光检测器及光接收机
光纤(带答案)
第一章：光纤通讯1、什么是光纤通讯光纤通讯及系统的构成光纤通讯使用光导纤维作为传输光波信号的通讯方式。
光纤通讯系统往常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等构成。
2、什么事光通讯光通讯就是以光波为载波的通讯。
3、光纤通讯的长处①传输频带宽，通讯容量大。
② 传输衰减小，传输距离长。
③ 抗电磁扰乱，传输质量好。
④ 体积小、重量轻、便于施工。
⑤ 原资料丰富，节俭有色金属，有益于环保4、光纤通讯的工作波长光源：近红外区波长：—μm频次：167—375THz5 、 WDM是指什么DWDM指什么WDM：波分复用DWDM：密集波分复用6、光纤从资料上能够分为哪几种从资料上分为石英光纤、多组份玻璃光纤、氟化物光纤、塑料光纤等7、光纤活动连结器从连结方式来看分为哪几种常有的插针端面有哪几种PC、 APC、 SPC（球面、斜面、超级抛光端面呈球面的物理接触）8、按缆芯构造分，光缆分为哪几种层绞式、单位式、骨架式、带状式9、光芒的制造分哪几个步骤I资料准备与提纯II制棒III拉丝、涂覆IV塑套此中制棒分为：（ 1） MCVD改良的化学气相积淀法（2）PCVD等离子化学气相积淀法10 、按资料光纤分几种同611、无源器件的种类连结器、分路器与耦合器、衰减器、隔绝器、滤波器、波分复用器、光开关和调制器等第二章：光纤通讯的物理学基础1、经过哪些现象能够证明光拥有颠簸性光的颠簸性能够从光的干涉、光的衍射和光的偏振等现象证明2、什么叫光电效应光电效应拥有哪些试验规律因为光的照耀使电子从金属中溢出的现象称为光电效应⑴每种金属都有一个确立的截止频次γ0，当入射光的频次低于γ 0时，无论入射光多强，照耀时间多长，都不可以从金属中开释出电子。
⑵关于频次高于γ 0的入射光，从金属中开释出的电子的最大动能与入射光的强度没关，只与光的频次相关。
频次越高开释出的电子的动能就越大。
⑶关于频次高于γ 0的入射光，即便入射光特别轻微，照耀后也能立刻开释出电子。
常用光电子器件介绍
主要光电子器件介绍【内容摘要】光自身固有的优点注定了它在人类历史上充当不可忽略的角色，本文从几种常见的光电子器件的介绍来展示光纤通信技术的发展。
【关键词】光纤通信光电子器件【正文】光自身固有的优点注定了它在人类历史上充当不可忽略的角色，随着人类技术的发展，其应用越来越广泛，优点也越来越突出。
将优点突出的光纤通信真正应用到人类生活中去，和很多技术一样，都需要一个发展的过程。
从宏观上来看，光纤通信主要包括光纤光缆、光电子器件及光通信系统设备等三个部分，本文主要介绍几种常见的光电子器件。
1、光有源器件1)光检测器常见的光检测器包括：PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。
目前的光检测器基本能满足了光纤传输的要求，在实际的光接收机中，光纤传来的信号及其微弱，有时只有1mW左右。
为了得到较大的信号电流，人们希望灵敏度尽可能的高。
光电检测器工作时，电信号完全不延迟是不可能的，但是必须限制在一个范围之内，否则光电检测器将不能工作。
随着光纤通信系统的传输速率不断提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。
由于光电检测器是在极其微弱的信号条件下工作的，而且它又处于光接收机的最前端，如果在光电变换过程中引入的噪声过大，则会使信噪比降低，影响重现原来的信号。
因此，光电检测器的噪声要求很小。
另外，要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化和环境变化的影响。
2)光放大器光放大器的出现使得我们可以省去传统的长途光纤传输系统中不可缺少的光－电－光的转换过程，使得电路变得比较简单，可靠性也变高。
早在1960年激光器发明不久，人们就开始了对光放大器的研究，但是真正开始实用化的研究是在1980年以后。
随着半导体激光器特性的改善，首先出现了法布里－泊罗型半导体激光放大器，接着开始了对行波式半导体激光放大器的研究。
另一方面，随着光纤技术的发展，出现了光纤拉曼放大器。
光纤通信重要知识点总结
光纤通信重要知识点总结第一章1.任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。
