第四章 光检测和光接收机要点课件.ppt

1,第4章 光检测和光接收机,2,本章内容、重点和难点,本章内容 半导体光检测器：PIN和APD光电二极管。 光接收机。 光接收机的噪声与误码分析 接收机灵敏度分析,第4章 光检测器与光接收机,3,学习本章目的和要求, 掌握光检测器的工作原理及特性。 掌握误码、灵敏度的概念与物理意义。,第4章 光检测器与光接收机,4,第4章 光检测器与光接收机,光接收机是光纤通信系统的主要组成部分，它的性能是整个光纤通信系统性能的综合反映。由光发送机发出的光信号在光纤线路中传输时，不仅会受到损耗的影响而造成幅度衰减，同时光纤色散和非线性效应等可能会引起脉冲波形展宽，由此造成的信号质量下降，增加接收机接收信号的难度，这些都对接收机的性能提出了较高的要求。 光接收机的主要作用是将经光纤传输后幅度被衰减，波形被展宽的微弱光信号转变为电信号，并经放大处理，恢复为原来的信号 目前常用的半导体光电检测器有两种：PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。,5,6,4.1 半导体光检测器件,光电检测器的作用是将光纤输出的微弱光信号转变为电信号，它是影响接收机性能的重要器件。对光检测器的基本要求是： 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； 不需要过高的偏压或偏流，具有高可靠性和长寿命； 检测器几何尺寸小，便于与光纤耦合以及与其它电路组装。,7,4.1.1 光电二极管的工作原理,8,4.1.1 光电二极管的工作原理,最基本的半导体光检测器是由反向偏置的PN结构成的。在半导体材料的PN结面上，由于电子和空穴的扩散形成了内部的自建电场，它使电子和空穴产生了与扩散方向相反的漂移运动。在PN结界面附近形成了高电场的耗尽区。在耗尽区两边，电场基本为0，称为扩散区。 耗尽区和扩散区均为光子的吸收区，在入射光照射下，要吸收光能量产生光生载流子。,9,4.1.1 光电二极管的工作原理,半导体材料的光电效应,10,4.1.1 光电二极管的工作原理,光生载流子慢扩散使响应变慢,限制因素：由于光生载流子扩散速度慢于漂移速度而引起的响应变慢现象 解决方法：1）加反向偏压增加耗尽区的宽度，减少光生电流中的扩散分量，同时强电场也会加快光生载流子的漂移速度。2）结构优化：如减小p区和n区的厚度，采用PIN和APD结构等,11,4.1.2 PIN光电二极管,PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，加一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，其原理如图所示。,PIN光电二极管,12,4.1.2 PIN光电二极管,I层较厚，几乎占尽了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。 带隙选取时光仅在I区吸收，如InGaAs做本征层（吸收波长1.31.6um），P+-InP层的吸收波长0.9um。 但过大的耗尽区宽度将延长光生载流子在耗尽区漂移的时间，反而导致响应变慢，因此，可通过控制耗尽区的宽度w，来改变器件的响应速度。,13,4.1.2 PIN光电二极管,I层较厚，几乎占尽了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。 带隙选取时光仅在I区吸收，如InGaAs做本征层（吸收波长1.31.6um），P+-InP层的吸收波长0.9um。 但过大的耗尽区宽度将延长光生载流子在耗尽区漂移的时间，反而导致响应变慢，因此，可通过控制耗尽区的宽度w，来改变器件的响应速度。,14,4.1.2 PIN光电二极管,2PIN光电二极管的主要特性 PIN管特性包括截止波长、响应度、量子效率、响应速度和暗电流（1）截止波长与吸收系数 只有入射光子的能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg，才能产生光电效应。因此对一种特定材料的检测器存在着一个下限频率fc和相应的上限光波长c。,只有波长小于c的光才能使用由这种材料做成的器件检测。c称为器件的截止波长。,15,* 吸收系数与穿透效应 其中：a为材料吸收系数，1/a为光在半导体中的穿透深度。 a越小，可设计的本征层厚度越大，光子入射该区域被吸收的概率越高。且随光波长减小而变大。在光波长很短时，光在半导体表面就被吸收殆尽，使得光电转换效率很低。这限制了PIN在较短波长上的应用。 由上分析可见：要检测某波长的入射光，必须要选择由适当材料做成的检测器。既要求禁带宽度决定的截止波长要大于入射光波长，又有合适的吸收系数，以免降低光电转换效率。,4.1.2 PIN光电二极管,16,（2）响应度和量子效率 响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。 响应度 响应度定义 （A/W）（3-10） 其中，Ip为光电检测器的平均输出电流，Pin为入射到光电二极管上的平均光功率。