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1、光电检测器与光接收机,光纤通信第六章,徐兰青 ,光信号,光电 变换,前置 放大,主放 大器,均衡 滤波,判 决 器,时钟恢复,输出,AGC电路,时钟提取与数据再生 （CDR）,6.1 光电检测器 6.2 光电检测器的性能指标 6.3 光接收机 6.4 光接收机的噪声特性 6.5 光接收机的灵敏度,第六章 光电检测器与光接收机,光电转换器件 要求: 高效率、低噪声、宽带 原理：光吸收 在半导体材料上，当入射光子能量h超过带隙能量时，每当一个光子被半导体吸收就产生一个电子空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电子和空穴就在半导体中渡越并形成电流流动，称为光电流，其电流大小Ip与入射光功率Pin成比例

2、：,光电检测器的响应度（A/W）,6.1 光电检测器,6.1.1 PIN光电二极管(1),在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大耗尽区宽度w，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的要求。由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导体(Intrinsic)，因此这种结构称为PIN光电二极管。,I区高阻抗,电压基本都落在I区,PIN光电二极管及反偏时各层的场分布,6.1.2 PIN光电二极管(2),InGaAs PIN 光电二极管的结构,双异质结结构： N区和P区：InP，对920nm的光透明； I区: InGaAs； =13001600nm 强烈吸收,量子效率,入射光功率Pin中含有大

3、量光子，能转换为光电流的光子数和入射总光子数之比称为量子效率.,在光电二极管的应用中，100个光子会产生30到95个电子空穴对，因此检测器的量子效率范围为30%95%。为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得可以吸收大部分的光子。但是，耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越(across)反向偏置结的时间就越长。由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷。,光谱响应,对一给定的探测区材料就有一个能够探测的最低频率或最大波长，而对波长大于这个极限波长的光波就不能被探测到。 光子能量h大于半导体材料的禁带宽度Eg时，价带上的电子可以吸收光子而跃迁到

4、导带，否则不论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任何一种材料制作的光电二极管都有上截止波长C：,在短波长段，材料的吸收吸收系数变得很大，因此光子在接近光检测器的表面就被吸收了，电子空穴对的寿命极短，结果载流子在由光检测器电路收集以前就已经复合了。,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：1.11.6 m, 噪声特性 噪声影响光接收机的灵敏度。 噪声包括散粒噪声(Shot Noise)(由信号电流和暗电流产生)和热噪声(由负载电阻和后继放大器输入电阻产生)。 （ 1 ）均方散粒噪声电流 I2s

5、h=2e(IP+Id)B (6-6) e为电子电荷，B为放大器带宽，IP和Id分别为信号电流和暗电流。 2eIPB 称为量子噪声(由于入射光子和所形成的电子-空穴对都具有离散性和随机性而产生) 2eIdB是暗电流产生的噪声。 暗电流是器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流。,均与B成正比,均方热噪声电流, 式中，k=1.3810-23J/K为波尔兹曼常数，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。 因此， 光电二极管的总均方噪声电流为,I2=2e(IP+Id)B+,I2T=,与B，T成正比,6.1.2 雪崩光电二极管APD,PIN:1个光子最多产生一对电

6、子-空穴对,无增益 APD:利用电离碰撞, 1个光子产生多对电子-空穴对,有增益 工作过程：,1、倍增系数 M = Ip / I p0 IP平均输出电流， Ip0未倍增的原始光生电流 IP M Ip0 MRPin 倍增系数M与电离系数及增益区厚度有关。 2、过剩噪声因子F 在APD中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外的倍增噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子F来表征这种倍增噪声。F又可近似表为：FMx，x被称为过剩噪声指数。 3、总均方噪声电流I2=2eIds+(IP0+Idb)FM2B (6-7),APD倍增系数与过剩噪声因子,光检测器的

7、比较（1）,Si、Ge、InGaAs pin光电二极管的通用工作特性参数,光检测器的比较（2）,Si、Ge、InGaAs 雪崩光电二极管的通用工作特性参数,光检测器的比较（3）,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。 APD检测器与PIN检测器相比，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。,6.1 光电检测器 6.2 光电检测器的性能指标 6.3 光接收机 6.4 光接收机的噪声特性 6.5 光