通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。
2.光纤：由绝缘的石英（SiO2）材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。
3.光纤通信系统的基本组成:以光纤为传输媒介、光波为载波的通信系统，主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
光纤通信系统既可传输数字信号也可传输模拟信号。
输入到光发射机的带有信息的电信号，通过调制转换为光信号。
光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。
系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。
光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制，可以省去调制器。
光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。
它一般由光电检测器和解调器组成。
光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介，将光信号由一处送到另一处。
中继器分为电中继器和光中继器（光放大器）两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。
为提高传输质量，通常把模拟基带信号转换为频率调制、脉冲频率调制或脉冲宽度调制信号，最后把这种已调信号输入光发射机。
还可以采用频分复用技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号（或数字基带信号）分别调制指定的不同频率的射频电波，然后把多个这种带有信息的RF信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。
在这个过程中，受调制的RF电波称为副载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术，称为副载波复用技术。
目前大都采用强度调制与直接检波方式。
又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。
数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。
发送端的电端机把信息进行模数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD，则LD就会发出携带信息的光波，即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”。
光接收机结构
光电检测器的输出信 号电流很小，必须由 低噪声、高增益的前 置放大器进行放大。
前置放大
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 偿与整形
主放
均放
基线恢复
定时判决
无光告警
AGC放大
峰值检波
时钟提取
均匀码流
1010 1 01 01010
不均匀码流
1000 001 11 11 1
基线处理与定无光告警
AGC放大
峰值检波
从收到的带有噪声和畸变的 波形中识别信码“1”和“0”。 然后由再生电路重新产生和 发端一样的数字脉冲序列。
时钟提取
输出电路
码型反变换电路 将光接收电路送过来的光线路码型还原成
普通二进制码。
输出接口 将信号送给数字复用设备
其它电路
告警电路：指示故障 倒换电路：使通信信道尽可能不中断 公务电路：维护人员联络使用 电源电路：适应机房供电系统
4.3 光接收机结构
光接收机组成框图
前置放大
主放
均放
基线恢复
定时判决
无光告警
AGC放大
峰值检波
时钟提取
光接收机：光接收电路、输出接口电路和其它电路
1. 光接收电路
光接收电路：光检测器、前置放大器、主放大器、 自动增益控制和均衡电路等。
主要功能：将信号光变换成一定幅度的、波形规则 的电信号。
光接收机的结构图
基线处理
眼图
信号
幅度判决
非线性处理
定时判决
码再生
移相
时钟
时钟提取
光接收机的结构图
