光纤通信-第五章概要课件.ppt

1、袁国良编著袁国良编著（第（第2 2版）版）第5章 光电检测器和光接收机本章内容本章内容5.1 5.1 光检测器光检测器 5.2 5.2 光电检测器的工作特性光电检测器的工作特性5.3 5.3 光接收机光接收机5.4 5.4 光接收机的噪声光接收机的噪声5.5 5.5 光接收机的误码率和接收灵敏度光接收机的误码率和接收灵敏度小结、习题小结、习题5.1 5.1 光检测器光检测器 1.1.光纤通信对光电检测器的主要要求光纤通信对光电检测器的主要要求(1)(1)在工作波长上光电转换效率要高，即对一定的入在工作波长上光电转换效率要高，即对一定的入射光信号功率，光检测器能输出尽可能大的光电流；射光信号功率

2、，光检测器能输出尽可能大的光电流；(2)(2)检测过程中带来的附加噪声尽可能小；检测过程中带来的附加噪声尽可能小；(3)(3)响应速度快、线性好及频带宽，使信号失真尽量响应速度快、线性好及频带宽，使信号失真尽量小；小；(4)(4)高可靠长寿命，尺寸可与光纤直径相配，工作电高可靠长寿命，尺寸可与光纤直径相配，工作电压低等。压低等。2 2半导体的光电效应半导体的光电效应 半导体光检测器是利用半导体的光电效半导体光检测器是利用半导体的光电效应制成。应制成。3 3PINPIN光电二极管光电二极管为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，在为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，在P P型型材料和材料和N

3、N型材料之间加一个型材料之间加一个I I层（本征耗尽层），它层（本征耗尽层），它是轻掺杂的是轻掺杂的NN型材料，由于掺杂浓度较轻，电子浓型材料，由于掺杂浓度较轻，电子浓度很低，经扩散可以形成一个很宽的耗尽层。这就度很低，经扩散可以形成一个很宽的耗尽层。这就是是PINPIN光电二极管（光电二极管（PIN-PDPIN-PD），如图），如图5-1-25-1-2所示所示。APD的工作原理是利用半导体材料的雪崩倍增效应制成的。图5-1-4为拉通型雪崩光电二极管(RAPD)的结构示意图和电场分布图。4 4雪崩光电二极管雪崩光电二极管 雪崩光电二极管随使用的材料不同有：Si-APD(工作在短波长区)；Ge-

4、APD，InGaAs-APD等(工作在长波长区)。Si-APD性能较好，它工作在0.85m附近，倍增增益高达1001000，暗电流很小；Ge-APD工作在长波长区，它的倍增增益一般不超过15，过剩噪声大，暗电流也很大，限制了倍增增益及检测灵敏度。InGa/InP或InGaAsP/InP-APD工作在长波长区有较好的性能，从结构上，类似于Si-RAPD如图5-1-5所示，吸收区和倍增区分开，因此又称为SAM-APD。图5-1-5 台面型SAM-APD结构示意图 图5-1-6 台面型SAGM-APD结构示意图SAM-APD的暗电流可低于10nA，量子效率可达80%。为了提高速度，设计制造了SAGM

5、-APD，见图5-1-6即在InGaAs和InP之间插入薄薄的InGaAsP渐变层，厚约0.3m，以降低带隙的不连续性，提高响应速度。SAGM-APD在G为20时，暗电流小于20nA，增益带宽可达70GHz工作带宽大于5GHz。5.2 5.2 光电检测器的工作特性光电检测器的工作特性 光电检测器的工作特性参数很多，光电检测器的工作特性参数很多，PIN-PIN-PDPD的主要工作特性有的响应度和量子效的主要工作特性有的响应度和量子效率、响应时间、暗电流等，由于率、响应时间、暗电流等，由于APDAPD有雪有雪崩倍增效应，所以崩倍增效应，所以APDAPD除了上述参数外还除了上述参数外还包括倍增因子、

