光纤通信课件第5章光检测器及光接收机2
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光检测器和光接收器ppt课件
d
PD
d
L
4.1.2 APD光检测器 APD光检测器也称为雪崩光电二极管 （Avalanche Photodiode），其工作机理如下：入射信 号光在光电二极管中产生最初的电子-空穴对，由于光 电二极管上加了较高的反向偏置电压，电子-空穴对在 该电场作用下加速运动，获得很大动能，当它们与中性 原子碰撞时，会使中性原子价带上的电子获得能量后跃 迁到导带上去，于是就产生新的电子-空穴对，新产生 的电子-空穴对称为二次电子-空穴对。这些二次载流子 同样能在强电场作用下，碰撞别的中性原子进而产生新 的电子-空穴对，这样就引起了产生新载流子的雪崩过 程。也就是说，一个光子最终产生了许多的载流子，使 得光信号在光电二极管内部就获得了放大。 从结构来看，APD与PIN的不同在于增加了一 个附加层P，如图4.1.3所示。在反向偏置时，夹在I层 与N+层间的PN+结中存在着强电场，一旦入射信号光 从左侧P+区进入I区后，在I区被吸收产生电子-空穴对， 其中的电子迅速漂移到PN+结区，PN+结中的强电场便 使得电子产生雪崩效应。
图4.1.3 APD光电二极管
与PIN光检测器比较起来，光电流在器件内部就得到了放大，从而避免了由外部电子 线路放大光电流所带来的噪声。我们从统计平均的角度设一个光子产生M个载流子， 它等于APD光电二极管雪崩后输出的光电流 IM与未倍增时的初始光电流IP的比值 I M （4.1.4） I 式中，M称为倍增因子。倍增因子与载流子的电离率有关，电离率是指载流子在漂移 的单位距离内平均产生的电子-空穴对数。电子电离率与空穴电离率是不相同的，分 别 用 和表示，它们与反向偏置电压、耗尽区宽度、掺杂浓度等因素有关，记为 k （4.1.5） k 式中，kA为电离系数，它是光检测器性能的一种度量。对 M的影响可由下式给出，即 1 k M （4.1.6） e k w 1 1 e 当 0 时，仅有电子参与雪崩过程，M ， 增益随w指数增长；当 且k 时，由式 （4.1.6）可得，出现雪崩击穿。通常，M值的范围在10~500之间。 APD光电二极管出现雪崩击穿是因为所加的反向偏置电压过大，考虑到M与反向偏置 电压之间的密切关系，常用经验公式描述它们的关系，即 1 M （4.1.7） 1 (V / V ) 式中，n是与温度有关的特性指数，n = 2.5～7；VBR是雪崩击穿电压，对于不同的半 导体材料，该值从70 ～200V 不等；V 为反向偏置电压，一般取其为 VBR 的 80%～90%。 APD管使用时必须注意保持工作电压低于雪崩击穿电压，以免损坏器件。
PD
d
L
4.1.2 APD光检测器 APD光检测器也称为雪崩光电二极管 （Avalanche Photodiode），其工作机理如下：入射信 号光在光电二极管中产生最初的电子-空穴对，由于光 电二极管上加了较高的反向偏置电压，电子-空穴对在 该电场作用下加速运动，获得很大动能，当它们与中性 原子碰撞时，会使中性原子价带上的电子获得能量后跃 迁到导带上去，于是就产生新的电子-空穴对，新产生 的电子-空穴对称为二次电子-空穴对。这些二次载流子 同样能在强电场作用下，碰撞别的中性原子进而产生新 的电子-空穴对，这样就引起了产生新载流子的雪崩过 程。也就是说，一个光子最终产生了许多的载流子，使 得光信号在光电二极管内部就获得了放大。 从结构来看，APD与PIN的不同在于增加了一 个附加层P，如图4.1.3所示。在反向偏置时，夹在I层 与N+层间的PN+结中存在着强电场，一旦入射信号光 从左侧P+区进入I区后，在I区被吸收产生电子-空穴对， 其中的电子迅速漂移到PN+结区，PN+结中的强电场便 使得电子产生雪崩效应。
图4.1.3 APD光电二极管
与PIN光检测器比较起来，光电流在器件内部就得到了放大，从而避免了由外部电子 线路放大光电流所带来的噪声。我们从统计平均的角度设一个光子产生M个载流子， 它等于APD光电二极管雪崩后输出的光电流 IM与未倍增时的初始光电流IP的比值 I M （4.1.4） I 式中，M称为倍增因子。倍增因子与载流子的电离率有关，电离率是指载流子在漂移 的单位距离内平均产生的电子-空穴对数。电子电离率与空穴电离率是不相同的，分 别 用 和表示，它们与反向偏置电压、耗尽区宽度、掺杂浓度等因素有关，记为 k （4.1.5） k 式中，kA为电离系数，它是光检测器性能的一种度量。对 M的影响可由下式给出，即 1 k M （4.1.6） e k w 1 1 e 当 0 时，仅有电子参与雪崩过程，M ， 增益随w指数增长；当 且k 时，由式 （4.1.6）可得，出现雪崩击穿。通常，M值的范围在10~500之间。 APD光电二极管出现雪崩击穿是因为所加的反向偏置电压过大，考虑到M与反向偏置 电压之间的密切关系，常用经验公式描述它们的关系，即 1 M （4.1.7） 1 (V / V ) 式中，n是与温度有关的特性指数，n = 2.5～7；VBR是雪崩击穿电压，对于不同的半 导体材料，该值从70 ～200V 不等；V 为反向偏置电压，一般取其为 VBR 的 80%～90%。 APD管使用时必须注意保持工作电压低于雪崩击穿电压，以免损坏器件。
光纤通信光检测器与光接收机PPT课件
NF3 1 G1G2
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4.4 光接收机的信噪比