光电检测器的输出信 号电流很小，必须由 低噪声、高增益的前 置放大器进行放大。
光纤通信技术教学配套课件彭利标fiber6光电检测与光接收机
三、PIN、APD的比较
光电二极管可以是 PIN也可以是APD， 要根据应用场合而 定。
1、PIN光电二极管
优点：光电转换线性 度、工作电压低（几 伏至几十伏）、响应 速度快。
缺点：无电流增益。
2、APD光电二极管
优点：具有载流子 倍增效应、探测灵 敏度特别高。
解： 1、 = .e/hυ
= λ /1.24
=0.8×0.85/1.24 =0.55mA/mW
2、 Ip = Pin =1mW×0.55mA/mW =0.55mA
4、响应时间
定义： 光检测器对 光信号变化响应 速度快慢
用光检测器受阶跃 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(即 上升时间τ )来衡 量。
RIN = PNL2/（P2△f） （1/Hz）
解/Hz， P=10μW =10-5 W，△f=1GHz=109 Hz，LD的平均噪声功率的 平方是
PNL2 =P2△f RIN=(10-5 )2×109×10-15=10-16 所以平均噪声功率PNL=(10-16)1/2=0.01μW，灵敏度
二、光接收组件的特性
1.光接收器件的噪声特性
光接收器件的噪声直
接影响光接收机的信噪 比(S/N)和通信质量。 其噪声主要来自光电检 测器的噪声和前置放大 器的噪声。
2.光接收组件的灵敏度
灵敏度是指在保证一 定通信质量条件下，所 能接收的最小信号功 率，灵敏度的数值越 小，表示接收机的灵敏 度品质越高。
组件，大的集成单元 称之为模块。
等。
二、分类
1、 光发射模块 光发射模块是指包括LD及LD驱动电路、保证
光纤通信课后习题解答-第6章--光电检测器和光接收机习题解答
习题解答1、在光纤通信系统中，使用最多的光电检测器有哪些？它们分别使用于什么场合？答：在光纤通信系统中，使用最多的光电检测器包括PINPD 和APD 两种，它们分别使用于短距离小容量光纤通信系统和长距离大容量光纤通信系统。
2、光电检测器是在什么偏置状态下工作的？为什么要工作在这样的状态下？答：光电检测器工作于负偏置状态。
只有工作于负偏置状态，才能使材料的受激吸收占据主导地位，从而完成光电变换功能。
3、在PINPD 中，I 层半导体材料的主要作用是什么？答：通过扩展受激吸收的区域提高光电变换的效率及通过一定的内建电场提高器件的响应速度。
4、简述PINPD 的工作原理。
答：当光照射到PIN 光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区及耗尽区附近产生受激辐射现象，从而产生电子空穴对。
在外加电场作用下，这种光生载流子运动到电极。
当外部电路闭合时，就会在外部电路中有电流流过，从而完成光电的变换过程。
5、在APD 中，一般雪崩倍增作用只能发生于哪个区域？答：高场区（即雪崩倍增区）。
6、简述APD 的工作原理。
答：当光照射到APD 的光敏面上时，由于受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴对。
在外加电场作用下，一次电子空穴对运动到高场区，经过反复的碰撞电离过程而形成雪崩倍增现象，从而产生出大量的二次电子空穴对。
在外加电场的作用下，一次电子空穴对和二次电子空穴对一起运动到电极。
当外部电路闭合时，就会在外部电路中有电流流过，从而完成光电变换过程。
7、光电检测器的响应度和量子效率有什么样的关系？这两个参数相互独立吗？答： 响应度从宏观角度描述光电检测器的光电变换效率，而量子效率则从微观角度描述光电检测器的光电变换效率。
所以，响应度和量子效率不是相互独立的参数。
8、光电检测器的暗电流由哪些部分组成？这些组成部分分别对PINPD 和APD 的暗电流有何影响？答：由表面暗电流和体内暗电流组成。
对于PINPD ，表面暗电流远大于体内暗电流。
数字光纤通信系统基本组成
数字光纤通讯系统基本构成20 世纪 70 年月末，光纤通讯开始进入适用阶段，各样光纤通讯系统先后成立起来，但当前强度调制－直接检测 (IM-DD) 系统是最常用、最主要的方式，下边就我所理解的光纤系统做一下简要介绍。
数字光纤通讯系统的基本框图以下列图所示。