6、过剩噪声指数等。包括倍增因子、过剩噪声指数等。1 1响应度和量子效率响应度和量子效率 响应度是描述这种器件光电转换能力的物理量。描述这种器件光电转换能力也可以从另一个角度描述，这就是量子效率，定义为产生的光生电子-空穴对数占入射光子数的百分比。PIN和APD的响应度与入射光的波长有关，Si-PIN和Si-APD的波长响应范围为6001000nm，对检测0.85m的光非常有效。Ge-PIN和Ge-APD或InGaAs-PIN、InGaAsP-PIN和InGaAs-APD范围为1 0001 650nm，可以接收1 310nm和1 550nm的光信号。2 2响应时间响应时间 响应时间是描述光电检测器

7、对光信号变化响应速度快慢程度的物理量，一般用上升时间和下降时间来表示。所谓上升时间是PD受阶跃光脉冲照射时，输出脉冲前沿的10%点到90%点之间的时间间隔来衡量，如图5-2-1所示。光电检测器的响应时间受三个因素影响：1)1)渡越时间渡越时间 2)2)扩散时间扩散时间 3)3)电路的影响电路的影响暗电流暗电流IdId是指在是指在PINPIN规定的反向电压或规定的反向电压或者者APDAPD的的90%90%击穿电压时，在无入击穿电压时，在无入射光情况下器件内部的反向电流。暗射光情况下器件内部的反向电流。暗电流将引起光接收机噪声增大。因此，电流将引起光接收机噪声增大。因此，人们总是希望器件的暗电流越

8、小越好。人们总是希望器件的暗电流越小越好。3 3暗电流暗电流对于APD，由于发生雪崩倍增效应，所以APD还需要用倍增特性来描述。APD的倍增特性有倍增因子G、过剩噪声指数x等。4 4倍增特性倍增特性5.3 5.3 光接收机光接收机1 1光接收机的组成光接收机的组成直接检测数字光纤通信接收机一般由三个部分组直接检测数字光纤通信接收机一般由三个部分组成，即光接收机的前端、线性通道和数据恢复成，即光接收机的前端、线性通道和数据恢复三个部分，如图三个部分，如图5-3-15-3-1所示。所示。1)1)光接收机前端光接收机前端 光接收机前端的作用是将光纤线路末端光接收机前端的作用是将光纤线路末端耦合到光电

9、检测器的光比特流转变为时耦合到光电检测器的光比特流转变为时变电流，然后进行预放大，以便后一级变电流，然后进行预放大，以便后一级进一步处理。进一步处理。光接收机前端的一般由光电检测器和前光接收机前端的一般由光电检测器和前置放大器组成。置放大器组成。根据不同的应用要求，前端的设计有三根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案。种不同的方案。(1)(1)低阻抗前端。低阻抗前端。(2)(2)高阻抗前端高阻抗前端 (3)(3)跨跨(互互)阻抗前端阻抗前端 2)线性通道线性通道光接收机的线性通道由一个高增益的主放大器和光接收机的线性通道由一个高增益的主放大器和一个均衡滤波器组成，还应包括峰值检测和自一

10、个均衡滤波器组成，还应包括峰值检测和自动增益控制动增益控制(AGC)(AGC)电路，用来控制放大器增益。电路，用来控制放大器增益。因为主放大器和一个均衡滤波器起一个线性系因为主放大器和一个均衡滤波器起一个线性系统的作用，故可称为线性通道，如图统的作用，故可称为线性通道，如图5-3-45-3-4所所示。示。主放大器的作用有两个方面：主放大器的作用有两个方面：（1 1）将前置放大器输出的信号放大）将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。到判决电路所需要的信号电平。（2 2）它还是一个增益可调节的放大）它还是一个增益可调节的放大器。器。4 4数据恢复数据恢复数据恢复电路由判决电路和时钟

11、恢复电路组成，如果需要与电端机接口，还需要解码、解扰和编码电路，如图5-3-6所示。信号的再生过程可以通过图5-3-8所示的这个例子很明显地看出来。(1)钳位电路 (2)温度补偿电路 (3)告警电路。2.2.辅助电路辅助电路3.3.光接收模块和集成光接收机光接收模块和集成光接收机 光接收模块是指将包括PD管芯和前置放大器以及阻抗匹配电路和电路状态监视/警示电路，再加上若干光学元件集成在一个管壳内并形成光接收功能的器件。集成光接收机与光接收模块不同，它是采用集成电路工艺技术把所有的元件集成在一个芯片上。集成光接收机设计制造有两种方案，一种称为混合集成光接收机，它将电子器件集成在GaAs芯片上，而

