光纤通信原理课件.ppt

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1、第五章 光电探测器和光接收机,光电检测器完成光/电信号的转换。其基本要求是： 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； 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； 具有较小的体积、较长的工作寿命等。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。,光电检测器,光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换。 光电效应如图5-1（a）和（b）所示。 当入射光子能量hf 小于禁带宽度Eg时，不论入射光有多强，光电效应也

2、不会发生，即产生光电效应必须满足以下条件 hf Eg （5-1）,第一节 光电检测器的工作原理半导体光电效应,图5-1 半导体材料的光电效应,半导体材料的光电效应,光频 fc 的入射光是不能产生光电效应的，将fc 转换为波长，则 c= 。即只有波长 c 的入射光，才能使这种材料产生光生载流子，故c 为产生光电效应的入射光的最大波长，又称为截至波长，相应的fc 称为截至频率。,截至波长与截至频率,一、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，如

3、图5-3（a）所示。这样可以提高其响应速度和转换效率。结构示意图如图5-3（b）所示。,第二节 光纤通信中常用的半导体光电探测器,PIN光电二极管结构示意图,图5-3 PIN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。,二、雪崩光电二极管（APD）,1APD的雪崩倍增效应,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，使价带的电子得到了能量；越过禁带到导带，产

4、生了新的电子空穴对；新产生的电子空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子空穴对如此循环下去，形成雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增。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。,2APD的结构,目前APD结构型式，有保护环型和拉通（又称通达）型。保护环型在制作时淀积一层环形N型材料，以防止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。拉通型雪崩光电二极管（RAPD）的结构示意图和电场分布如图5-4所示。图5-4（a）所示的是纵向剖面的结构示意图。图5-4（b）所示的是将纵向剖面顺时针转90的示意图。图5-4（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

5、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,图5-4 RAPD的结构图和能带示意图,RAPD的结构图和能带示意图,PIN管特性包括响应度、量子效率、响应时间和暗电流。APD管除有上述特性外，还有雪崩倍增特性、温度特性等。 1PIN光电二极管的特性 （1）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）（5-3） 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。,第三节 光电检测器的特性,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

6、射光子数之比，即 （5-4） 其中，e为电子电荷，hf 为一个光子的能量， （5-4）式中 m/s为光速， s为普朗克常数。 也就是说，光电二极管的响应度和量子效率与入射光频率（波长）有关。, 量子效率,硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系。,硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系,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（上升时间和下降时间）来表示。显然响应时间越短越好。响应时间光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90，或由后沿的90%下降到10%的时间定义为脉冲上升时间和脉冲下降时间。,（2）响应时间,（3）暗电流,在理想条件下，当没有光照时，

7、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，暗电流还应包括器件表面的漏电流。暗电流会引起接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。,PIN光电检测器的一般性能,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 倍增因子g实际上是电流增益系数。在忽略暗电流影响的条件下，它定义为 g=I0/Ip （3-13） I0为有雪崩倍增时光电流平均值，Ip为无倍增效应时光电流平均值。PIN管由于无雪崩倍增作用，所以g=1。 （2）温度特性 随着温度的升高，倍增增益将下降。,2. APD的特性,（3）APD

8、噪声特性,PIN管的噪声，主要为量子噪声和暗电流噪声，APD管还有倍增噪声。,过剩噪声因子F 是由于雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数。设 （x是附加噪声指数），则APD的均方量子噪声电流为 同理，APD的均方暗电流噪声电流为 附加噪声指数与器件所用材料和制造工艺有关，Si-APD 的x=0.30.5,Ge-APD的x= 0.81.0,InGaAs-APD的x =0.50.7。,APD光电检测器的一般性能,第四节 数字光纤通信接收机,光接收机作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机，

9、并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端。前端性能是决定光接收机的主要因素。,强度调制直接检波（IM-DD）的光接收机方框图如图5-6所示，主要包括光电检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。,图5-6 数字光接收机方框图,一、数字光接收机的基本组成,1光电检测器：光电检测器是把光信号变换为电信号的关键器件，对其要求是： 在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光电检测器能输出尽可能大的光电流。 波长响应要和光纤的3个低损耗窗口兼容。

10、 有足够高的响应速度和足够的工作带宽。 产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。 光电转换线性好，保真度高。 工作性能稳定，可靠性高，寿命长。 功耗和体积小，使用简便。,二、各组成部分功能,光检测器的应用选择,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。PIN光电二极管具有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。要视具体应用场合而选定。从简化接

11、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。,光接收机的放大器包括前置放大器和主放大器两部分。 对前置放大器要求是较低的噪声、较宽的带宽和较高的增益。 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）。,2前置放大器,一般采用场效应晶体管(FET)。PIN/FET和APD/FET。,光接收机的前置放大电路,(a) 双极性晶体管,(b) 场效应管,(c) 跨阻型,三种前置放大电路比较,双极性晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低，电路时间常数小于信号脉冲宽度，因而码间干扰小，适用于高速系统。场效应管前置放大器的主要特点是输入

12、阻抗高，噪声小，高频特性差，适用于低速系统。跨阻型前置放大器的主要特点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。,光接收机的线性通道,3. 主放大器,一般是多级放大器，它的功能主要是:提供足够高的增益，把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号电平。并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号应保持恒定输出。 主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。,均衡器的作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进行均衡补偿，形成有利于判决的波形。减小误码率。,4均衡器,5.再生电路：判决再生与时钟提取（恢复）,任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数

13、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。,AGC就是利用反馈环路来控制主放大器的增益。AGC的作用是增加了光接收机的动态范围。 自动增益控制（AGC）电路原理框图如图5-12所示。,图5-12 自动增益控制电路原理框图,6.光接收机动态范围与自动增益控制（AGC）,AGC电路工作原理,前置放大,运放,(b)双栅极场效应管AGC控制电路,+,+,Vc,数字光接收机重要指标有光接收机的灵敏度和动态范围。 （1）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

14、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 (4-2),第五节 光接收机的重要指标,误码率（BER）： 接收机判决电路 错误确定一个比 特的概率。,误码率（BER）,光接收机灵敏度的恶化,实际光发送机发出的光信号并非理想比特流，并在光纤传输过程中可能变形。在这种非理想条件下，与仅考虑接收机噪声而导出的灵敏度值相比，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，也称灵敏度恶化。其影响因素很多。,（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

15、差（dB）。即 (59),第六节 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。,量子噪声,暗电流噪声：当没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。,暗电流噪声,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。,漏电流噪声,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倍增噪声,热噪声：主要指前置放大器噪声，其中包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声。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。,光接收机的电路噪声热噪声,