第四章光检测与光接收机要点.ppt

1、光电探测器及光接收机、光纤通信第四章、皇家湖南文理学院电信学院通信工学教室、本章重点、 2种常用光检测器的工作原理及工作特性光接收机的构成及各部分的功能光接收机的性能指标光接收机的噪声分析4.1光检测器4.2光接收机4.3光接收机的噪声分析4.4光接收机的灵敏度4.5光接收机的性能评价，第4章光检测器及光接收机， 光接收器的主要部件是光电检测器光电检测器的作用：检测入射到其上的光功率，将转换光功率的相应电流适用于通信用光电检测器：光电二极管(主要有Pin光电二极管和雪崩光电二极管)，4.1光电检测器4.1 . 光纤通信中对光电探测器的最重要要求：在使用光源的波长范围内，高响应度或灵敏度小的噪声

2、响应速度快，对温度变化不敏感，光纤尺寸的匹配动作寿命长，光电二极管：尺寸小，灵敏度高，响应速度快，材料合适4.1.2 PN光电二极管，工作原理：入射光从p侧入射，在耗尽区域光吸收而产生的电子空穴对的响应时间：由于光产生电流包含漂移成分和扩散成分，所以扩散的速度比漂移的速度慢很多，延长检测器输出的电流脉冲的跟踪，进行光电转换为了尽可能地吸收照射光子，设法扩大耗尽层，负偏置电压有助于扩大耗尽层。 因为由负的偏置电压产生的电场与内置电场的方向一致，所以耗尽层的电场增强，漂移运动增强，n区域的电子向阳极移动而被中和，p区域的空穴向负电极移动而被中和，耗尽层扩展。 减少p区域和n区域的厚度，减少载气的扩

3、散时间，减少在p区域和n区域接收的光能，降低半导体的掺杂浓度，扩大耗尽层。 该结构是常用的PIN光电二极管，通过提高响应速度的方法，达到了4.1.3 PIN光电二极管，结构和工作原理在PN结之间插入未掺杂或轻掺杂的半导体材料，增大耗尽区宽度w，减小扩散运动的影响，提高响应速度的要求。 由于插入PN结中间的半导体材料接近本征半导体(Intrinsic )，因此将该结构称为PIN光电二极管。 I区的高阻抗、电压几乎处于I区、PIN光电二极管以及反向偏置时各层的场分布中，两个主要的工作特性(1)、1截止波长吸收系数对于某检测区的材料有可检测的最低频率或最大波长，大于该界限波长当光子能量h大于半导体材

4、料的禁带宽度Eg时，价带中的电子能够吸收光子并转变为传导带，否则无论入射光多强都不会产生光电效应。 因此，由任何材料制作的光电二极管都存在上截止波长c :在短波段，由于材料的吸收系数变大，所以光子在接近光检测器的表面被吸收，电子空穴对的寿命极短，结果，载流子在被光检测器电路收集之前再结合。 Si:C=1.06m，使用范围：0.51.0 m Ge: C=1.6m，使用范围：1.11.6 m InGaAs: C=1.6m，使用范围： 1可转换为光电流的光子数与入射总光子数之比称为量子效率，将光产生电流I0与入射光功率Pin之比称为响应被称为Pin响应速度和量化效率的关系，这两种主要操作特性3 )，

5、并且为了获得高量化效率，有必要增加耗尽区域的厚度以吸收大部分光子。 3响应时间、响应时间：从光功率输入变换为光电流输出，延迟一定时间后，该值依赖于光检测器电路的上升时间、载波通过耗尽区域的渡越时间、载波扩散时间。 主要由载流子通过耗尽区域的渡越时间决定。由渡越时间限制的升截止频率、双主动作特性(4)、双主动作特性(5)、4线性饱和入射光功率如果过大，则光产生电流与光功率不成比例，产生非线性失真。 5暗电流在无光照射时也会流过电流，该部分的电流被称为暗电流，反电动势越大暗电流越大。 4.1.4雪崩光电二极管APD，PIN:1光子最多产生一对电子-空穴对，无增益APD:利用电离碰撞，一个光子产生多