光发射端机光接收端机光缆光中继器光缆输入接口输出接口备用系统电发射机电接收机协助系统用户用户一、电发射机通讯中传输的很多信号都是模拟信号，如语音信号、图像信号等，电发射机的任务就是把模拟信号变换为数字信号（ A/D 变换），并用时分复用的方式把多路信号复接、合群，进而输出高比特率的数字信号。
PCM 包含抽样、量化、编码、传输、解码、低通等过程。
二、光发射机电发射机的输出电信号经输入接口进入光发射机。
输入接口的作用是保证电、光端机间信号的幅度、阻抗般配，还要进行合适的码型变换，以合适光发射机的要求。
如 PDH 的一、二、三次群 PCM 复接设施的输出码型是 HDB3 码，四次群是 CMI 码，在光发射机中，需要先变换成 NRZ 码。
光发射端机的构成以下列图所示。
数字信号线路编码调制电路光源光信号控制电路1、线路编码线路编码的作用是将传递码流变换成便于在光纤中传输接收及监测的线路码型。
线路编码的种类有：①扰码；②mBnB 码；③插入码。
我国 3 次群和 4 次群光纤通讯系统最常用的线路编码是5B6B 码。
2、调制电路光源的调制方式分直接调制和间接调制。
直接调制仅合用于半导体光源（ LD 和 LED ），它是把要传递的信息转变成电流信号注入 LD 和 LED ，进而获取相应的光信号，是一种电源调制方式。
直接调制分模拟调制和数字调制，模拟调制一般只好使用 LED ，数字调制可使用 LED 也可使用 LD 。
间接调制是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，它既合用于半导体激光器，也适于其余种类激光器。
间接调制最常用的是外调制，即在激光形成此后加载调制信号，详细方法是在激光器谐振腔外的光路上搁置调制器。
光接收机的结构和原理
光接收机的结构和原理光接收器，又称为光电探测器或光检测器，是光通信系统中重要的组成部分。
它用于将光信号转换为电信号，并在接收端进行信号放大和处理。
光接收器的结构和原理决定了其灵敏度、速度和可靠性等特性。
在典型的光接收器中，可以找到以下几个主要组成部分：1.光电转换器：光电转换器通常由光电二极管、光电效应材料或光伏电池等组成。
它的作用是将光信号转换为电荷或电压。
2.前放器：前放器用于放大光电转换器输出的电信号。
它通常由放大器、滤波器和电源等组成。
前放器的作用是增强信号强度，并提高信号噪声比。
3.可调增益控制器：可调增益控制器用于控制信号放大倍数。
光接收器通常需要调整增益来适应不同的光信号强度。
可调增益控制器允许用户根据需要调整放大倍数。
4.信号处理电路：信号处理电路用于对接收到的光信号进行处理。
它通常包括滤波器、放大器、时钟恢复电路和调制解调器等。
信号处理电路的作用是提取和解码光信号中的信息。
5.输出接口：输出接口用于将处理后的电信号传递给下游设备或系统。
它通常包括电缆连接器、光纤连接器和电路板连接器等。
光接收器的原理基于光电效应，即光照射到特定材料上时会产生电流或电荷。
光接收器的工作流程如下：1.光信号输入：光信号通过光纤或其他光路输入到光接收器中。
2.光电转换：光信号照射到光电转换器上，激发光电效应材料中的电子。
这些激发的电子会产生电流或电荷，并通过引出线路传输出来。
3.信号放大：经过光电转换的信号被传输到前放器中。
前放器对信号进行放大和滤波，以增强信号强度并减小背景噪声。
4.增益控制：可调增益控制器调整信号的放大倍数。
这是为了适应不同的信号强度，避免信号过载或衰减。
5.信号处理：信号处理电路对信号进行进一步的处理，如滤波和解调。
滤波器可以去除噪声和杂散信号，解调器可以提取和恢复光信号中的编码信息。
6.输出信号：经过处理的信号通过输出接口传输给下游设备或系统，进行后续的数据处理或应用。
光接收器的性能由其结构和原理决定。
光接收机的结构及原理(精)
光接收机的结构及原理一、光接收机的概述光接收机（Optical Receiver）是指把光信号转换成电信号的装置，常用于光纤通信等场合。
光接收机又称为光检测器，光探测器（photo-detector）或光电转换器（Optical-to-Electrical Converter，OEC）。
光接收机必须能够快速、准确地将光信号转换为相应的电信号，而且要具备良好的稳定性和抗干扰能力。