在光纤通信系统中，通常要求光电二极管能检测出微弱的光信号。 为了检测到最小可能的信号，必须对光检测器和它随后的放大器电路进 行最优化设计，以此来保证一定的信噪比。 光接收机输出端的信噪比S/N定义为
w td vd
一般情况下，耗尽区的电场足够高，载流子都可以达到它们的散射极限速度。 典型的Si光电二极管的耗尽区宽度为10um，极限响应时间为0.1ns。
第24页/共72页
上升时间的快速反应分量源于耗尽区产生的载流子，
而慢速分量则是源于距离耗尽区边界处的载流子的扩散。
在光脉冲的后沿，耗尽区的光脉冲吸收得很快，所以在下降时间里产生 了快速分量，在距耗尽区边界以内的载流子扩散造成了脉冲后沿的一个 很慢的延迟拖尾。
第12页/共72页
光 一次电子
高电场
第14页/共72页
§4.2 光电二极管的工作特性
光电二极管的主要特性参数包括响应度、量子效率、响应带宽、APD的倍增系 数及噪声等。这里仅讨论响应度和量子效率。
1、量子效率
单位时间产生的电子数 单位时间注入的光子数
Ip /e
Pin / h
式中 e是电子电荷， h是普朗克常数。
光检测器负载电阻的均方热噪声电流为：
ST
(
f
)BT 0 RL
df
4k BTB RL
K：玻耳兹曼常数 T：绝对温度
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光电检测器的特性
响应度
量子效率 截止波长 倍增因子 响应时间
噪声
I p RPin
M IM Ip
对于pin
量子噪声
对于APD
R e
光检测器及光接收机ppt课件
光信号 光电 变换
前置 电信号 放大
前端：由光电二极管和前置放大器组成。
作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变 电流，然后进行预放大（电流－电压转换），以便 后级作进一步处理。是光接收机的核心。
要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽
编辑版pppt
11
5.2.2 光接收机的线性通道
提供高的增 益，放大到 适合于判决 电路的电平。
编辑版pppt
13
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。
1.光检测器产生散粒噪声 2.负载电阻产生热噪声
3.放大器产生放大噪声
编辑版pppt
14
5.3.2 光接收机性能指标
1误码率 BER=Ne/Nt=Ne/Bt 即：误比特率=错误比特/总比特 2灵敏度 （1）输入的最小平均光功率 （2）每个光脉冲的最低平均光子数n0 （3）每个光脉冲的最低平均能量Ed
为确定是“1”或是 “0”，需要对某时隙 的码元作出判决。若 判决结果为“1”，则 由再生电路产生一个 矩形“1”脉冲；若判 决结果为“0”，则由 再生电路重新输入一 个“0”。
判 输出 决 器
时钟恢复
为了精确地确定“判决时 刻”，需要从信号码流中提 取准确的时钟信息作为标定， 以保证与发送端一致。
耗尽层仍为I 层，起产生一 次电子－空穴 对的作用。
增加了一个附加 层，倍增区或增 益区，以实现碰 撞电离产生二次 电子－空穴对。
编辑版pppt
7
温度对雪崩增益的影响
当保持所加偏置电压不变时，降低温度， 则电子和空穴的电离速率会增加，因而雪 崩增益也会增加。
《光纤通信》PPT课件 (2)
– 目前光纤通信实用的波长即短波长段的 0.85μm、长波长波段的1.31μm和1.55μm ，通常称其为是目前光纤通信的三个实用窗
13
衰减（dB/km）
6 5 4 3
第一窗口 2
1
C 波段
1525~1565nm
第二窗口
0。4
第三窗口
0。2
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.57 1.62
2
5.1
探索时期的光通信
• 原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人
用旗语传送信息。
• 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音
的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。
• 1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光
器， 给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用， 使 沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。
1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年 是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。6
光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：
• 第一阶段(1966~1976年)，这是从基础研 究到商业应用的开发时期。
• 第二阶段(1976~1986年)，这是以提高传 输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应 用的大发展时期。
10 G 100 G 1 T 10 T 100 T 1000 T
频 率/Hz
(注) M： 106 G： 109
T：
1 012
图 各种传输线路的损耗特性
9
5.1.2 光纤通信的特点