12、将光电二极管制造在InP芯片上，然后将InP芯片按图5-3-11所示倒装式接合法，堆叠在GaAs芯片上，使这两个芯片连接起来。4.光收发一体模块光收发一体模块光收发一体模块是将传统的分离发射、接光收发一体模块是将传统的分离发射、接收组件合二为一密封在同一管壳内的新收组件合二为一密封在同一管壳内的新型光电器件。它具有如下优点：小型化、型光电器件。它具有如下优点：小型化、低成本、高可靠性和高性能，在数据通低成本、高可靠性和高性能，在数据通信和电信传输中均有广阔的应用前景。信和电信传输中均有广阔的应用前景。5.4 光接收机的噪声1 1数字光纤通信系统的信号变换特点数字光纤通信系统的信号变换特点在数字

13、光纤通信系统中，传输的是由在数字光纤通信系统中，传输的是由“0 0”和和“1 1”组成的组成的二进制光脉冲信号，这是一种单极性码，即光功率在二进制光脉冲信号，这是一种单极性码，即光功率在“接通接通”(“1 1”码码)和和“断开断开”(“0 0”码码)两个电平上变动。两个电平上变动。按照按照“1 1”码时码元周期码时码元周期T T的大小，分为归零码的大小，分为归零码(RZ(RZ码码)与与非归零码非归零码(NRZ(NRZ码码)两种，见图两种，见图5-4-15-4-1。显然，。显然，RZRZ码的占码的占空比为空比为0.50.5，而，而NRZNRZ码的占空比为码的占空比为1 1。图5-4-2为数字光纤

14、通信系统中数字脉冲传输过程的变换特点。需要传输的信号(话音、图像及数据等)经数字化后调制光源，产生的矩形光脉冲进入光纤传输后到达系统终端光接收机。如果光纤线路较短，光脉冲形状变化不大，仍近似为矩形。但如果光纤线路较长，由于色散及损耗，光脉冲信号不但已经非常衰弱，而且产生了严重失真，脉冲形状基本上已成钟形，这是一种最常见的情况。经光检测器检测及放大器放大滤波后，信号变得足够强(13V)，但同时也叠加了接收机噪声。随后的判决电路把每个码元的信号与某个参考电平(称为判决电平)进行比较，如接收信号电平大于判决电平，被认为接收到的是“1”码，反之则为“0”码，最后恢复出原来发送的信息。数字信号传输过程中

15、由于叠加噪声及波形失真等原因，会使原来发送的“1”码，在接收端判决时被误判为“0”码；原来发送的“0”码，可能被误判为“1”码。产生误码的主要原因是光接收机的噪声特性和系统带宽。2 2光接收机的噪声源光接收机的噪声源(1)量子噪声 量子噪声是与光信号有关，出现这种噪声的原因可以这样解释：光信息的传播是由大量的光量子传播来进行的，这些大量的光量子其相位都是随机的，因此光电检测器在某个时刻实际接收到的光子数，是在一个统计平均值附近浮动，因而产生了噪声。从噪声产生的过程看出，这种噪声是顽固地依附在信号上的，用增加发射光功率，或采用低噪声放大器都不能减少它的影响。因而，它限制了光接收机的灵敏度指标(这

16、个指标的准确定义将在后面介绍)。（2）散粒噪声 即使单位时间内接收的平均光子数是恒定的，PD产生的光生电流也是一种随机电流，它围绕着一个平均值起伏，这种无规律的起伏就是PD的散粒噪声。它包括：雪崩倍增噪声、暗电流及漏电流噪声等。雪崩倍增噪声是APD的光电倍增作用引入的噪声；暗电流噪声是当没有光照射时，光电检测器仍有电流输出，这就是暗电流，又因为各种激励条件是随机的，暗电流亦是随机浮动的暗电流噪声；漏电流噪声是由于器件表面物理特性不完善所形成的。（3）负载电阻的热噪声 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，一个电阻中的这种随机脉冲，即使没有外加电压也表