,4.1.2 PIN光电二极管,17,4.1.2 PIN光电二极管, 量子效率 量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即 变化后: 结论: 光电二极管的响应度和量子效率与入射光频率（波长）有关；对于某种既定的PIN光检测器，通常具有最佳工作波长。,18,PIN光电二极管响应度 、量子效应率 与波长 的关系,4.1.2 PIN光电二极管,19,4.1.2 PIN光电二极管,（3）响应速度 响应速度是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态。一般用响应时间或截止频率fc(带宽B)表示。 取决于RC上升时间、载流子渡越时间、载流子扩散时间。 *对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%定义为脉冲上升时间RC。 *载流子的渡越时间d=w/v 减小耗尽层的宽度w或者增加光电二极管的反向偏压都可以缩短渡越时间。,20,4.1.2 PIN光电二极管,（4）暗电流 在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由于热激励等，在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。 严格地说，暗电流应包括体暗电流和漏电流两部分。前者由半导体材料及掺杂浓度决定，后者由半导体表面的缺陷引起。通常用暗电流密度来表示(单位面积上的暗电流)。 暗电流的存在会限制光电二极管所能检测的最小光功率，引起接收机的噪声增大，降低接收机的灵敏度。因此，器件的暗电流越小越好。,21,4.1.2 PIN光电二极管,（5）噪声 噪声包括散粒噪声(Shot Noise)(由信号电流和暗电流产生) 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 i2sh=2e(IP+Id)B 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。 2）热噪声 负载电阻的热噪声。,i2T=,22,4.1.3 雪崩光电二极管,雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche Photo Diode）。它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。1APD的工作原理和结构 APD的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞电离，产生的二次电子空穴在强电场中又被加速，再次碰撞，再次电离，如此循环下去，形成连锁反应，致使耗尽层内的载流子数雪崩似的急剧增加，通过二极管的电流也就猛增，这就是雪崩倍增效应。 APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器，其噪声特性优于PIN+FET的组合结构。,23,4.1.3 雪崩光电二极管,24,4.1.3 雪崩光电二极管,结构：对P区、n区进行重掺杂，并在I区和n区之间引入一层P区作为碰撞电离层，即增益区，以产生二次电子-空穴对。 目前APD有保护环型和拉通（又称通达）型。 拉通型雪崩光电二极管（RAPD）的结构示意图和电场分布如图所示。图（a）所示的是纵向剖面的结构示意图。图（b）所示的是将纵向剖面顺时针转90的示意图。图（c）所示的是它的电场强度随位置变化的分布图。 APD随使用的材料不同有几种：Si-APD（工作在短波长区）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在长波长区）等。,25,4.1.3 雪崩光电二极管,RAPD的结构图和能带示意图,26,2APD的特性 APD除了PIN的特性之外还包括雪崩倍增特性、温度特性等。 （1）倍增因子g(平均倍增G） 倍增因子g实际上是电流增益系数,定义为倍增的光电流与初始光生电流之比，一般用平均倍增G表示。 电流增益系数G与外加的偏压有关。偏压上升，耗尽层的电场增强，使靠近雪崩区的部分电场超过碰撞电离所需的最低电压，拓宽雪崩区，倍增作用变大。,4.1.3 APD检测器的特性,27,G随偏压的变化，使雪崩管可以提供适当的动态范围。如 图，其动态增益范围达11dB，大大减轻后面放大器的动态范围要求。 G与入射波长、温度有关。 （2）温度特性 环境温度对APD的特性有很大的影响。随着温度的升高，倍增因子将下降，暗电流更加严重。因此必须增加温度补偿措施。,4.1.3 APD检测器的特性,28,（3）噪声特性 PIN管的噪声源主要是“散粒噪声”。对于APD而言，雪崩过程会对初始电流“散粒噪声”产生倍增作用，称雪崩倍增噪声。此外，雪崩过程也是随机的，引起电流起伏产生倍加噪声成分，故噪声按2F(G)比例增加。 用倍增指数x对F(G)近似表示： x值与制造器件的材料和工艺等因素有关。 Si-APD的x= 0.30.5，Ge-APD的x=0.81.0，InGaAs-APD的x=0.50.7 APD的倍增因子随工作偏压的增大而增加，但噪声随之增大的速度更快，存在一个最佳倍增因子opt。最佳被增因子可以通过对接收机的实际调整来得到。