光纤通信原理课件

光纤通信原理光纤通信原理光纤通信原理光电检测器完成光/电信号的转换。其基本要求是：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。目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。光纤通信原理2光电检测器完成光/电信号的转换。其基本要求是：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。目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。光纤通信原理2

光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换。光电效应如图5-1（a）和（b）所示。当入射光子能量hf小于禁带宽度Eg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

hf≥Eg

（5-1）

光纤通信原理3图5-1半导体材料的光电效应光纤通信原理4光频fc＜的入射光是不能产生光电效应的，将fc转换为波长，则λc=。即只有波长λ＜λc

的入射光，才能使这种材料产生光生载流子，故λc

为产生光电效应的入射光的最大波长，又称为截至波长，相应的fc

称为截至频率。光纤通信原理5

一、PIN光电二极管

PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，加一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，如图5-3（a）所示。这样可以提高其响应速度和转换效率。结构示意图如图5-3（b）所示。光纤通信原理6光纤通信原理图5-3PIN光电二极管7

雪崩光电二极管，又称APD（AvalanchePhotoDiode）。它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。

光纤通信原理8光纤通信原理APD的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了能量；越过禁带到导带，产生了新的电子—空穴对；新产生的电子—空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子—空穴对……如此循环下去，形成雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增。APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。9光纤通信原理目前APD结构型式，有保护环型和拉通（又称通达）型。保护环型在制作时淀积一层环形N型材料，以防止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。拉通型雪崩光电二极管（RAPD）的结构示意图和电场分布如图5-4所示。图5-4（a）所示的是纵向剖面的结构示意图。图5-4（b）所示的是将纵向剖面顺时针转90°的示意图。图5-4（c）所示的是它的电场强度随位置变化的分布图。APD随使用的材料不同有几种：Si-APD（工作在短波长区）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在长波长区）等10图5-4RAPD的结构图和能带示意图光纤通信原理11PIN管特性包括响应度、量子效率、响应时间和暗电流。APD管除有上述特性外，还有雪崩倍增特性、温度特性等。

1．PIN光电二极管的特性（1）响应度和量子效率响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。①响应度响应度定义（A/W） （5-3）其中，Ip为光电检测器的平均输出电流，Pin为入射到光电二极管上的平均光功率。光纤通信原理12

量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即 （5-4）其中，e为电子电荷，，hf为一个光子的能量，（5-4`）式中m/s为光速，·s为普朗克常数。也就是说，光电二极管的响应度和量子效率与入射光频率（波长）有关。··

光纤通信原理13硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系。光纤通信原理14

响应速度是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态。一般用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。显然响应时间越短越好。响应时间——光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90％，或由后沿的90%下降到10%的时间定义为脉冲上升时间和脉冲下降时间。

光纤通信原理15光纤通信原理

在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由于热激励等，在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。严格地说，暗电流还应包括器件表面的漏电流。暗电流会引起接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。16光纤通信原理

Si-PINInGaAs-PIN波长响应0.4～1.01～1．6响应度0.4(0.85μm)

0.5（1.31μm）暗电流0.1～12～5响应时间2～100.2～1结电容0.5～11～2工作电压/V

－5～－15

－5～－1517APD除了PIN的特性之外还包括雪崩倍增特性、温度特性等。（1）倍增因子倍增因子g实际上是电流增益系数。在忽略暗电流影响的条件下，它定义为

g=I0/Ip

（3-13）

I0为有雪崩倍增时光电流平均值，Ip为无倍增效应时光电流平均值。PIN管由于无雪崩倍增作用，所以g=1。（2）温度特性随着温度的升高，倍增增益将下降。

光纤通信原理18光纤通信原理PIN管的噪声，主要为量子噪声和暗电流噪声，APD管还有倍增噪声。过剩噪声因子F——是由于雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数。设（x是附加噪声指数），则APD的均方量子噪声电流为同理，APD的均方暗电流噪声电流为附加噪声指数与器件所用材料和制造工艺有关，Si-APD的x=0.3～0.5,Ge-APD的x=0.8～1.0,InGaAs-APD的x=0.5～0.7。