二、光接收机的结构光接收机通常由以下五个部分组成：•光纤接收头•光电转换器•前置放大器•滤波器•后置放大器2.1 光纤接收头光纤接收头是光接收机的入口部分，主要功能是把光纤中传输的光信号转换成电信号，进一步进行处理。
光纤接收头由透镜、滤波器、光电转换器等部分组成，一般都是具有高精度、高质量、高稳定性的组件。
2.2 光电转换器光电转换器是光接收机的核心组件，它是将光信号转换成电信号的装置。
光电转换器通常采用半导体材料，如硅、锗、InGaAs等材料制造而成。
光电转换器有两个电极，当光照射在光电转换器上时，产生光电效应，使电子加速并跃迁，进而导致电流的流动，从而将光信号转换成电信号。
2.3 前置放大器前置放大器是光接收机的信号前置放大器，主要功能是将弱电信号进行放大，增强信号的强度，减少噪声对信号的影响。
前置放大器一般采用低噪声放大器，能提高信噪比，保证信号的传输质量。
2.4 滤波器滤波器是光接收机中的重要组成部分，主要通过选择特定的频率范围内的电信号，剔除掉干扰信号，使得输出信号更加纯净。
滤波器的种类有很多，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
根据需要选择不同的滤波器，进行信号的处理和滤波。
2.5 后置放大器后置放大器是光接收机的信号后置放大器，主要作用是对放大信号进行进一步的增强，以达到输出信号的高质量、高精度和高效率。
三、光接收机的原理光接收机的原理是光电转换技术，即把光信号转换为电信号。
它的基本原理是：在光电转换器中，光束在达到光电转换器表面后，被半导体吸收产生电子-空穴对，使电子加速并跃迁，进而导致电流的流动，从而将光信号转换成电信号。
光通信技术基础 光探测器与接收机
光电 充气光电管 光电倍增管
光电
光电导器件
半导体光电器件
光伏器件
热光电器件
热电偶、热电堆 测热辐射计（热敏电阻等 高莱元件 热释电电器件
• 光电管是依据光电发射效应而工作的一种光电探测器。 其结 构原理和偏置电路如图所示， 主要由光阴极K、阳极A和管 壳组成。 如果管壳内是真空状态，就称为真空光电管；如果 管壳内充有增益气体，称为充气光电管。
图5-23 负电子亲和势光阴极制 作工艺
负电子亲和势光阴极理论于1963年提出，研究 者用铯吸附在P型 GaAs表面得到了零电子亲和势， 其后又有人对GaAs表面以Cs和O2交替激活，得 到了负电子亲和势，通常用缩写NEA来表示的 负电子亲和势光阴极。
光谱响应范围：兰光～1200nm；
积分灵敏度：1450～4000μA/lm；
1955年萨默发现：锑与一种以上的碱金属结合 可获得比单碱锑铯光阴极更高的量子效率。其中有 双碱的(如Sb-K-Cs、Sb-Rb-Cs)，三碱的(如Sb-K-NaCs)和四碱的(如Sb-K-Na-Rb-Cs)等，统称为多碱光阴 极。这类光阴极在可见光波段有很高的量子效率， 其峰值量子效率接近30％。
PbS。这是一种性能优良的近红外辐射探测器，是在室温条件 下探测灵敏度最高的一种红外探测器，室温下的禁带宽度为 0.37eV，相应的长波限为3μm。 PbTe。在常温下对4μm以内的红外光灵敏，冷却到90K，可 在5μm范围内使用。响应时间约为10－4～10－5s。 InSb。这也是一种良好的近红外（峰值波长约为6μm）辐射 探测器。
光谱响应范围：200～650nm；
积分灵敏度：110μA/lm；
峰值响应：440nm附近
量子效率（λp）：20％左右；
光检测器和光接收机学习PPT
线性动态范围
01 线性动态范围：指光检测器或光接收机在保持线 性响应时的输入光功率范围。
02 线性动态范围越大，光检测器或光接收机的性能 越好，能够探测到的光信号范围越广。
03 在实际应用中，需要根据具体需求选择合适线性 动态范围的光检测器或光接收机。
04
光检测器和光接收机的技术发展与趋
势
高速光检测器技术
护和可持续发展提供科学依据。
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光检测器和光接收机学习
• 光检测器和光接收机概述 • 光检测器和光接收机的分类与比较 • 光检测器和光接收机的性能指标 • 光检测器和光接收机的技术发展与趋
势 • 光检测器和光接收机的应用案例
01
光检测器和光接收机概述
光检测器和光接收机的定义
光检测器
光检测器是一种能够将光信号转 换为电信号的器件，常用于光纤 通信、光电传感器等领域。
