光探测和光接收机.ppt

1、第5章光探测和光接收机,光探测原理 光电探测器 数字光接收机 接收机光信噪比（OSNR） 接收机误码率和灵敏度 灵敏度下降机理 光接收机,内容要求,5.1 光探测原理,入射光子的能量h超过禁带能量 Eg，耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。,PN结光电检测原理,光电检测器响应度,5.2 光电探测器,PIN光电二极管 PIN 二极管与 PN 二极管的主要区别是，在 P 和 N 层之间加入了一个 I 层，作为耗尽层。I 层的宽度较宽，约有（5 50）m，可吸收绝大多数光子，使光生电流增加。,PIN光电相关参数,耗尽区电容 漂移时间 响应波长,PIN光电二极管的性能参数,量子

2、效率 响应度 R 暗电流： 表示无光照时出现的反向电流，会影响接收机的信噪比; 响应速度： 对光信号的反应能力，常用对光脉冲响应的上升或下降沿表示; 结电容 (pF), 它影响响应速度。,5.2.2 雪崩光电二极管,雪崩光电二极管（APD）是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。 APD的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在 PN 结内部形成一个高电场区。 APD能提供内部增益 工作速度高，广泛应用于光通信系统中,光生的电子空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量，它们在高速运动中与 P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子空穴对。这种通过碰撞电离产生

3、的电子空穴对，称为二次电子空穴对。 新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。,APD的技术参数,平均雪崩增益 响应带宽,上升时间定义为输入阶跃光功率时，探测器输出光电流最大值的 10 % 到 90 % 所需的时间。,上升时间定义,APD 波长响应曲线,例5.2.1 PIN光电二极管的灵敏度,例5.2.2 带宽,例5.2.3 InGaAs APD灵敏度,例5.2.4 Si APD,5.3 数字光接收机组成,5.3.1 光电变换和前置放大 5.3.2 线性放大 5.3.3 数据恢复,5.3

4、数字光接收机,5.3.1 前置放大器,前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用，所以精心设计前置放大器就显得特别重要。 光电二极管把光比特流转变成随时间变化的电信号。前置放大器的作用是放大该电信号，以供主放大器进一步放大和处理。 前置放大器的设计要求在带宽和灵敏度之间进行折衷。,图5.3.2 光接收机前置放大器等效电路,负载电阻跨接到反向放大器的输入和输出端，尽管RL仍然很大，但负反馈使输入阻抗减小了G 倍，因此带宽也比高阻抗放大器的扩大了G 倍。 它的灵敏度高、频带宽。动态范围也比高阻抗前置放大器的大。因此光接收机常使用这种结构的前放。,转移阻抗前置放大器,5.3.2

5、线性放大,由主放大器、低通滤波器和自动增益控制电路组成。 有时候，为了校正和补偿前端对带宽的限制，在主放大器之前还要插入一个均衡器。 低通滤波器的作用是整形电压脉冲，减小噪声，同时避免引入更多的码间干扰。 采用自动增益控制电路，在接收机平均入射光功率一定的变化范围内，可以把放大器的增益自动控制在固定的输出电平上。,图5.3.3 柰奎斯特脉冲响应和升余弦均衡滤波器输出响应,我们虽不能消除码间干扰及相互影响 但我们能做到不管输入波形如何发生畸变，只要经过均衡滤波器后，在某些特定点上干扰为零，因此可用于正确地判决。,5.3.3 数据恢复,数据恢复电路包括判决电路和时钟恢复电路。 它的任务是把均衡器输

6、出的升余弦信号恢复成数字信号。 首先要提取时钟信号，在最佳的取样时间对升余弦信号进行取样，然后将取样幅度与判决阈值进行比较，确定码元是“0”还是“1”，从而把升余弦波形恢复再生成原传输的数字信号。 最佳的判决时间应是升余弦波形的正负峰值点，这时取样幅度最大，抵抗噪声的能力最强。,选取最佳的判决时间,眼图分析法,在实验室里观察码间干扰是否存在的最直观、最简单的方法是眼图分析法。通常误码率的典型值为109。 将均衡滤波器输出的随机脉冲序列输入到示波器的 Y 轴，用时钟信号作为外触发信号，就可观察到眼图。 眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响，当输出端信噪比很大时，张开度主要受码间干扰的影响。因此，观

7、察眼图的张开度就可以估计出码间干扰的大小，这给均衡电路的调整提供了简单而适用的观测手段。,5.4 接收机信噪比（SNR）,5.4.1 噪声机理 5.4.2 PIN光接收机 5.4.3 APD接收机 5.4.4 信噪比 (SNR) 和光信噪比 (OSNR)的关系,5.5 接收机误码率和灵敏度,5.5.1 比特误码率 5.5.2 最小平均接收光功率 5.5.3 光电探测器的量子限制,5.5 接收机误码率和灵敏度,5.5.1 比特误码率,图(a)表示判决电路接收到的叠加了噪声的 PCM 比特流 图(b)表示 “1” 码信号和 “0” 码信号在平均光生信号电流 I1（1码）和I0 （0码）附近的高斯概率分布，阴影区表示错误识别概率。,图5.5.2 误码概率计算,图5.5.3 BER和Q参数的关系,图5.5.4 接收机灵敏度和比特率的关系,实际光接收机的灵敏度比量子极限约低20 dB; 主要由接收机热噪声和光纤色散使灵敏度下降。 光纤色散导致的灵敏度下降与比特速率B和光纤长度L有关，并随BL乘积增加而增加， 在较高码率下，接收灵敏度的实测值比量子极限下降了2530 dB,5.6 灵敏度下降机理,1. 发射“0”码时