6、对电子-空穴对，有增益工作过程：1，倍频系数g=IP/ip 2.过剩噪声因子app 该倍频噪声通常用过剩噪声系数f表示。 f还可以近似的表是FGx x被称为过剩噪声指数。 二极管的工作特性(1)、二极管的工作特性(2)、3、响应度和量子效率响应度提高g倍，与量子效率和倍频无关4、暗电流随倍频因子g的增大而增大5、线性饱和主要是因为反向偏置电压不保持恒定，所以三光检测器的比较(1)、光检测器的比较(2) 在InGaAs雪崩光电二极管的通用操作特性残奥仪、光电检测器的比较(3)、短距离应用中，在850nm下操作的Si装置对于许多链路是相对廉价的解决方案。 基于InGaAs的设备经常用于长距离链路，

7、因为它们通常在1330nm和1550nm的窗口中工作。 APD检测器与PIN检测器相比具有载波倍增效果，其检测灵敏度特别高，但需要高的偏压和温度补偿电路。 必须根据具体的应用情况进行选定。4.1光检测器4.2光接收机4.3光接收机的噪声特性4.4光接收机的灵敏度4.5光接收机的性能评估、第4章光检测器和光接收机、4.2数字光接收机、光信号、光电转换、前置放大器、主放大器、均衡滤波、判定器、时钟恢复、电信号性能指标333 差错率和动态范围、前端、线性信道、时钟提取和数据重放(CDR )、对信号进行高增益放大和整形，提高信噪比，减少差错率。4.2.1光接收机的前端(1)、前端：由光电二极管和前置放

8、大器组成。 作用：将耦合到光电检测器的光信号变换为时变电流，然后，为了进一步进行处理，进行前置放大器(电流电压变换)。 光接收器的核心要求：低噪声、高灵敏度、充分的带宽、4.2.1光接收器的前端(2)、光电检测器的选择：根据具体的应用情况而不同。 PIN光电二极管具有良好的光电转换线性，不需要高工作电压，响应速度快。 APD的最大优点是具有载流子倍增效应，其检测灵敏度特别高，但需要高的偏压和温度补偿电路。 从简化接收器电路的观点来看，通常优选将PIN光电二极管用作光电检测器。 前置放大器的主要作用是在不失真的情况下放大所检测到的电信号并最小化噪声，这采用了场效应晶体管(FET )。 PIN/F

9、ET和APD/FET。、4.2.1光接收器的前端(3)可按应用要求，修改前端的设置有三种不同的方案：低阻抗前端跨阻抗前端，4.2.1光接收器的前端(4)，高阻抗4.2.2光接收机的线性信道、均衡滤波器使经过均衡器后的波形成为有利于判定的波形，4.2.3判定再生和时钟提取，任务：将线性信道输出的升频正弦波形转换为数字信号判定电压、最佳的采样时间根据“1”和“0”的信号电平之差最大的位置，决定眼模式。 4.1光电检测器4.2光接收机4.3光接收机的噪声分析4.4光接收机的灵敏度4.5光接收机的性能评估，第4章光电检测器和光接收机，4.3光接收机的噪声分析，光接收机的噪声影响信噪比SNR和通信质量。

10、 主要是来自光电探测器和前置放大器的噪声。 分为散粒噪声和热噪声两种。 此外，量子噪声的产生是由于当光信号入射到光检测器时，光电子的产生和收集过程具有统一校正特性(泊松分布)。 由光电效应产生的光载波的数量是随机起伏，这是光检测过程的基本特性，并由此当其它条件都达到优化时，接收机的灵敏度具有最低限度。 暗电流噪声：如果光信号照射不到光检测器，外部的杂散光和热运动也会产生电子空穴对，光检测器会产生被称为暗电流的电流。 漏电流噪声：光电检测器表面的物理状态不完全，如果施加偏压，将引起小的漏电流噪声，但是这个噪声不是本征噪声，而是可以通过光电检测器的合理设定修正，以良好的结构和严格的过程减少。 APD倍频噪声：使用雪崩光电二极管时，倍频过程的随机特性会产生附加噪声。 热噪声：在有限温度下，导电介质内的自由电子与振动离子之间的热相互作用引起的随机脉动。 光接收器的噪声源、光检测器引入的噪声1量化噪声： I2q=2e ipb (pin ) I2q=2EIP BG2x (APD ) 2暗电流噪声：i2d=2eidb(pin ) i2d=2eed光接收器电路将噪声引入到由噪声1放大器的输入电阻引起的热噪声： i2T=2放大器中，4.1光检测器4.2光接收器4.3光接收器的噪声特性4.4光接收器的差错率4.5光接收器的灵敏度，第四章光检测器和光接