应用于粒子探测、光谱分析、激光雷达等领域。
光电导探测器
总结词
光电导探测器是一种基于半导体材料的光电检测器，利用材料电阻随光照变化的 特性实现光信号的检测。
详细描述
光电导探测器利用半导体材料的光电导效应，当光照变化时，材料电阻发生变化 ，从而引起电信号的变化。光电导探测器具有响应速度快、灵敏度高、线性范围 宽等特点，广泛应用于高速光通信、光纤传感、光谱分析等领域。
光电倍增管
总结词
光电倍增管是一种高灵敏度的光电检测器，通过多个级联的 dynode 实现光电流的放 大。
详细描述
光电倍增管由多个 dynode（打拿极）组成，当光子打在光电倍增管的阴极上时，光子 能量转化为电子能量，电子经过各级 dynode 的加速撞击，产生更多的电子-空穴对， 从而实现光电流的放大。光电倍增管具有高灵敏度、低噪声、响应速度快等特点，广泛
通工专业-光纤通信技术-第四章-光探测器与光接收机
光纤通信系统对光探测器的要求
（1）灵敏度高：灵敏度高表示探测器把 光功率转变为电流的效率高。在实际的光接 收机中，光纤传来的信号极其微弱，有时只 有1nw左右。为了得到较大的信号电流，人 们希望灵敏度尽可能的高。
（2）响应速度快：指射入光信号后，马上就有 电信号输出；光信号一停，电信号也停止输出， 不要延迟。这样才能重现入射信号。实际上电信 号完全不延迟是不可能的，但是应该限制在一个 范围之内。随着光纤通信系统的传输速率的不断 提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的 要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。
RC 2.2RT CT （4.6）
式中，CT为电路的总电容，RT为电路的总电阻。
考虑上述三个因素的影响，总的上升时间为
(
2 RC
2 d
2 i
)1/ 2
PIN-PD特性参数(3)噪声
•噪声
噪声直接影响光接收机的灵敏度。
散粒噪声（信号电流和暗电流产生）
暗电流是器件在反偏压0.9UB条件下，没有入射光时 产生的反向电流，与光电二极管的材料和结构有关
I层较厚，几乎占据了整个耗 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。因而光产生电流中漂移 分量占了主导地位，这就大大 加快了响应速度。另外，可通 过控制耗尽层的宽度w，来改 变器件的响应速度。
4.1 光探测器
4.1.1光电检测原理——PN结的光电效应
光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能， 是由半导 体PN结的光电效应实现的。
当光照射到光电二极管的光敏面 上时，能量大于或等于带隙能量 Eg的光子将激励价带上的电子吸 收光子的能量而跃迁到导带上 （受激吸收），可以产生自由电 子-空穴对（称为光生载流子）。 在耗尽层，由于内部电场的作用， 电子向N区运动，空穴向P区运动， 形成漂移电流。
【2017年整理】光电转换原理
光纤系统光接收部分光电转换原理光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将来自光纤的光信号转换成电信号，恢复光载波所携带的原信号。
图4.3.1-8给出了数字光接收机的组成框图。
1.光检测器光电检测器是光接收机的第一个关键部件，其作用是将由光纤传送来的光信号转换成电信号。
光电检测器主要有PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD两种。
PIN管使用简单，只需10~20V 的反向偏压，但PIN管没有增益。
APD管具有10~200倍的增益，可以提高光接收机的灵敏度，但需要几十伏以上的偏压，增益特性受温度的影响较严重2、前臵放大器经光电检测器检测到的微弱的信号电流，流经负载电阻建立起信号电压后，由前臵放大器进行预放大。
除光电检测器性能优劣影响光接收机的灵敏度之外，前臵放大器对光接收机的灵敏度有十分重要的影响。
为此，前臵放大器必须是低噪声、宽频带的放大器。
3.主放大器主放大器用来提供高的增益，将前臵放大器的输出信号放大到适合判决电路所需的电平。
前臵放大器的输出信号电平一般为mV量级，而主放大器的输出信号电平一般为1~3V。
4、均衡器光在光纤中传输时，由于将受到色散的影响，信号将发生畸变与展宽，使码元间相互影响，出现误码。
