《光纤通信》第三章 光接收机

1、第三章 光接收机,光接收机框图,探测器：实现光电变换。 前放：实现低噪声放大。 主放：提供足够的增益，且增益受AGC电路的控制。 均衡器：保证判决时不存在码间干扰。 判决器、时钟提取：对信号进行再生。 AGC电路：改变接收机的增益，扩大接收机的动态范围。,光 信 号,探测器,前置 放大器,主放 大器,均衡器,判决器,时钟 提取,AGC 电路,译码器,3.1 探测器,半导体探测器： 光电二极管PD (PIN) 雪崩光电二极管APD,光电二极管,工作在反向偏压的PN结二极管。 工作原理-受激吸收。 加反向偏压，形成耗尽区。 入射光子，hEg时产生电子-空穴对。 在电场的作用下，电子向N区漂移，空穴

2、 向P区漂移。 电子到达N区，空穴到达P区，被外电路 吸收，形成光生电流。,光电二极管,结构 -PIN结构,P,I,N,光,I,u,RL,I为本征半导体，低掺杂； P、N均为高掺杂。,光电二极管,响应波长 光电效应需满足条件： hEg即: hc/Eg 截止波长：,c=,hc,Eg,=,1.24,Eg(eV),(m),Si: c=1.06 m Ge,InGaAs: c=1.6 m 响应波长: Si: 0.5-1.0 m Ge, InGaAs: 1.1-1.6 m,光电二极管,光电转换效率 量子效率：, =,光生的电子-空穴对数,入射光子数,=,Ip/e0,P0/h,=,Ip,P0,h,e0,Ip

3、: 光生电流 P0：入射光功率,响应度（常用物理量）:,R=,Ip,P0,=,e0,h, (A/W),1,光电二极管,暗电流 Id 无光照射时PD的反向电流。 Id: Si: 1nA Ge: 1A InGaAs: 10nA,Id作为一直流噪声源存在,光电二极管,响应速度 常用上升，下降时间表示。 主要由结电容和负载电阻的时间常数决定。 上升时间(RL=50) Si: 300ps Ge: 500ps InGaAs: 100ps,工作于主干线：2.5Gbit/s 10Gbit/s,雪崩光电二极管（APD）,工作在高反向偏压的PN结二极管。 入射光功率产生一次光生电流，一次光生电流被雪崩放大，形成较

4、大的反向电流。,P,I,N,光,I,u,RL, 响应波长 与PIN同。,雪崩光电二极管,平均雪崩增益,VB: 击穿电压 m：常数，与APD材料、掺杂特性及波长有关 V：反向电压,Si：G100 Ge：G10 InGaAs：G1020,经验公式：,雪崩光电二极管,APD 的温度特性,G,V,1,10,100,50,100,150,20C,40C,60C,T VB。 APD实用时应在偏置电路中加温度补偿。,雪崩光电二极管,APD的倍增噪声 APD 噪声：量子噪声（散弹噪声） 暗电流噪声 倍增噪声-影响最大 APD的过剩噪声系数： F(G)Gx x: 过剩噪声指数。 Si-APD: x: 0.3-0

5、.5 Ge-APD: x: 0.8-1.0 InGaAs-APD: x: 0.5-0.7,雪崩光电二极管,APD的倍增噪声 F(G) 表示由于倍增作用而增加的一个噪声系数。 通过APD倍增后信号功率与G2成正比， 而噪声功率与G2F(G)=G2+x成正比， 即APD放大噪声比放大信号多Gx倍。 例:G=100, x=0.5, F(G)=10, APD放大噪声比放大信号多10倍。 G=100, x=1.0, F(G)=100, APD放大噪声比放大信号多100倍。 过剩噪声指数为APD的重要指标.,3.2 光接收机的灵敏度,接收灵敏度 (1) 保证达到给定误码率的条件下，光接收机需 要的最小平均

6、光功率。(W，dBm) (2) 保证达到给定误码率的条件下，光接收机需要的每一光脉冲的最低平均能量。 (3) 保证达到给定误码率的条件下，光接收机需要的每一光脉冲的最低平均光子数。,3.2 光接收机的灵敏度,P(dBm),BER,10-10,10-9,10-8,10-7,10-6,10-5,10-4,-32,-30,-28,-26,-24,给定BER,接收灵敏度Pmin-29.4 dBm,光接收机灵敏度的量子极限,假设： 系统频带无限宽 系统无噪声 光源消光比为零 光电管暗电流为零 量子效率为1 BER=10-9时， E1=21h 每个入射1码脉冲应有21个光子的能量。 (2) 每个入射1码脉

