《无线光通信技术-从理论到前沿》课件-第2章

第2章系统介绍2.1光发射机2.2光接收机2.3一个典型的点到点无线光通信系统本章小结

2.1光发射机

光发射机的功能是把输入的电信号转换为光信号。光发射机由光源、驱动器和调制器组成,其中光源是光发射机的核心部件。光发射机的性能主要取决于光源的特性,对光源的要求是输出光功率足够大,调制频率足够高,谱线宽度和光束发散角尽可能小,输出功率和波长稳定,器件寿命长。

光发射机把电信号转换为光信号的过程(常简称电/光(E/O)转换),是通过电信号对光的调制来实现的。目前有直接调制和间接调制(或称外调制)两种调制方案,如图2－1所示。直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流,使输出光随电信号的变化而变化,从而实现调制。这种方案技术简单、成本较低、容易实现,但调制速率受到激光器频率特性的限制。

外调制是把激光的产生和调制分开,用独立的调制器调制激光器的输出光。目前有多种调制器可供选择,最常用的是电光调制器。这种调制器是利用电信号的改变而变化来电光晶体的折射率,使通过调制器的光参数随电信号的变化而变化来实现调制。外调制的优点是调制速率高,缺点是该技术复杂、成本较高,因此只在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。

图2－1两种调制方案

2.1.1光源

固态发光器件本质上是正向偏压工作的二极管,二极管输出的光强与驱动电流近似呈线性相关。该输出光强是由注入的大量载流子以发射光子的形式释放能量,再重新组合得到的。

为了保证以较高的复合概率产生发射光子,发光器件由直接带隙半导体材料构成。在直接带隙半导体材料中,导带极小值和价带极大值对应于相同的波矢量(k)。因此,产生复

合跨越带隙时动量可保持不变,并由波矢量表示(如图2－2所示)。

通过该过程发射的大部分光子具有能量Ephoton=Eg=hν,其中,Eg是带隙能量,h是普朗克常数,ν是以赫兹为单位的光子频率。该方程可以根据发射光的波长表示:

式中,λ为光的波长(单位为nm),Eg

是材料带隙的能量。

图22具有波矢量(k)的带边一维变化示例

1.LED

如前文所述,低成本光电元件的最佳应用波段为780~950nm。化合物半导体GaAs具有约1.43eV的带隙,即直接带隙,与通过式(2.1)计算的880nm的波长相对应。

大多数为带隙准备的LED通常为双异质结构。这种结构是通过在低带隙材料的任一侧上放置两种宽带隙材料,并适当掺杂其它材料形成二极管而得到的。双异质结构LED的

典型示例如图2－3所示。

图23双异质结构LED

使用双异质结构,可以将注入的载流子限制在明确规定的区域。这种限制使得注入的载流子集中于有源区中,同时也减小了辐射复合时间常数,改善了设备的频率响应。这种

限制载流子的另一个优点是产生的光子也被限制在特定的区域。

使用图2－3中的LED结构,可以根据驱动电流得出器件输出光功率的表达式:

式中,Pvol是每单位器件体积的输出功率,J是施加的电流密度,hν是光子能量,d是有源区域的厚度,B是辐射复合系数,τn是有源区域中的电子寿命,q为电子电量,n0和P0分别为热平衡状态下活性层中的电子和空穴密度。

LED的另一个重要特性是由于自发热特性导致的器件性能变化。当驱动电流流过器件时,会因电阻和低效率器件的存在而产生热量。热量的累积将使温度升高,并减少对有

源区域中载流子的限制,使得大部分载流子具有足够的能量来冲破势垒,从而降低器件的内部量子效率。输出电流的非线性下降与输入电流的关系如图2－3所示。

2.LD

LD是从基础LED制造技术发展而来的。虽然LD仍然依赖于载流子在带隙上的转变来产生辐射光子,但是其对器件结构的改进允许这些器件在窄光带上产生有效相干光。

不像LED那样可以发出与驱动电流大致成比例的光强,LD是阈值器件。如图2－4所示,在低驱动电流下,自发辐射占主导地位,该设备本质上表现为低强度LED。在电流超

过阈值Ithreshold之后,受激辐射占主导地位,此时该装置具有高光学效率,对应于图2－4所示的大斜率。在受激辐射区域,器件发出的光强与驱动电流近似呈线性变化。