17、现为一种电流波动。在光接收机中，前端负载电阻中产生的这种电流波动将叠加到光检测器产生的光电流中。背景噪声即是输入光信号的热噪声，它是近似与频率无关，是一种白噪声。背景噪声一般不大，可以忽略。(4)光接收机的放大器噪声 在强度调制系统的光接收机中，把光信号变为电信号在强度调制系统的光接收机中，把光信号变为电信号之后，还要经过一系列电的放大等电路系统。在这些之后，还要经过一系列电的放大等电路系统。在这些电路中，电阻将引入热噪声：晶体管亦将引入噪声尤电路中，电阻将引入热噪声：晶体管亦将引入噪声尤其是前置放大器晶体管引入的噪声影响更为严重。在其是前置放大器晶体管引入的噪声影响更为严重。在一个多级放大器

18、中，每一级放大器都可能引入附加的一个多级放大器中，每一级放大器都可能引入附加的噪声，在每一级放大器里噪声和信号都将同样地被放噪声，在每一级放大器里噪声和信号都将同样地被放大。在这种情况下多级放大器的第一级就显得至关重大。在这种情况下多级放大器的第一级就显得至关重要。只要第一级放大器的增益足够高，后面各级放大要。只要第一级放大器的增益足够高，后面各级放大器对噪声的影响就比较小。所以我们更关心的是前置器对噪声的影响就比较小。所以我们更关心的是前置放大器的噪声。放大器的噪声。3 3噪声的评价方法噪声的评价方法 1 1）噪声的大小可以用均方值来表示）噪声的大小可以用均方值来表示 2 2）信噪比）信噪比

19、(SNR)(SNR)信噪比(SNR)是评价光接收机性能的重要指标，其定义为平均信号功率和噪声功率的比值 5.5 光接收机的误码率和接收灵敏度 1 1光接收机的误码率分析光接收机的误码率分析 对于数字光接收机，数字信号的恢复是由判决对于数字光接收机，数字信号的恢复是由判决电路判定，判决电路接收到的波动信号如图电路判定，判决电路接收到的波动信号如图5-5-5-15-1所示。所示。阴影部分表示出现错误的情况。阴影部分表示出现错误的情况。判决电路首先在由恢复时钟决定的判决时刻tD对信号采样，根据接收到的比特是“1”还是“0”，采样值围绕其平均值I1或I0波动。然后将采样值与一个阈值ID比较，若IID，

20、称采样值为1，若IID，则称为0。当考虑噪声影响时，如果对1比特，而IID，则发生错误，同样如果对0比特，而IID，则同样发生错误，这两个错误都将引起误码。设P(1)和P(0)分别为接收到“1”和“0”的概率，P(0/1)是收到“1”而错判为“0”的概率，P(1/0)是收到“0”而错判为“1”的概率，总的错判率即误码率为在PCM脉码调制比特流中，通常“1”和“0”出现概率相同，即P(1)=P(0)=1/2，因而有)0/1()0()1/0()1(PPPPBER)0/1()0()1/0()1(PPPPBER 图5-5-1(b)显示了概率函数P(I)与采样值的关系，其函数的具体形式取决于引起电流波动

21、的噪声源的统计特征。阴影部分表示出现错误的情况。对于光电检测过程，在PIN接收机中，散粒噪声is也可用高斯分布近似描述；而在APD接收机中光电检测过程是非常复杂的随机过程，不能用简单的概率密度函数描述，因此精确地求解总噪声概率密度函数是困难的。通常的近似方法是对PIN和APD接收机都认为is是一种高斯随机变量，但分别具有不同的方差。条件概率可表示为BER的近似表达式如下 对对QQ3 3，近似表达式有合理的精度，近似表达式有合理的精度，BERBER随随QQ参参数的变化趋势如图数的变化趋势如图5-5-25-5-2所示，当所示，当QQ增大时，增大时，BERBER降低了，接收机性能提高了。当降低了，接

