浙江传媒学院上课版本市公开课一等奖省赛课获奖课件

第五章光检测器与光接收机5.1光检测器5.2光电二极管特征5.3光接收机5.4光中继器浙江传媒学院上课版本第1页HHOR7100A经济型小壳光接收机浙江传媒学院上课版本第2页家用双向光接收机浙江传媒学院上课版本第3页光电变换前置放大主放大器均衡滤波判决器时钟恢复输出AGC电路线性通道对信号进行高增益放大与整形，提升信噪比，降低误码率。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前端光信号探测器抑制码间干扰浙江传媒学院上课版本第4页光电转换器件，光接收机首要部件当前光检测器主要是半导体光检测器以光电二极管应用最广泛。惯用有PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）要求:高效率、响应速度快，线性好及频带宽低噪声、器件本身对信号影响小。体积小、寿命长、高可靠、工作电压低等。入射光半导体5.1光检测器浙江传媒学院上课版本第5页5.1光检测器光电二极管光检测器原理工作原理----受激吸收。

加反向偏压，形成耗尽区。

□在半导体材料上，当入射光子能量h超出带隙能量Eg时，产生电子--空穴对。

□在外加电压建立电场作用下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移。

□电子抵达N区，空穴抵达P区，被外电路吸收，形成光生电流。其光生电流大小Ip与入射光功率Pin成百分比：R—光电检测器响应度（A/W）浙江传媒学院上课版本第6页5.1.1PN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经过耗尽区渡越时间。W为耗尽层宽度，v为载流子漂移速度。浙江传媒学院上课版本第7页带宽受限主要原因:产生光电流中存在扩散分量，它与耗尽区外光吸收相关。载流子作扩散运动时延将使检测器输出电流脉冲后沿托尾加长，影响光电二极管响应速度。5.1.1PN光电二极管(1)扩散分量存在造成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响应处理方法：减小P,N区厚度，增加耗尽区宽度，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，降低P,N区吸收光能--PIN浙江传媒学院上课版本第8页PIN光电二极管结构：在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大耗尽区宽度w，到达减小扩散运动影响，提升响应度要求。因为PN结中间插入半导体材料近似为本征半导体(Intrinsic)，所以这种结构称为PIN光电二极管。I区高阻抗,电压基本都落在I区PIN光电二极管及反偏时各层场分布浙江传媒学院上课版本第9页PIN光电二极管双异质结结构：N区和P区：InP（磷化铟），对>920nm光透明；I区:InGaAs；

=1300~1600nm强烈吸收InGaAs（铟砷化镓），电子在InGaAs中传输速度是硅数倍。MITMTL（微系统试验室）最近演示了用InGaAs制作晶体管，传输电流是最先进硅晶体管2.5倍。而InGaAs晶体管尺寸仅仅为60纳米。InGaAs晶体管优点是能够降低芯片尺寸，提升信息处理速度.广泛用于探测器!

InGaAsPIN光电二极管结构浙江传媒学院上课版本第10页每个在能级之间跃迁电子只吸收一个光子产生光电流需满足条件： hf≥Eg

因=c/f

即:≤

C=hc/EgEg使用电子伏特（ev）,为微米（m）截止波长：Si:c=1.06mGe,InGaAs:c=1.6m

响应波长:Si:0.5-1.0mGe,InGaAs:1.1-1.6mPIN光电二极管

浙江传媒学院上课版本第11页雪崩光电二极管PIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益APD:利用电离碰撞,1个光子产生多对电子-空穴对,有增益工作过程：入射光-------一对电子-空穴对(一次光生电流)--------------与晶格碰撞电离---------多对电子-空穴对(二次光生电流）吸收外电场加速增加了一个附加层，倍增区或增益区，以实现碰撞电离产生二次电子－空穴对。耗尽层仍为I层，起产生一次电子－空穴对作用。浙江传媒学院上课版本第12页Ip:光生电流Pin：入射光功率

5.2光电二极管特征

1.量子效率入射光功率Pin中含有大量光子，能转换为光电流光子数和入射总光子数之比称为量子效率.产生电子－空穴正确个数入射光子数在光电二极管应用中，100个光子会产生30到95个电子－空穴对，所以检测器量子效率范围为30%~95%。为了得到较高量子效率，必须加大耗尽区厚度，使得能够吸收大部分光子。不过，耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越(across)反向偏置结时间就越长。因为载流子漂移时间又决定了光电二极管响应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷。浙江传媒学院上课版本第13页