,4.1.3 APD检测器的特性,29,（3）APD响应度和量子效率 *APD光生电流倍增G倍，故响应度比PIN提高了G倍。 *量子效率只与初始载流子数目有关，与倍增无关。 （4）APD的线性饱和,4.1.3 APD检测器的特性,PIN广泛应用于光纤通信系统，尤其在灵敏度要求不高的低速率系统（622Mb/s），通常制作成PIN-FET组件使用；APD多用于光接收机要求较高的场合，如小信号测量或延长系统传输距离。,30,4.2 光接收机,直接检测数字光接收机主要由光接收电路和输出接口电路组成，主要包括光检测和前置放大器、主放大器、自动增益控制（AGC）电路、均衡器、基线处理、定时判决与时钟提取以及等。 光接收机的主要性能指标： 接收灵敏度：反映了接收机检测微弱信号的能力 ； 误码率或信噪比：衡量数字系统传输质量好坏的主要指标； 动态范围：反映了接收机适应输入信号变化的能力；,31,4.2.1 光接收机的基本组成,光电检测器光信号转变为电信号。光电检测的输出信号电流很小，必须由低噪声、宽频带的前置放大器进行放大。光电检测器和前置放大器构成接收机端，其噪声性能决定灵敏度的主要因素。 主放大器与均衡器对信号进行高增益的放大并对经传输和放大后的失真信号进行补偿，整形，提高信噪比，减少误码率，使输出的脉冲适合判决的要求。 基线处理是将信号的基线（低电平）固定在某一电平上，解决信号的基线漂移，以便于判决。 定时判决与时钟提取电路作用是从收到的带有噪声和畸变的波形中识别信码“1”和“0”，由再生电路重新产生和发端一样的数字脉冲序列。从判决电路输出的数字信号至接口的译码电路进行码型反变换，恢复原来的码型。,32,4.2.1 接收电路,1光检测与前置放大 光纤线路传输后，到达接收端已经很微弱。检测器输出的电流仅在nA数量级。所以必须采用多级放大将微弱的电信号放大至判决电路能正确识别。 由于信号微弱又带有噪声，如果采用一般的放大器进行放大，放大器本身就会将前一级放大器所引入的噪声也进行放大，信噪比并没有得到改善。因此多级放大器的前级必须满足低噪声、高增益的要求，改善信噪比，因此必须选择一个高性能的前放。 前置放大器的的类型目前有3种：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器（或跨导前置放大器,等效电路如后图）。,33,4.2.1 接收电路,(a) 双极型晶体管； (b) 场效应管； (c) 跨阻型,三种类型前置放大器的比较： (1) 双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低， 电路时间常数RC小于信号脉冲宽度T，因而码间干扰小，适用于高速率传输系统。 (2) 场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高， 噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。 (3) 跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。 ,34,4.2.1 接收电路,4.2.1 接收电路,35,4.2.1 接收电路,2主放大器和均衡放大器 信号经前置放大器输出仍然比较微弱，不能满足幅度判决的要求，因此还必须加以放大。其作用是： 1）提供足够的增益 2）并通过它实现自动增益控制(AGC)，使输入光信号在一定范围内变化时， 输出电信号保持恒定。,36,4.2.1 接收电路,均放电路的主要作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进行均衡补偿，减小误码率。如成为升余弦频谱脉冲。,37,4.2.1 接收电路,3基线与定时再生 由于传输线路上所传送的码流中“0”、“1”分布并不均匀，并不可避免地有连续的“0”或连续的“1”出现，使得信号中的直流成分有起伏变化，这种信号在接收机中处理时，因各级间的耦合均为RC耦合，这会使信号的基线(低电平)随直流成分的变化而漂移。这种漂移严重时，会使判决产生误码。 虽然线路码型变换使码流中的“0”、“1”分布尽可能均匀，信号中的直流分量尽可能恒定，但难以达到理想程度。因此在定时再生电路中，首先要对基线漂移进行处理，即将信号的基线（低电平）固定在某一电平上。然后进行幅度判决，再经过时钟提取，还原出幅度和时钟准确的再生信号。,38,4.2.1 接收电路,39,4.2.2 输出/其他电路,输出电路是光端机接收部分在定时再生之后的信号处理部分。通常包括线路码型反变换（包括解扰码）、输出接口两大部分。线路码型反变换将送过来的光线路码还原成普通二进制码，输出接口将二进制码变换成符合ITU-T建议的输出信号给数字复用设备。在“光电合架”设备中，可省输出接口，将码型反变换部分和光接收电路装在同一块机盘中。 其他电路： *告警电路 *倒换电路 *公务电路 * 电源电路,40,4.3.1 光接收机的主要噪声,光接收机的噪声有两部分： 外部电磁干扰产生： 其危害可以通过屏蔽或滤波加以消除； 内部产生： 是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。