均衡器的作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最小的波形，通常为升余弦波5、判决再生与定时提取判决即是用一判决电平与均衡器输出信号进行比较，当在判决时刻输出的电压信号比判决电平高，则判断为“1”码，否则判断为“0”码。
这样，可在判决再生电路的输出端得到一个和发送端发出的数字脉冲信号基本是一致由矩形脉冲组成的数字脉冲序列。
为了精确地确定“判决时刻”，就需要从信号码流中提取准确的定时信息用来标定，以保证和发送端一致。
这个工作由“定时提取”电路来完成。
6、峰值检波器与AGC放大器将由升余弦波组成的数字脉冲信号取出一部分送到峰值检波器进行检波，检波后的直流信号再送到AGC 放大器进行比较放大，产生一个AGC 电压。
光接收机(二)
•光接收机存在的噪声可分为两类：散粒噪声和热噪声 •在光接收机中，尽管各级放大器均会引入附加噪声，但 只要第一级放大器的增益很大，以后各级的噪声就可以忽 略，放大器的输出噪声主要由前置级所决定
Sq
Sd
SI
SE ～ <u 2 > 0 放 大 器
ip
<i2 > q
<i2 d>
R
C
Rin <i2 0>
σ σ = Sq f df = 2eI p B = 2eRPB
2 s 2 q -
暗电流噪声的噪声方差：
σ = Sd f df = 2eI d B
2 d -
总噪声：
2 2 PIN s2 d 2e I P Id B
信号电流：
I s I p RP
信号电流：
I s I p RPg
3、前置放大器噪声
放大器分解为:
理想放大器，放大器的输入电阻Rin 等效噪声电流源〈i02〉，相应的功率谱密度 SI 等效噪声电压源〈u02〉，相应的功率谱密度 SE
Sq
Sd
SI
SE ～ <u 2 > 0 放 大 器
ip
<i2 > q
<i2 d>
R
C
Rin <i2 0>
足够小的噪声、适当的带宽和一定的增益。前置放大器的噪 声对光接收机的灵敏度影响很大。
前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前
放可供选择：低阻型前置放大器、高阻型前置放大器、跨阻 型（转移阻抗型）前置放大器。
1、低阻型前置放大器： 技术要求：系统对带宽的要求较高，对噪声特性要求较低。 设计思路：从频带要求出发选择偏置电阻 设前放输入回路的总并联电阻为 Rt，总并联电容为 Ct，则应使输入回路 的RC时间常数（τ=RtCt）尽量小以满足带宽的要求，即有 Rt≤1/2πBwCt 式中，Bw为码率所要求的放大器的最小带宽。当光接收机接收码流的码 率为fB(bit/s)时，放大器的带宽应为 Bw≥fB/2 电路特点：频带宽，电路简单，接收机不需要或只需要很少的均衡，动 态范围较大；由于前放输入回路的电阻值较小，噪声较大。 适用对象：高速数字光纤通信系统的光接收机中
第5章光电检测器和光接收机
2 eI f d 2 id 2 x 2eI d fG
PIN APD
4、倍增特性
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。
IM G Ip
响应时间、暗电流等，由于 APD 有雪崩倍
增效应，所以 APD 除了上述参数外还包括
倍增因子、过剩噪声指数等。
1、响应度和量子效率
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 η ，定义为产生的光 生电子-空穴对数占入射光子数的百分比。
响应度是描述这种器件光电转换能力的物理量。
第二级：反控制作用，即IC放大器增益与控制电压 AGC2成反比。即：入射光功率弱时，AGC2电压下 降，IC放大器增益变大；入射光功率强时，AGC2 电压升高，IC放大器增益变小。
均衡滤波器作用：对主放大器输出的失真的数字 脉冲信号进行整形，使其变为升余弦信号，以利于克 服码间干扰进行幅度判决。 ① 没有均衡滤波器将出现这些现象
由APD的偏压来控制 一般：40-100
过剩噪声指数
F (G ) G
x
5.3 光接收机
1．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成， 即光接收机的前端、线性通道和数据恢复三个部 分。
前放
主放 均衡滤波 判决器 译码器