5.2光电二极管特征

R:响应度2.响应速度

可用响应时间来表征。

取决于渡越耗尽层时间

e为电子电荷，其值为1.6×10-19C。3.响应度

浙江传媒学院上课版本第14页(a)响应度与波长关系浙江传媒学院上课版本第15页APD倍增系数倍增系数

IG--平均输出电流，

IP--一次光生电流倍增系数G与电离系数及增益区厚度相关。GV11010020ºC40ºC60ºC TVB。APD实用时应在偏置电路中加温度赔偿,或与AGC电路连接。APD温度特征浙江传媒学院上课版本第16页光电二极管特征信噪比也是衡量接收机好坏主要指标，光接收机噪声主要起源于光电检测器和其后面前置放大器，而暗电流就是光检测器产生噪声原因之一。暗电流Id定义为无光照射时光电二极管反向电流，主要是由热激发而形成载流子引发。在PIN光电二极管中，因为体内暗电流不会受到倍增作用且检测器本身处于反向偏置状态，所以其值要比表面暗电流小得多。所以，PIN光电二极管暗电流大小主要决定于其表面暗电流。在APD中，因为体内暗电流有倍增，其值远大于表面暗电流。所以APD暗电流主要是指体内暗电流。因为倍增作用，APD暗电流要比PIN-PD暗电流大得多。随温度上升，暗电流将会急剧增加。暗电流会引发光接收机噪声增大，所以，希望器件暗电流越小越好。浙江传媒学院上课版本第17页光检测器比较（1）Si、Ge、InGaAspin光电二极管通用工作特征参数参数符号单位SiGeInGaAs波长范围nm400~1100800~16501100~1700响应度RA/W0.4~0.60.4~0.50.75~0.95暗电流IDnA1~1050~5000.5~2.0上升时间rns0.5~1.00.1~0.50.05~0.5带宽BGHz0.3~0.70.5~3.01.0~2.0偏置电压VBV55~105浙江传媒学院上课版本第18页Si、Ge、InGaAs雪崩光电二极管通用工作特征参数光检测器比较（2）参数符号单位SiGeInGaAs波长范围nm400~1100800~16501100~1700雪崩增益M——20~40050~20010~40暗电流IDnA0.1~150~50010~50@M=10上升时间rns0.1~20.5~0.80.1~0.5增益带宽积M•BGHz100~4002~1020~250偏置电压VBV150~40020~4020~30浙江传媒学院上课版本第19页在短距离应用中，工作在850nmSi器件对于大多数链路是个相对比较廉价处理方案。在长距离链路经常需要工作在1330nm和1550nm窗口，所以惯用基于InGaAs器件。APD检测器与PIN检测器相比，含有载流子倍增效应，其探测灵敏度尤其高，但需要较高偏置电压和温度赔偿电路。要视详细应用场所而选定。光检测器比较（3）浙江传媒学院上课版本第20页§5.3光接收机光接收机基本组成浙江传媒学院上课版本第21页§5.3光接收机浙江传媒学院上课版本第22页5.3.1光接收机前端(1)电信号光信号光电变换前置放大前端：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光信号转换为时变电流，然后进行预放大（电流－电压转换），方便后级作深入处理。是光接收机关键。要求：低噪声、高灵敏度、足够带宽浙江传媒学院上课版本第23页5.3.1光接收机前端(2)光检测器选择：要视详细应用场所而定。PIN光电二极管含有良好光电转换线性度，不需要高工作电压，响应速度快。APD最大优点是它含有载流子倍增效应，其探测灵敏度尤其高，但需要较高偏置电压和温度赔偿电路。从简化接收机电路考虑，普通情况下多喜欢采取PIN光电二极管作光探测器。前置放大器主要作用是保持探测电信号不失真地放大和确保噪声最小，普通采取场效应晶体管(FET)。PIN/FET和APD/FET。浙江传媒学院上课版本第24页5.2.1光接收机前端(3)依据不一样应用要求，前端设计有三种不一样方案：低阻抗前端高阻抗前端跨（互）阻抗前端光接收机前端等效电路低阻抗前端从频带要求出发选择偏置电阻RL优点：电路简单，不需要或只需要极少均衡，动态范围较大缺点：灵敏度低，噪声较高浙江传媒学院上课版本第25页5.3.1光接收机前端(4)高阻抗前端跨阻抗前端电压并联负反馈放大器（电流-电压转换器）优点：宽频带（等效输入电阻很小）、低噪声（反馈电阻能够取得很大）、灵敏度高、动态范围大等综合优点，被广泛采取。尽可能加大偏置电阻，把噪声减至尽可能小值优点：噪声较低缺点：动态范围小、高频分量损失太大,对均衡电路提出很高要求.多用于低速系统.浙江传媒学院上课版本第26页5.3.2光接收机线性通道可依据输入信号（平均值）大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收机动态范围。提供高增益，放大到适合于判决电路电平。主放大器均衡滤波AGC电路对主放输出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升余弦波形。浙江传媒学院上课版本第27页5.3.3判决再生与时钟提取任务：把线性通道输出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”。为了准确地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确时钟信息作为标定，以确保与发送端一致。判决器时钟恢复输出浙江传媒学院上课版本第28页5.3.3判决、再生过程均衡器输出波形时钟再生后信号判决电压最正确取样时间对应于“1”和“0”信号电平相差最大位置，可有眼图决定。浙江传媒学院上课版本第29页5.3.4光接收机噪声特征光接收机噪声将影响信噪比SNR和通信质量。主要来自光电探测器和前置放大器噪声。分为两类：散粒噪声和热噪声。光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：散粒噪声浙江传媒学院上课版本第30页光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：量子噪声产生是因为光信号入射到光检测器上时，光电子产生和搜集过程含有统计特征(泊松分布)。光电效应产生光生载流子数是随机起伏，这是光检测过程基本特征，从而使当其它条件都到达最正确化时，接收灵巧敏度含有一个最低极限。浙江传媒学院上课版本第31页光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：暗电流噪声：当没有光信号照射光检测器时，外界一些杂散光或热运动也会产生一些电子——空穴对，光检测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。浙江传媒学院上课版本第32页光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：漏电流噪声：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电压时，会引发很小漏电流噪声，但这种噪声并非本征性噪声，可经过光检测器合理设计，良好结构和严格工艺降低。浙江传媒学院上课版本第33页光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：APD倍增噪声：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程随机特征产生附加噪声。浙江传媒学院上课版本第34页光检测器放大器偏置电阻光子流hRL量子噪声暗电流噪声漏电流噪声APD倍增噪声热噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：热噪声：是在有限温度下，导电媒质内自由电子和振动离子间热相互作用引发一个随机脉动。浙江传媒学院上课版本第35页5.3.5光接收机主要性能指标接收灵敏度：接收机工作于某一误码率所要求最小平均接收光功率。灵敏度是光接收机主要指标，描述了其准确检测光信号能力。