图2－4LED和LD的光强度与驱动电流示例

3.LED与LD的比较

LD相对于LED的主要优势在于其工作速率在受激辐射条件下,复合时间常数比自发复合时小一至两个数量级。这使得LD能以千兆赫兹数量级的脉冲速率工作,而LED只能

在兆赫兹数量级内工作。

LD的光学特性随器件自身温度和工作时长的变化比LED更加明显。与LED的情况一样,LD总的趋势是随着温度的升高和工作时间的加长,辐射功率将降低。然而,不同的

是,LD中的阈值电流以及光学特性的斜率会随着温度的变化或器件的老化而急剧变化。

LD在无线光通信应用中的一个重要限制是必须将激光输出限制在人眼安全的范围内。由于发射辐射的相干性以及射出辐射的高强度,输出光束必须被散射,以降低能量密度。LED不是光学点光源,LD同样也不是,它们都可以在保证人眼安全的前提下发射出更高的功率。表2.1给出了无线光通信应用中LD和LED特性的比较。

2.1.2调制

1.基带调制

在基带调制中,承载信息的电信号对LED/LD电流进行直接调制,从而调制光载波。这种信号通常称为基带调制信号,是通过信道进行传输的。在接收端,利用直接检测技术便可以从基带调制光信号中恢复出电信号。这样的基带调制方案包括开关键控(On_x0002_OffKeying,OOK)调制和数字脉冲位置调制(Pulse-PositionModulation,PPM)。其它脉冲调制方案有数字脉冲间隔调制(DigitPulseIntervalModulation,DPIM)、脉冲幅度和位置调制(PulseAmplitudeandPositionModulation,

PAPM)、差分幅度脉冲间隔调制(Differential

AmplitudePulseIntervalModulation,DAPIM)等。

图2－5和图2－6分别展示了用于传输随机位序列(如110010)的OOK和8-PPM调制方案。图2－5用于传输消息110010的OOK调制方案图2－6用于传输消息110010的8-PPM调制方案

2.副载波强度调制

在副载波强度调制(SubcarrierIntensityModulation,SIM)方案中,首先用预调制信号调制一个射频载波,再用射频载波来调制发射光源的光强。SIM方案属于模拟调制。对射频载波的调制可采用以下几种调制格式,如二进制相移键控(BinaryPhase-ShiftKeying,BPSK)、正交相移键控(QuadraturePhase-ShiftKeying,QPSK)、正交振幅调制

(QuadratureAmplitudeModulation,QAM)、振幅调制(AmplitudeModulation,AM)、频率调制(FrequencyModulation,FM)等。在接收端,像在IM/DD系统中一样,使用直接检测技术就能够恢复出电信号。

图2－7展示了FSO链路SIM光学系统原理。这种多路复用方案的缺点是在接收端需要严格的同步,且设计较为复杂。图2－7FSO链路SIM光学系统原理

图2－8对上述光强调制技术进行了总结。图2－8FSO系统中的调制方案

2.2光接收机

光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号,并经电接收机放大和处理后恢复成基带电信号。光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成,光检测器是光接收机的核心。通常,对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。目前广泛使用的光检测器有两种类型:PIN以及APD。

光接收机把光信号转换为电信号的过程(常简称为光/电或O/E转换)是通过光检测器实现的,其检测方式有直接检测和外差检测两种。直接检测是用检测器直接把光信号转换

为电信号。这种检测方式的设备简单、经济实用,是当前光纤通信系统中普遍采用的方式。外差检测则要设置一个本地光振荡器和一个光混频器,使本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中输出中频光信号,再由光检测器把中频光信号转换为电信号。外差检测方式的难点是需要频率非常稳定、相位和偏振方向可控制、谱线宽度很窄的单模激光源;优点是接收灵敏度很高。