7、冲含有的平均光子数为21个。 (3) Pmin=10.5Rb hc/ (1) Rb: 码元速率 : 波长,P164例题,由于光源EXT=0，“0”码时接收的光能量为0； 光电二极管的暗电流为0、 “0”码时接收的光能量为0、系统又无噪声，因此“0”码误判为“”码的概率为0，即Pe, 01=0。 由于系统无噪声，只要光电二极管输出一个电子空穴对，判决器就能判出来。所以产生误码的惟一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有产生光电流，放大器没有电流输出。,光接收机灵敏度的量子极限,因为光子计数过程的概率分布为泊松分布，“1”码持续期间产生的平均光子数=E1/hv,所以： Pe,10=e-0/0！=

8、e-=e-E1/hv=e-n 当“0”码和“1”码等概率出现时，误码率为：,设传输的是非归零码(NRZ)，每个光脉冲最小平均光能量为E1，码元宽度为Tb，一个码元平均光子数为n，那么光接收机所需最小平均接收功率为 :,灵敏度与码速的关系,Rb Pmin(变差) PIN: PminRb3/2 (4.5dB/比特率倍程) APD：PminRb7/6 (3.5dB/比特率倍程) APD比PIN改善 灵敏度5-10dB 灵敏度与量子极限 差10dB左右,1,10,100,1000,Rb(Mb/s),Pmin(dBm),-80,-70,-60,-50,-40,-30,-20,量子极限,APD,PIN,P

9、177,EXT（百分比定义） Pmin恶化 对于PIN Pmin9EXT(%) (dB) 对于APD Pmin18EXT(%) (dB) 例：EXT=10% Pmin=1.8dB,LD消光比对灵敏度的影响,图3.4.5,其它因素对灵敏度的影响,暗电流 输入波形 放大器噪声 ,P190,3.3 接收机的动态范围,接收机的动态范围 保证达到给定误码率的条件下，允许接收 光功率的变化范围。(dB) -反映接收机接收强信号的能力。 系统对接收机动态范围的要求： D(dB)=PTR(dBm)-10dBPmin(dBm) 可正常接收比发送功率小10dB的光功率 例：fb=34Mb/s, Pmin=-44d

10、Bm, PTR=-3dBm 要求：D=31dB,接收机的动态范围,P(dBm),BER,10-10,10-9,10-8,10-7,10-6,10-5,10-4,-32,-30,-28,-12,-10,给定 BER,接收灵敏度Pmin,-8,-6,过载功率Pmax,动态范围D,D(dB)=Pmax(dBm)-Pmin(dBm),3.4 光接收机的均衡网络,升余弦形频谱 在光纤通信系统中，常设计均衡网络使 输出波形具有升余弦形频谱。 频谱,H()=,1 0 (1-)/Ts,1,2,1+sin,Ts,2,(,Ts,-),(1-),Ts, ,(1+),Ts,0 ,(1+),Ts,3.4 光接收机的均衡

11、网络,升余弦形频谱 频谱,H(),/Ts,2/Ts,-/Ts,-2/Ts,1,0.5,=1,=0.5,: 滚降因子，01，表示频谱曲线滚降的快慢。 =1滚降最慢。,=0,3.4 光接收机的均衡网络,升余弦形频谱 波形,hout(t)=,sin(t/Ts)cos(t/Ts),t,Ts,1-(,2t,Ts,),t,hout(t),Ts,2Ts,3Ts,4Ts,-Ts,-2Ts,-3Ts,-4Ts,=1,0,3.4 光接收机的均衡网络,升余弦形频谱 波形 hout(0)=1 hout(nTs)=0 n=1, 2, 3,. 本码元判决时刻信号最大， 相邻码元在本码元判决时刻信号为零，无码间干扰。,3.

12、4 光接收机的均衡网络,均衡网络的传递函数 Heq() 为实现无码间干扰判决需满足 S()Hof()Ham()Heq()=H() S(): 发送脉冲的频谱 Hof(): 光纤的传递函数 Ham(): 放大器的传递函数（包含检测器传递函数）,Heq()=,H(),S()Hof()Ham(),均衡网络与发送脉冲波形，光纤特性，放大器特性有关。,3.3 光接收机的均衡网络,眼图分析法 眼图-随机信号在反复扫描过程中叠加 在一起的综合反应。,对比图(b)和(d)可知, 眼图的“眼睛”张开得越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小, 反之，表示码间串扰越大。,连“1”,连“0”,+1,-1,+1,-1,眼图分析法 模型化眼图：,垂直张开度：E=V1/V2 反映系统的抗噪声能力。 水平张开度： E=t1/t2 反映过门限失真的大小。 E小,会导致提取出的时钟信号的抖动增加。 眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响。,最佳抽样时刻应是“眼睛”张开最大的时刻； 眼图斜边的斜率决定了系统对抽样定时误差的灵敏程度：