PR为输入最小光功率误码率（BER）：接收机判决电路错误确定一个比特概率。噪声引发误码图讲解明浙江传媒学院上课版本第36页光接收机动态范围是指在确保系统误码率指标条件下，接收机最大允许平均接收光功率与最小平均接收光功率之差

能够用dB表示为5.3.5光接收机主要性能指标3.动态范围动态范围表征了光接收机对输入信号适应能力。浙江传媒学院上课版本第37页例1:某光纤通信系统中光源平均发送光功率为-28

dBm，光纤线路传输距离为

20

km，损耗系数为0.5

dBm/km，(1)试求接收端收到光功率为多少？(2)若接收灵巧敏度为-40dBm，试问该信号能否被正常接收？(3)若光源平均发送光功率增大至-10dBm，光接收机刚好能将其正常接收，试求光接收机动态范围为多少？浙江传媒学院上课版本第38页解：(1)接收端收到光功率

P=-28

dBm-0.5

dBm/km×20

km=-38

dBm。

(2)

-38

dBm>-40

dBm能正常接收。

(3)

Pmax=-10dBm-0.5×20

dBm=-10

dBm-10

dBm=-20

dBm，接收机动态范围：

D=Pmax-Pmin=-20dB-(-40

dBm)=20

dBm。浙江传媒学院上课版本第39页浙江传媒学院上课版本第40页例2:

在满足一定误码率条件下，光接收机最大接收光功率为0.1

mW，最小接收光功率为1

000

nW。

(1)求接收灵巧敏度和接收机动态范围。

(2)已知某个接收机灵敏度为-40

dBm，动态范围为20

dBm，若收到光功率为2μW

，系统能否正常工作？浙江传媒学院上课版本第41页解：(1)接收灵巧敏度为

dBm

动态范围为

dBm(2)依据灵敏度为-40dBm,

可求得=0.1

，由动态范围为20

dBm，可求得为10

μW，因为10μW

>2μW

>0.1μW

，故能够正常工作。浙江传媒学院上课版本第42页二进制信号误码概率浙江传媒学院上课版本第43页二进制信号误码概率浙江传媒学院上课版本第44页二进制信号误码概率浙江传媒学院上课版本第45页二进制信号误码概率浙江传媒学院上课版本第46页Q被广泛用来说明接收机特征。Q=6，BER=10E-9Q>7，BER<10E-12通常:2.5Gb/s系统接收灵敏度对应于BER=10E-9；10Gb/s系统接收灵敏度对应于BER=10E-10；浙江传媒学院上课版本第47页一、误码率