8、接收机的灵敏度,第六章 光电检测器与光接收机,6.3 光接收机,光信号,光电 变换,前置 放大,功率 放大,均衡 滤波,判 决 器,时钟恢复,输出,AGC电路,性能指标:接收灵敏度、误码率或信噪比,前端,线性通道,时钟提取与数据再生 （CDR）,对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。,光接收机的前端(1),前端：由光电二极管和前置放大器组成。 作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然后进行预放大（电流电压转换），以便后级作进一步处理。是光接收机的核心。 要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽,光接收机的前端(2),光检测器的选择：要视具体应用场合而定。 PIN光电二极管具有

9、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。 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。 前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管(FET)。PIN/FET和APD/FET。,光接收机的前端(3),根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案： 低阻抗前端 高阻抗前端 跨（互）阻抗前端,光接收机的前端(4),高阻抗前端,尽量加大偏置电阻，把噪声减至尽可能小的值 优点：噪声较低 缺点：动态范围小、高频分量损失太大,

10、对均衡电路提出很高要求. 多用于低速系统.,光接收机的线性通道,判决再生与时钟提取,任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号,判 决 器,时钟恢复,输出,判决、再生过程,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。,主要性能指标,接收灵敏度：是在保证一定的误码率下所需要接收的最小平均光功率。灵敏度是光接收机的重要指标，表示接收机调整到最佳状态时能够接收微弱光信号的能力。 动态范围DR定义为：在限定误码率或信噪比条件下，光接收机允许的光信号平均光功率的变化范围，用dB表示。,6.1 光电检测器 6.2 光电检测器的性能

11、指标 6.3 光接收机 6.4 光接收机的噪声特性 6.5 光接收机的灵敏度,第六章 光电检测器与光接收机,光接收机的噪声特性,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。,量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时，光电子的产生和收集过程具有统计特性(泊松分布)。光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光检测过程的基本特性，从而使当其他条件都达到最佳化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。,PINPD的量子噪声：,APD倍增噪声：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的随机特性产生附加的噪声。,APD的量子噪声：,暗电流噪声：当没

12、有光信号照射光检测器时，外界的一些杂散光或热运动也会产生一些电子空穴对，光检测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。,漏电流噪声：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电压时，会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构和严格的工艺降低。,热噪声：是在有限温度下，导电媒质内自由电子和振动离子间热相互作用引起的一种随机脉动。 放大器噪声：主要由前置放大器噪声决定,6.4.2 光接收机的信噪比,PINPD光接收机的信噪比 APD光接收机的信噪比,6.1 光电检测器 6.2 光电检测器的性能指标 6.3 光接收机 6.4 光接收机的噪声特性 6.5 光

13、接收机的灵敏度,第六章 光电检测器与光接收机,6.5.1 光接收机的误码率,接收灵敏度：接收机工作于某一误码率所要求的最小平均接收光功率。灵敏度是光接收机的重要指标，描述了其准确检测光信号的能力。 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,二进制信号的误码概率,I1,I0,二进制信号的误码概率,I1,I0,二进制信号的误码概率,I1,I0,二进制信号的误码概率,I1,I0,Q被广泛用来说明接收机的特性。 Q=6，BER=10E-9 Q7， BER10E-12,通常: 2.5Gb/s系统的接收灵敏度对应于BER=10E-9； 10Gb/s系统的接收灵敏度对应于BER=10E-10；,6.5.2光接收机的灵敏度极限,理想光接收机的灵敏度仅受检测器量子噪声的影响。当光检测器没有光输入时，放大器就完全没有电流输出，不存在误码。 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。这个概率=exp(-n)，n为一个码元的平均光子数。 当“0”码和“1”码等概率出现时，误码率为： 对非归零码和等概率码流，灵敏度极限为,6.5.3 实际光接收机的灵敏度,影响实际光接收机灵敏度的因素很多，计算也十分复杂，这里只作简要介绍。 灵敏度指平均最小接收光功率，故有：,6.5.4 影响光接收机灵敏度的主要因素,主要有：输入输出