光接收机最重要的特性参数是灵敏度。灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标,它反映接收机调整到最佳状态时,接收微弱光信号的能力。灵敏度的高低主要取决于组成光接

收机的光电二极管以及光电放大器的噪声,并受传输速率、光发射机参数和光纤线路色散的影响,还与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。因此灵敏度也是反映光通信系统质

量的重要指标。

2.2.1光检测器

光检测器是一种固态器件,它能实现发光器件的逆向过程,即将入射辐射光转换为电流。光检测器本质上是反向偏置二极管,由于辐射光能直接入射在光检测器上,因此也被

称为光电二极管。如果入射光子有足够的能量,就会产生自由电子空穴对。载流子在器件接触面上的漂移或扩散运动形成了光电流。

廉价的光检测器可以用硅(Si)构成,用于检测780~950nm范围内的光。

图2－9说明,在0~1300nm光波段中,硅光电二极管的灵敏度是最高的。

图29硅光电二极管的相对灵敏度曲线

固态光电二极管的基本稳态工作可由以下表达式给出:

式中,Ip是产生的平均光电流,ηi是器件内部量子效率,Pp是入射光功率,hν是光子能量。器件的内部量子效率ηi是入射光子产生电子空穴对的概率,其典型取值范围是0.7~0.9。此值小于1,是由设备的电流泄漏、在相邻区域的光吸收和设备缺陷等造成的。

进一步地,重新整理式(2.3),可得到光电二极管的响应度:

响应度Rp的单位是A/W,它是表示光电子从光域到电域的转换系数。Rp是光电二极管模型中的一个关键参数,是在二极管工作的中心光频率处测得的。

1.PIN光电二极管

如图2－10所示,PIN光电二极管通过在p－＝+和n+掺杂区域之间放置相对较多的本征半导体材料来构建。图2－10简单硅PIN光电二极管的结构

2.雪崩光电二极管

雪崩光电二极管(APD)的基本结构与PIN光电二极管的非常相似。不同的是,APD中每一个被本征层吸收的光子,将产生多个电子空穴对。因此,APD具有大于单位增益的光电流增益,而PIN光电二极管只具有单位增益。

3.PIN与APD的比较

APD可产生光电流增益,而PIN光电二极管中的每个光子最多产生一个电子空穴对。目前还不清楚雪崩增益是否在每种情况下都能改善信噪比。实际上,对于受背景光影

响的FSO链路来说,APD确实可以提高信噪比。

表2.2总结了PIN光电二极管和雪崩光电二极管的特点。

大部分PIN光电二极管均满足成本相对较低、波长各异的要求。即便使用几十年,其光电特性仍近似线性。与APD不同,PIN光电二极管通过增大结电容的方式减小了电源供应。表2.3给出了用不同材料制成的PIN光电二极管和APD的响应度和增益。与APD相比,PIN光电二极管的响应度更低,单位光载波乘数增益(PhotocarrierMultiplierGain

ofUnity,PMGU)的值更小。

2.2.2噪声

在无线光通信链路中,除了频率响应和失真以外,噪声源也是影响链路性能的关键性因素。对于通信链路而言,确定光接收机输入端噪声源的种类非常重要,且据比可以确定

该通信链路中接收机需要使用的功率。

在电子元器件中,由于载流子在电阻器件和有源器件中作无规则热运动,因此会在电子元器件中产生热噪声。电子元器件中最主要的噪声源是前置放大器中由负载电阻引起的

热噪声。如果在接收机的前端采用低电阻来改善系统频率响应,会导致光生电流信号中包含过多的热噪声。解决该问题的方法之一是采用跨阻放大器。跨阻放大器能够在增益、带

宽、噪声、动态范围以及电源电压之间实现很好的折中,它是通过负反馈电路来提供前端低阻抗的。图2－11是光接收机前端等效电路及噪声源示例。

图2－11光接收机前端等效电路及噪声源示例

散粒噪声是通信链路中的一种主要噪声源,这种噪声是因光电二极管中的能量和电子的离散特性而产生的。入射光很容易进入材料内部被吸收,因而在空间电荷区会产生大量

的随机载流子。载流子进一步根据它们的能量以随机方式通过P-N结势垒。如图2－11所示,在光电二极管中由于量子效应而导致载流子随机生成和传输,进一步在光生电流信号中被激发为散粒噪声。这个随机过程可以被视为功率谱密度为白噪声的泊松分布。