我们要讨论的是内部产生的随机噪声。 ,41,4.3.1 光接收机的主要噪声,光接收机的内部噪声包括输入噪声、散粒噪声和热噪声。如图 输入噪声：随信号来，在光发送机和传输过程产生，如消光比和码间干扰、光功率的动态波动等。 散粒噪声包括量子噪声、暗电流/漏电流噪声和APD倍增噪声 热噪声主要是前置放大器的噪声（包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声）、负载电阻的热噪声。,42,1）PIN的噪声性能。 对于光检测器的噪声，采用的主要方法是从建立噪声的数学模型着手进行分析。假定有固定P(t)的光脉冲入射光电管，其产生电子-空穴对的总数和产生的时间tn都是泊松分布随机过程。每秒产生的电子-空穴对平均数： 在t,t+T时间小段内产生电子-空穴对总数的概率分布为：,4.3.2 光检测器的噪声分析,43,在数字光通信系统中，如发“1”码，接收端收到光脉冲能量为Ed，应该产生电子。如发“0”码，接收端收收不到光能量，不产生电子。故只有发“1”码时，接收端存在一定的概率不产生电子，发生误码，其大小为：,在时间T段内，光功率P(t)的积分就是总能量Ed，如果脉冲宽度为T秒，则T秒内产生的平均电子数为：,4.3.2 光检测器的噪声分析,如果规定误码率指标为不超过Pe=10-9，则最小必须接收的光脉能量为：,44,光接收机的误码主要由散粒噪声、倍增噪声、热噪声等综合的总噪声引起。误码的多少及分布不仅和总噪声的大小有关，还与总噪声的分布有关。入射光子在PIN内产生的电子或在APD内产生的一次电子通常服从泊松分布。但经过电子倍增，再经放大、均衡后，噪声分布变得很复杂。通常假定总噪声服从高斯分布进行简化计算。,4.4 光接收机的误码率,I1是“1”码的电流，I0是“0”码的电流。 Im是“”码的平均电流，而“0”码的平均电流为0。D为判决门限值，一般取D=Im/2。,45,误码率BER 定义为：BER= 错误接收的码元数/传输的码元总数要确定误码率，不仅要知道噪声功率的大小，而且要知道噪声的概率分布:,4.4 光接收机的误码率,*在“”码时，如果在取样时刻带有噪声的电流I1D，则可能被误判为“”码。 *假设噪声电流(或电压)的瞬时值服从高斯分布，其概率密度函数为:,46,在判决点上电压超过V0的概率即为”0”码误为”1”的概率 :,在发“0”码时， 平均噪声功率N0=NA，NA为前置放大器的平均噪声功率。这时没有光信号输入，光检测器的平均噪声功率ND=0 (略去暗电流)。则发“0”码的条件下噪声的概率密度函数为 :,4.4 光接收机的误码率,收“1”码时， 平均噪声功率N1=NA+ND，这时噪声电流的幅度为I1-Im，判决门限值仍为D，则只要取样值Im-I1Im-D或I1-Im D-Im，就可能把“”码误判为“0”码:,47,其中 Q值表示判决点门限值与噪声电压（电流）有效值的比值，称为超扰比，含有信噪比的概念。不同Q值对应不同的误码率值。,误码率e,01和e,10不一定相等,但对于0/1码等概率出现的码流, 可以通过调节判决器门限D,使e,01=e,10,从而获得最小误码率.此时总误码率为:,4.4 光接收机的误码率,48,4. 光接收机的关键指标,（）光接收机的灵敏度 光接收机的灵敏度是指在系统满足给定误码率指标的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分贝（dBm）来表示，即 （2）光接收机的动态范围 光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最低输入光功率（dBm）和最大允许输入光功率（dBm）之差（dB）。,49,光接收机灵敏度是表征光接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号的能力。它可用下列三种: *输入的最小平均光功率PR； *每个光脉冲的最低平均光子数n0； 每个光脉冲的最低平均能量Ed。三者的表示方法有所不同，但物理意义是一致的；对码于等概率出现的码，三者之间的关系：,4.5.1 光接收机的灵敏度,例：某接收机在保证10-9误码率的条件下,所需要的最小光功率为15.8nw,则灵敏度为:-48dBm,50,*理想光接收机的灵敏度:,4.5.2 灵敏度的计算,理想光接收机的灵敏度仅与光信号速率、光波频率、检测器的量子效率有关！,*PIN光接收机的灵敏度: *工程中灵敏度的计算（Mb/s):,51,例题一：PIN光接收机的灵敏度Pr为-35dBm, 动态范围为15dB，若接收到的光功率为20W，问系统能否正常工作？,4.5.2 综合计算,52,例题二: 一个GaAs PIN光电二极管平均每三个入射光子产生一个电子空穴对.假设所有的电子都被收集: 1)计算该器件的量子效率. 2)在0.8um波段接收功率是10-7W,计算平均输出光电流. 解:,4.5.2 综合计算,53,飞通2.5Gb/s APD组件及参数,2.5Gb/s、APD-TIA同轴带尾纤的光检测器组件（内置AGC电路，差分输出，采用5针带尾纤封装）,54,4.5.3 小尺寸封装的收发模块,55,4.6 光中继机,光电光中继3R全光中继1R,56,4.6 光转发器,