自动增益控制
时钟恢复
前端
线性通道
数据恢复
1)光接收机前端
根据不同的应用要求，前端的设计有三种 不同的方案。 (1)低阻抗前端
(2)高阻抗前端
光检测器与光接收机课件
光接收机的应用实例
01
光纤通信系统
在光纤通信系统中，光接收机用于接收远端发送的光信号，并将其转换
为电信号进行进一步处理。
02
激光雷达
激光雷达通过发射激光束并接收反射回来的光信号来测量目标距离、速
度和角度等信息。光接收机在激光雷达中负责接收反射回来的光信号。
03
生物医学成像
在生物医学成像领域，如荧光显微镜和共聚焦显微镜中，光接收机用于
工作原理
光检测器通过光电效应将光信号 转换为电信号，而光接收机则对 电信号进行处理，以便后续的信 号处理和传输。
分类与特点
பைடு நூலகம்分类
光检测器和光接收机有多种分类方式， 如按工作波长、响应速度、噪声性能 等。
特点
不同类型的光检测器和光接收机具有 不同的特点，如响应速度、灵敏度、 带宽等，适用于不同的应用场景。
光接收机的性能参数
灵敏度
光接收机的灵敏度是指其能够检测到的最小光功率。灵敏度越高， 光接收机在低光功率条件下也能正常工作。
带宽
光接收机的带宽是指其响应频率范围。带宽越宽，光接收机能够传 输的数据速率越高。
线性范 围
线性范围是指光接收机正常工作范围内，输出信号与输入光功率之间 的线性关系。线性范围越大，光接收机对光功率变化的响应越准确。
详细描述
光检测器和光接收机能够检测到环境中特定波长的光线，并将其转换为可用于监 测的电信号。在环境监测中，它们被广泛应用于水质检测、空气质量监测、温室 气体测量等领域，以帮助环境保护和治理。
THANKS
感谢观看
捕捉荧光信号或反射光信号，以获得高分辨率的图像。
PART 04
光检测器与光接收机的比 较与选择
第四章 光检测器和光接收机
第4章光检测器和光接收机4.14.24.34.4第4章光检测器和光接收机本章重点●光电检测器工作特性●光接收机性能指标4.1.1 光检测原理◆光检测器▪完成光/电信号的转换◆基本要求▪灵敏度高▪响应速度快▪噪声小▪稳定可靠图4-1 光敏二极管中的PN 结图4-2 光生电流中的漂移和扩散扩散分量的存在导致光电二极管瞬态响应失真，限制光电转换速度， 解决方法：减小Ｐ，Ｎ区厚度，增加耗尽区的宽度，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I)，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少Ｐ，Ｎ区吸收的光能－－ＰＩＮ 1. PIN 光敏二极管原理图4-3 PIN 光电二极管结构及各层电场分布4.1.2 PIN 光电二极管Ｉ区高阻抗，电压基本都落在Ｉ区 4.1.1 光检测原理图4-1 半导体材料的光电效应①PN结在入射光作用下，由于受激吸收产生大量电子-空穴对；②在内外电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动，便在两端产生电动势（光电效应）；③当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。
同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。
当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。
2 . PIN 光敏二极管特性参数 （1）截止波长和吸收系数◆ 截止波长◆ 产生光电效应必须满足的条件h f c =E g （4-1）f ≥ f c =即只有波长λ＜的入射光，才能使这种材料产生光生载流子；▪截至波长λc ：产生光电效应的入射光的最大波长（上限波长）▪截至频率f c ：下限频率（对应λc ）▪ Ge ： λc = 1.6 μm ； Si ： λc = 1.06 μmhg E g gc E E hc /24.1==λ◆吸收系数α◆光信号的衰减P(d)=P(0)exp（-αd） (4-3)令 d=1/ α则 P(d)=P(0)/e✓δ= 1/ α为光在半导体中的穿透深度（即入射光功率在半导体中衰减为表面处的1/e时的深度）✓吸收系数α随光波长减小而变大✓制作光电检测器时，一方面要考虑截止波长要大于入射光波长，同时吸收系数不能太大。