在图211中,iphoto为光检测器等效电流源,ishot为光检测器的散粒噪声,Cphoto为光检测器的结电容,icirc为热噪声,RL

为等效负载电阻。

无线光通信链路的主要噪声来源于背景光。为了减少背景光对信道的影响,可以在不增加额外成本的情况下,对光滤波器选用波长较低的可见光和频率较高的光源。而在某些

链路中,即使对光信号进行滤波,背景光功率也可能比信号功率大,其差值约为25dB,导致了许多通信链路都只能在有限的噪声范围内工作。同时在这种情况下,在接收信号以及电路噪声中,背景光散粒噪声分量主导着总体散粒噪声。因此,对于受到散粒噪声限制的电路,式(2.8)可以表示为

据上文所述,可以证明背景光产生的链路噪声与信号无关,其中散粒白噪声呈泊松分布。这种高强度的散粒噪声是由许多独立的、呈泊松分布的随机噪声变量共同累积而成

的。当随机变量的个数接近无穷大时,根据中心极限定理,累积分布函数趋于高斯分布。因此,许多无线光通信链路中的主要噪声源都可被视为与信号无关的高斯白噪声。根据严

格的数学计算方法,可以证明高强度散粒噪声的矩母函数接近于高斯分布。依据雪崩光电二极管的相关研究文献,其噪声概率密度fn(x)可以被表示为

2.2.3直接检测

在直接检测技术中,首先将接收望远镜接收到的光信号入射到光学带通滤波器中进行处理,其作用是抑制背景辐射;然后将光信号传输到光检测器上,光检测器上产生的输出

电信号与接收到的光信号的瞬时强度成正比,这既可以看作是电流变换的线性强度,也可以看作是光电场对光检测器电流的二次(平方率)变换;最后将通过放大器放大的光信号传

输到电低通滤波器(Low-PassFilter,LPF)中进行处理,该滤波器需要有足够大的带宽来恢复出光信号。

如图2－12所示为接收机的直接检测框图。其中,光检测器的响应不受载流子的频率、相位或偏振的影响,因此这种类型的接收机只适用于对光信号进行强度调制。图2－12接收机的直接检测框图

2.2.4相干检测

在相干检测中,经过光带通滤波器处理过的信号将会与本地振荡器(LocalOscillator,LO)生成的相干载波信号混频。在光检测器中,会先放大微弱光信号和强本振信号的混频

信号,再进一步将光信号转换为电信号;并且本振的强光场会将信号的电平提高到远高于电路噪声的水平。因此,相干接收机的灵敏度会受到本振信号散粒噪声的影响。此外,由于空间混频,相干接收机只接收本振处于相同时空模式下的信号和背景噪声。这就允许相干接收机能在很强的背景噪声下工作而性能不发生显著降。其基本框图如图2－13所示。

图2－13相干检测基本框图

相干检测的各种噪声有信号散粒噪声、背景散粒噪声、本振散粒噪声、信号背景差拍噪声、本振背景差拍噪声、背景背景差拍噪声和热噪声。当本振信号功率远大于输入信号功率时,主要的噪声是本振散粒噪声,其均方噪声功率可以表示为

这种情况(假设原信号和本振信号间没有相位差)下的信噪比为

2.3一个典型的点到点无线光通信系统

2.3.1点到点链路点到点无线通信系统是指发射端和接收端之间无障碍物阻挡的直连链路。如图2－14展示了典型的点到点无线光链路。

图2－14点到点无线光链路

2.3.2链路性能分析

评估光链路性能的三个基本步骤如下:

(1)在检测器处确定检测到的信号光子数,计算发射机信道和接收机中的各种损耗。

(2)在检测器处确定检测到的噪声光子数。

(3)将检测到的信号光子数与检测到的噪声光子数进行比较。

在发射机模块中,发射光源