• 容许频带很宽，传输容量很大 • 损耗很小， 中继距离很长且误码率很小 • 重量轻、 体积小 • 抗电磁干扰性能好 • 泄漏小， • 节约金属材料， 有利于资源合理使用
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衰减（dB/km）
6 5 4 3
第一窗口 2
1
C 波段
1525~1565nm
第二窗口
0。4
第三窗口
0。2
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.57 1.62
2
5.1
探索时期的光通信
• 原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人
用旗语传送信息。
• 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音
的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。
• 1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光
器， 给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用， 使 沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。
1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年 是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。6
光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：
• 第一阶段(1966~1976年)，这是从基础研 究到商业应用的开发时期。
• 第二阶段(1976~1986年)，这是以提高传 输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应 用的大发展时期。
10 G 100 G 1 T 10 T 100 T 1000 T
频 率/Hz
(注) M： 106 G： 109
T：
1 012
图 各种传输线路的损耗特性
9
5.1.2 光纤通信的特点
• 容许频带很宽，传输容量很大 • 损耗很小， 中继距离很长且误码率很小 • 重量轻、 体积小 • 抗电磁干扰性能好 • 泄漏小， • 节约金属材料， 有利于资源合理使用
光纤通信-光接收机PPT课件
2021/2/12
15
响应度Ro
响应度描述了光检测器的光电转换能力，灵敏 度高则要求光电转换效率高。
响应度Ro定义为:
Ro I p
Po 1.24
Ip—光电检测器的平均输出电流； Po—光电检测器的平均输入功率，单位为A/W
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量子效率η
量子效率描述了光检测器的光电转换能 力量子效率η定义为：
λc是光电二极管工作波长的上限。
只有当入射光波的波长λ＜λc的光，才能使这种材料
产生光生载流子。
当波长很短时，材料的吸收系数会变得很大，使光电
转换效率降低。
因此，还存在一个短波长极限λmin，入射光的波长λ
必须满足λmin <λ< λc 。
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8
5.1.2 PIN光电二极管P-type, Intrinsic，N-Type Photodiode
光接收机的主要指标：
✓误码率(bit error probability) ✓灵敏度(Sensitivity) ✓动态范围(Dynamic Range)
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2
5.1 光检测器(Optical Detector)
5. 1. 1 半导体的光电效应Photoemission 5. 1. 2 PIN光电二极管 PIN Photodiode 5. 1. 3 雪崩光电二极管Avalanche Photodiode 5. 1. 4 光检测器的特性Characteristic 5. 1. 5 光检测器的应用Application
光生电子－空穴对数 入射光子数
响应度Ro与量子效率η 的关系：
Ro
e hf
获得高的量子效率,要尽量减小入射表面的反射率 和尽
《光探测和光接收机》课件
。
带宽
指光探测器的响应速度，即光探测器 对不同频率的光信号的响应能力。
线性范围
指光探测器在保持线性响应时的最大 入射光功率范围，反映了探测器的动 态范围。
03
光接收机的工作原理与种类
光接收机的组成
光电探测器
将光信号转换为电信号的核心元件，通常由光电材料制成。
放大器
放大光电探测器输出的微弱电信号，以便进一步处理。
逐渐受到重视。
当前进展
目前，光探测和光接收机已经实现 了高灵敏度、高速、低噪声等性能 的提升，并不断向着小型化、集成 化的方向发展。
未来展望
随着科技的进步和应用需求的不断 增长，光探测和光接收机的性能和 应用领域还将得到进一步拓展和创 新。
02
光探测器的工作原理与种类
光电效应
光电效应定义
当光照射在物质上时，物质可以吸收光的能量并把能量转化为电 子的行为，从而产生电流的现象。
线性范围
光接收机正常工作所需的光强范围，超出范 围可能导致性能下降或损坏。
带宽
光接收机对不同频率光信号的响应范围，决 定了光接收机的信息传输速率。
噪声等效功率
光接收机可探测到的最小光功率，反映其探 测极限。