19光纤通信原理

Si-APDInGaAs-APD波长响应0.4～1.01～1．65响应度0.5

0.5～0.7暗电流0.1～110～20响应时间0.2～0.50.1～0.3结电容1～2

＜0.5工作电压50～10040～60倍增因子30～10020～30附加噪声指数0.3～0.50.5～0.720光纤通信原理

光接收机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，输入到电接收端机，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端。前端性能是决定光接收机的主要因素。21

强度调制—直接检波（IM-DD）的光接收机方框图如图5-6所示，主要包括光电检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。图5-6数字光接收机方框图光纤通信原理221．光电检测器：光电检测器是把光信号变换为电信号的关键器件，对其要求是：①在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光电检测器能输出尽可能大的光电流。②波长响应要和光纤的3个低损耗窗口兼容。③有足够高的响应速度和足够的工作带宽。④产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。⑤光电转换线性好，保真度高。⑥工作性能稳定，可靠性高，寿命长。⑦功耗和体积小，使用简便。光纤通信原理23光纤通信原理在短距离的应用中，工作在850nm的Si器件对于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。在长距离的链路常常需要工作在1330nm和1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。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。要视具体应用场合而选定。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。24光接收机的放大器包括前置放大器和主放大器两部分。对前置放大器要求是较低的噪声、较宽的带宽和较高的增益。前置放大器的的类型目前有3种：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器（或跨导前置放大器）。

光纤通信原理一般采用场效应晶体管(FET)。PIN/FET和APD/FET。25光纤通信原理(a)双极性晶体管(b)场效应管(c)跨阻型26光纤通信原理双极性晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低，电路时间常数小于信号脉冲宽度，因而码间干扰小，适用于高速系统。场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高，噪声小，高频特性差，适用于低速系统。跨阻型前置放大器的主要特点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。27光纤通信原理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。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。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AGC电路28光纤通信原理一般是多级放大器，它的功能主要是:提供足够高的增益，把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号电平。并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号应保持恒定输出。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。29均衡器的作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进行均衡补偿，形成有利于判决的波形。减小误码率。光纤通信原理30光纤通信原理任务：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”。为了精确地确定“判决时刻”，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。判决器时钟恢复输出31光纤通信原理均衡器输出波形时钟再生后的信号判决电压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。32

AGC就是利用反馈环路来控制主放大器的增益。AGC的作用是增加了光接收机的动态范围。自动增益控制（AGC）电路原理框图如图5-12所示。图5-12

自动增益控制电路原理框图光纤通信原理33光纤通信原理BG2BG1BG3Vi(信号输入）Vp(AGC信号）Vo(输出信号）Re3V+(a)分流式AGC控制电路前置放大运放(b)双栅极场效应管AGC控制电路++Vc34

数字光接收机重要指标有光接收机的灵敏度和动态范围。（1）光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度是指在系统满足给定误码率指标的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分贝（dBm）来表示，即

(4-2)

光纤通信原理35误码率（BER）：接收机判决电路错误确定一个比特的概率。噪声引起误码的图解说明光纤通信原理36光纤通信原理实际光发送机发出的光信号并非理想比特流，并在光纤传输过程中可能变形。在这种非理想条件下，与仅考虑接收机噪声而导出的灵敏度值相比，接收机要求的最小平均光功率增大了，这个增量称为功率代价，也称灵敏度恶化。其影响因素很多。37光纤通信原理

光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最低输入光功率（dBm）和最大允许输入光功率（dBm）之差（dB）。即

(5－9)38光纤通信原理光接收机的噪声将影响信噪比SNR和通信质量。主要来自光电探测器和前置放大器的噪声。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39光检测器放大