，光检测器的平均噪声功率功率；这时没有光信号输入，光检测器的平均噪声功率ND=0（略去暗电流）。（略去暗电流）。 n发发“0”码条件下噪声的概率密度函数：码条件下噪声的概率密度函数： 注：均值为注：均值为0的高斯噪声的方差的高斯噪声的方差2就是平均噪声功率就是平均噪声功率N0 n把把“0”码误判为码误判为“1”码的概率码的概率：等于：等于I0D的概的概率率 （2）发）发“1”码时：码时： 平均噪声功率：平均噪声功率：N1= NA+ND；ND为光检测器的平均噪声为光检测器的平均噪声功率；功率； 噪声

45、电流幅度：噪声电流幅度：I1-Im； 判决条件：判决条件：I1-Im Im-D(即即I1D)n把把“1”码误判为码误判为“0”码的概率码的概率：等于等于I1-Im Im-D(即即I1D)的概率。的概率。 （3）总误码率）总误码率 n“0”码和码和“1”码的误码率一般是不相同的，但码的误码率一般是不相同的，但对于对于“0”码和码和“1”码等概率而言，一般认为码等概率而言，一般认为Pe，01= Pe，10时可使误码率达到最小。时可使误码率达到最小。 n超扰比超扰比Q： 说明：只要知道说明：只要知道Q值，就可以根据总误码率的计算公式值，就可以根据总误码率的计算公式求出误码率，结果如图。求出误码率，结

46、果如图。例：例：Q=6，BER10-9；Q=7，BER10-12。 n数字通信要求，如果误比特率小于数字通信要求，如果误比特率小于10-6，则基本上可以恢复原来的数字信号。如则基本上可以恢复原来的数字信号。如果误比特率大于果误比特率大于10-3，则基本上不能进行，则基本上不能进行正常的电话通信。正常的电话通信。n一般要求系统的误比特率小于一般要求系统的误比特率小于10-9，即，即10亿个脉冲中只容许发生一个误亿个脉冲中只容许发生一个误码。码。 524灵敏度灵敏度n一一.灵敏度的一般计算方法灵敏度的一般计算方法n二理想光接收机的灵敏度二理想光接收机的灵敏度 灵敏度是光接收机的最重要的性能指标。灵

47、敏度是光接收机的最重要的性能指标。n灵敏度：灵敏度：是指保证达到给定的误码率是指保证达到给定的误码率(或信噪比）的或信噪比）的条件下，光接收机需要输入的最小平均接收光功率条件下，光接收机需要输入的最小平均接收光功率min。或者说在一定误码率条件下光接收机所能接。或者说在一定误码率条件下光接收机所能接收到的最小光功率。收到的最小光功率。n可用三种物理量表示：可用三种物理量表示：n最小平均光功率最小平均光功率Pminn每个光脉冲的最低平均能量每个光脉冲的最低平均能量Edn每个光脉冲的最低平均光子数每个光脉冲的最低平均光子数n0 接收灵敏度一般用接收灵敏度一般用dBm（毫瓦分贝）来表示，它是（毫瓦分

48、贝）来表示，它是以以lmW光功率为基础的绝对功率。光功率为基础的绝对功率。说明：说明：n灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱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，提高灵敏度意味着可以接收更微弱的光光信号的能力，提高灵敏度意味着可以接收更微弱的光信号。信号。n影响灵敏度的主要因素是光检测器和放大器引入的噪声。影响灵敏度的主要因素是光检测器和放大器引入的噪声。一一. .灵敏度的一般计算方法灵敏度的一般计算方法( (1) )计算灵敏度，必须先求出光接收机输出端总噪计算灵敏度，必须先求出光接收机输出端总噪声的概率密度函数声的概率密度函数( (2) )再根据噪声的概率

49、密度函数计算出总误码率。再根据噪声的概率密度函数计算出总误码率。( (3) )根据所要达到的误码率求灵敏度。根据所要达到的误码率求灵敏度。 n灵敏度计算的近似方法：灵敏度计算的近似方法：n光接收机输出的噪声的特性概率分布十分复杂光接收机输出的噪声的特性概率分布十分复杂 ,它的概率密度函数是非高斯型的。它的概率密度函数是非高斯型的。n所以精确计算光接收机的总噪声的概率分布密所以精确计算光接收机的总噪声的概率分布密度是十分困难的，常用一些近似方法计算。度是十分困难的，常用一些近似方法计算。n一些常用的近似方法：一些常用的近似方法： 1） 重要性取样法重要性取样法 2） 切若夫界限法切若夫界限法 3

50、） 高斯近似法：高斯近似法：CCITT推荐使用的方法。推荐使用的方法。n参见：参见：光纤通信系统光纤通信系统顾畹仪，李国瑞，北京邮电大学顾畹仪，李国瑞，北京邮电大学出版社出版社 二理想光接收机的灵敏度二理想光接收机的灵敏度n理想光接收机的定义：理想光接收机的定义：n假设光检测器的暗电流为假设光检测器的暗电流为0；n放大器无噪声；放大器无噪声；n只要光电二极管输出一个电子只要光电二极管输出一个电子-空穴对所产生空穴对所产生的光电流，判决器就能判决出来。的光电流，判决器就能判决出来。n结论：结论：理想光接收机的灵敏度只受光检测器的理想光接收机的灵敏度只受光检测器的量子噪声的限制量子噪声的限制，因为量子噪声是伴随光信号，因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要有光信号的输入，就有量子的随机噪声，只要有光信号的输入，就有量子噪声。噪声。 1误码率的计算误码率的计算 （1）发）发“0”码时的误码率码时的误码率：n 光检测器没有光输入，由于光电二极管暗电光检测器没有光输入，由于光电二极管暗电流为流为0，放大器无噪声，所以光电二极管不输，放大器无噪声，所以光电二极管不输出电子出电子-空穴对，放大器也无信号输出；空穴对，放大器也无信号输出；n 因此因此“0”码误码为码误码为“1”码的