光纤通信第三章

光接收机的类型

直接检测：IM-DD光接收机
平衡接收机

相干检测
相干接收机
IM-DD数字光接收机原理框图
数据恢复
光信号 光检测器
前置放大器
主放大器 均衡器 判决器
再生码流
译码器
偏压控制
AGC 电路
时钟 提取
接收机前 端
线性通道
1.光接收机的性能指标
1) 误码率
Ne Ne BER Nt Bt
第 3 章 光接收机
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 光接收机简介 光电检测器 放大电路及其噪声 光接收机的灵敏度 光接收机的组成模块 相干检测光接收机简介
驱动电路
中继器
光电二 极管 光纤 放大器
调制器
光源
光纤
判决器
光接收机 光接收机是光纤通信系统的重要组成 部分，其作用是将光信号转换回电信 号，恢复光载波所携带的原信号。
工作原理
光电效应+碰撞电 离、雪崩倍增效 应。
初始电子空穴对 二次电子空穴对
工作原理和倍增过程
1、根据光电效应，当光入射到PN结时， 光子被吸收而产 生电子 - 空穴对。 2、如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子(一次电
子)在高电场区获得足够能量而加速运动。
3、高速运动的电子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子电离，产生
其中B＝1/Tb 比特速率
例如：误码率为10-9,代表平均每发送十亿个脉冲有一个误码出现。
光纤电信系统典型误码率范围是10-9到10-12
2）灵敏度
灵敏度Sr:在满足误码率或信噪比的条件下，光接收机最低接
收的平均光功率〈P〉min，并以dBm为单位。由定义得到
Pmin S r 10 lg 3 dBm 10
响应度随波长增加而增大，（光子能量低于带隙能量时，
公式失效）原因？
P out P in exp( w)
P =P （ ） in P out =P in 1 exp( w) 吸收
p吸收 = (1-r)p0exp(- w1 )1 exp( w)

p吸收 P0 =(1-r)exp(- w1 )1 exp( w)
hc / Eg
hc 1.24 = （ m） Eg Eg (eV )
0.5 1.0 m 1.0 1.6 m
当入射波长太短时，大量光子在 零场区被吸收，光电转换效率会 下降。 Si材料的PD：0.5-1.0 m
Ge 或InGaAs材料：1.1-1.6 m
3）响应速度

常用上升、下降时间表示。
3.4 光接收机的灵敏度
灵敏度Sr: 在满足误码率或信噪比的条件下，光接 收机最低接收的平均光功率〈P〉min ，并以 dBm为单位。由 定义得到
Pmin S r 10 lg 3 dBm 10
灵敏度的影响因素
1）检测器和放大器噪声的影响 2）比特速率的影响
pmin T pmin T
1 1
（2）
exp(- w1 )1 exp( w)
提高量子效率需要采取以下措施：
减小入射表面的反射率 增加耗尽区宽度, 减小零电场区的厚度（采用PIN结构）
不同材料光电二极管的响应度曲线
e0 h
2）响应波长
光电效应满足条件：
hv Eg
即
截止波长： c = 响应波长：Si: Ge , InGaAs:
影响因素： 光电二极管结电容及其负载电阻的RC时间常数 载流子在耗尽区里的渡越时间

耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟
4）暗电流
无光照时光电二极管的反向电流--暗电流噪声
3.2.3 雪崩光电二极管
1、结构 在n与I之间加一个轻掺杂的P， 且两端外加反向偏压 （200V左右）
2、工作原理
灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光 信号的能力。
3）光接收机的动态范围
在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最 低输出光功率（用dBm来描述）和最大允许输入光 功率（用dBm来描述）之差（dB）。 Pmax 3 Pmax Pmax Pmin 10 D 10lg 3 10lg 3 10lg 10lg (dB) Pmin 10 10 Pmin 103
光 抗反射膜 P＋
电极
(n)
N＋ E 电极
2、工作原理 如果断开电路？ 则不会有电流 只有电势
当光从P区一侧入射，则光能量在被吸收的同时仍继续 向 N区一侧延伸吸收，在经过耗尽层时，由于吸收光子能量， 电子从价带被激励到导带而产生电子空穴对（即光生载流 子），并且在耗尽层空间电场作用下，分别向N型区和P型区 相互逆方向作漂移运动，并在外部电路形成光电流。
2) 信号预处理
3）锁相环路
3） 声表面波滤波器
2 (0 ) V 0
L
G与反向电压有关：
存在雪崩击穿电压
G
1 1 V IRS / VB
m
3） APD的结构
(1)Si-APD结构 拉通型RAPD 保护环型（GAPD）
4）APD的倍增噪声
F (G) G
过剩噪声指数x；
x
F (G)
； APD过剩噪声系数
APD放大噪声比放大信号多10倍
工作原理----受激吸收 入射光子能量满足 hv E 时 g
产生电子 --空穴对 电场的作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动
电子到N区，空穴到P区，外电路吸收，形成光生电流
3.2.2 PIN型光电二极管
1、结构 I层：接近本征的N区 P层： P型半导体 N层： N型半导体
I层作用：增加了耗尽层宽度。提高响应速度、光电 转换效率。
3、PIN光电二极管主要特性参数
1）光电转换效率
量子效率η：
光生电子对 空穴对 I P / e0 I P h 入射光子数 P0 / h P0 e0
响应度R： 一次光生电流IP和入射光功率P0的比值
I P e0 R ( A / W ) P0 h
I P ( m) R P0 1.24
பைடு நூலகம்
第三章
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
光接收机
光接收机简介 光电检测器 放大电路及其噪声 光接收机的灵敏度 光接收机的组成模块 相干检测光接收机简介
光纤通信 第3章
光电检测器
1. 光电二极管（PD） 2. 雪崩光电二极管(APD)
光电二极管（PD）
PN结反向偏压----形成耗尽层

3 2
PIN:4.5dB/比特率倍程 APD:3.5dB/比特率倍程

7 6
APD比PIN改善灵敏度 5-10dB
3）输入波形的影响 发送RZ比NRZ时接收机灵敏度高 4）消光比的影响
3.5 光接收机的组成模块
3.5.1 码间干扰问题与均衡滤波电路 3.5.2 接收机的动态范围和自动增益控制电路 3.5.3 再生电路
例题

w1 =1 m 假设只有在耗尽层 一个PIN光电二极管， 吸收的光子才能转换成光电流，忽略反射损耗，当
=0.9m, 5 104m1

求：（1）最大量子效率 （2） 到80%，耗尽层厚度最小为多少？
（1）

p吸收 P0
=(1-r)exp(- w1 )1 exp( w)


放大器的噪声主要来源于放大器内部的电阻和 有源器件。 前置放大器的噪声是放大器的主要噪声。
前置放大器的种类： 1、高阻型（主要考虑噪声性能） 2、低阻型（主要考虑频带要求） 3、跨阻型(互阻型)
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光接收机
光接收机简介 光电检测器 放大电路及其噪声 光接收机的灵敏度 光接收机的组成模块 相干检测光接收机简介
APD放大噪声比放大信号多100倍
5）增益与温度、偏压的关系
APD偏压与增益的关系
保护环型APD温度与增益的关系
第三章
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
光接收机
光接收机简介 光电检测器 放大电路及其噪声 光接收机的灵敏度 光接收机的组成模块 相干检测光接收机简介
3.3放大电路及其噪声
k 1 K
3）眼图分析法
3.5.2 接收机的动态范围和自动增益控制电路
1. 接收机动态范围
Dmax 10 log
g opt g min
1 Da 2
实现Da: AGC电路 使用限幅放大器
3.5.3 再生电路
1）再生电路的组成： 判决电路：带有选通输入的比较器 时钟提取电路：锁相环 滤波器 信号的预处理：原因:需要将NRZ转换成RZ 方法：微分整流
3.5.1 码间干扰问题与均衡滤波电路
2） 均衡网络
对均衡网络的要求
S() • Hof() • Ham() • Heq() = A () Heq()=A() / [S() • Hof() • Ham() ]
升余弦频谱
时域补偿器——自适应均衡器
VDFE Vi d k ak
新的电子 - 空穴对。
4、新产生的二次电子再次和原子碰撞。 如此多次碰撞，产生 连锁反应，致使载流子雪崩式倍增。
2） APD的工作特性
（a) APD的平均雪崩增益和雪崩击穿电压 IM G 平均雪崩增益定义为: Ip
式中Ip为一次光电流，Im为倍增后输出电流的平均值。由于 倍增过程是随机产生的，因此雪崩倍增效应具有统计的特征， 故倍增效应应取统计平均值。