22、收机性能提高了。当QQ7 7时，时，BERBER 。由于当由于当Q=6Q=6时，时，BER BER，因此接收机灵敏度相应，因此接收机灵敏度相应于于Q=6Q=6时的平均光功率。时的平均光功率。灵敏度是数字光接收机最重要的指标，它直灵敏度是数字光接收机最重要的指标，它直接决定光纤通信系统的中继距离和通信质量。接决定光纤通信系统的中继距离和通信质量。数字光接收机的灵敏度定义为：在保证一定数字光接收机的灵敏度定义为：在保证一定误码率的条件下，光接收机所需接收的最小误码率的条件下，光接收机所需接收的最小光功率。光功率。灵敏度越高，意味着数字光接收机接收微弱灵敏度越高，意味着数字光接收机接收微弱光信号的能

23、力就越强，当光发送机输出功率光信号的能力就越强，当光发送机输出功率一定时，则保证通信质量一定时，则保证通信质量(误码率低于某一误码率低于某一数值数值)的中继距离就越长。因此，提高数字的中继距离就越长。因此，提高数字光接收机的灵敏度，可以延长光纤通信的中光接收机的灵敏度，可以延长光纤通信的中继距离和增加通信容量。继距离和增加通信容量。2 2光接收机的灵敏度和动态范围光接收机的灵敏度和动态范围最小平均光功率最小平均光功率PminPmin，在国际单位制中，在国际单位制中，它的单位是瓦它的单位是瓦(W)(W)；而在工程上，光接；而在工程上，光接收机的灵敏率常用光功率相对值来表收机的灵敏率常用光功率相对

24、值来表示，单位是分贝毫瓦示，单位是分贝毫瓦(dBm)(dBm)。二者的换。二者的换算关系为算关系为 上式中：上式中：PminPmin单位为单位为W W；S rS r的单位即为的单位即为dBmdBm。光接收机的动态范围是在保证系统的误光接收机的动态范围是在保证系统的误码率指标要求下，光接收机最低输入光码率指标要求下，光接收机最低输入光功率功率PminPmin和最大允许光功率和最大允许光功率PmaxPmax的变化的变化范围。这个范围用范围。这个范围用D D来表示，一般在工程来表示，一般在工程上用二者上用二者(用用dBmdBm为单位描述为单位描述)之差来表示。之差来表示。一台质量好的光接收机应有较宽

25、的动态一台质量好的光接收机应有较宽的动态范围。范围。光接收机的极限灵敏度光接收机的极限灵敏度 式中：B为比特率；hf为光子的能量；为每比特的平均光子数，假设当比特“0”不携带能量，。量子极限情况下，=10。利用式（5-5-12）计算的灵敏度就是光接收机的极限灵敏度。例如，对于2.5Gbit/s的光接收机，工作波长1550nm，它的极限灵敏度为 ，约为 59.5dBm。然而，实际的光接收机的灵敏度比这一个数值要高20dB。考虑非理想条件下考虑非理想条件下 ,接收机要求的最小平均光接收机要求的最小平均光功率增大了，这个增量称为功率代价，也称灵功率增大了，这个增量称为功率代价，也称灵敏度恶化。敏度恶化。造成功率代价的因素有多种，大致可分为两类造成功率代价的因素有多种，大致可分为两类:第一类是即使没有光纤，不传输也存在，包括：第一类是即使没有光纤，不传输也存在，包括：消光比引起的灵敏度恶化，强度噪声引起的灵消光比引起的灵敏度恶化，强度噪声引起的灵敏度恶化，取样时间抖动引起的灵敏度恶化等。敏度恶化，取样时间抖动引起的灵敏度恶化等。第二类是光信号在光纤中传输时而产生的灵敏第二类是光信号在光纤中传输时而产生的灵敏度恶化。灵敏度恶化的结果是实际的光接收机度恶化。灵敏度恶化的结果是实际的光接收机的灵敏度要降低许多。的灵敏度要降低许多。