04
光探测和光接收机的技术挑战与未来发展
技术挑战
噪声干扰
光探测和接收过程中，噪声干扰是一个重要问题。由于光信号的微弱 性，噪声信号可能对探测结果产生重大影响，降低探测精度。
新型光探测和光接收机技术
1 2
超快光探测技术
利用超快激光脉冲实现对高速光信号的探测，具 有高响应速度和宽带宽的特点。
量子光探测技术
利用量子力学原理实现对微弱光信号的高灵敏度 探测，具有高精度和高稳定性的优点。
带宽
指光探测器的响应速度，即光探测器 对不同频率的光信号的响应能力。
线性范围
指光探测器在保持线性响应时的最大 入射光功率范围，反映了探测器的动 态范围。
03
光接收机的工作原理与种类
光接收机的组成
光电探测器
将光信号转换为电信号的核心元件，通常由光电材料制成。
放大器
放大光电探测器输出的微弱电信号，以便进一步处理。
逐渐受到重视。
当前进展
目前，光探测和光接收机已经实现 了高灵敏度、高速、低噪声等性能 的提升，并不断向着小型化、集成 化的方向发展。
未来展望
随着科技的进步和应用需求的不断 增长，光探测和光接收机的性能和 应用领域还将得到进一步拓展和创 新。
02
光探测器的工作原理与种类
光电效应
光电效应定义
当光照射在物质上时，物质可以吸收光的能量并把能量转化为电 子的行为，从而产生电流的现象。
线性范围
光接收机正常工作所需的光强范围，超出范 围可能导致性能下降或损坏。
带宽
光接收机对不同频率光信号的响应范围，决 定了光接收机的信息传输速率。
噪声等效功率
光接收机可探测到的最小光功率，反映其探 测极限。
04
光探测和光接收机的技术挑战与未来发展
技术挑战
噪声干扰
光探测和接收过程中，噪声干扰是一个重要问题。由于光信号的微弱 性，噪声信号可能对探测结果产生重大影响，降低探测精度。
新型光探测和光接收机技术
1 2
超快光探测技术
利用超快激光脉冲实现对高速光信号的探测，具 有高响应速度和宽带宽的特点。
量子光探测技术
利用量子力学原理实现对微弱光信号的高灵敏度 探测，具有高精度和高稳定性的优点。
第五章光检测器和光接收机课件
.
3.噪声
噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数, 它直接影响光接收机的灵敏度
光电二极管的噪声:包括散粒噪声和热噪声。 噪声通常用均方噪声电流(在1Ω负载上消耗
的噪声功率)来描述。
.
(1)散粒噪声: 是由于带电粒子产生和运动 的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白 噪声。
包括:量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声 量子噪声: 是由于光电子产生和收集的统
▪ Si材料制作的PIN光电二极管， c≈1.06um ▪ Ge材料制作的PIN光电二极管， c≈1. 6um
.
※ 入射光波长太短时,光变电的转化效率也会大 大下降。
原因:当入射光波长很短 时, 材料的吸收系数变得 很大, 结果使大量的入射 光子在光电二极管的表 面层(如P区)就被吸收。
.
光电二极管的表面层往往存在一个零电场的区域, 当电子-空穴对在表面层（如P区）里产生时, 少数载流 子首先要扩散到耗尽层, 然后才能被外电路收集。
层的厚度 w要足够大。
.
2.暗电流
暗电流Id: 是在反向偏压条件下，没有入射 光时，光电二极管产生的反向电流。
包括: 晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和 载流子热扩散形成的本征暗电流。
暗电流与光电二极管的材料和结构有关 例如: Si材料的PIN，Id<1nA；Ge材料的 PIN，Id>100 nA。
.
注意：如果入射光子的能量小于 E g 时，不 论入射光有多么强，光电效应也不会发生。 即光电效应必须满足条件
hf Eg
或
hc Eg
式中：c是真空中的光速；是入射光的波长；
h是普朗克常量；E
是材料的禁带宽度。
g
.
二. 光电二极管的波长响应
3.噪声
噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数, 它直接影响光接收机的灵敏度
光电二极管的噪声:包括散粒噪声和热噪声。 噪声通常用均方噪声电流(在1Ω负载上消耗
的噪声功率)来描述。
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(1)散粒噪声: 是由于带电粒子产生和运动 的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白 噪声。
包括:量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声 量子噪声: 是由于光电子产生和收集的统
▪ Si材料制作的PIN光电二极管， c≈1.06um ▪ Ge材料制作的PIN光电二极管， c≈1. 6um
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※ 入射光波长太短时,光变电的转化效率也会大 大下降。
原因:当入射光波长很短 时, 材料的吸收系数变得 很大, 结果使大量的入射 光子在光电二极管的表 面层(如P区)就被吸收。
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光电二极管的表面层往往存在一个零电场的区域, 当电子-空穴对在表面层（如P区）里产生时, 少数载流 子首先要扩散到耗尽层, 然后才能被外电路收集。
层的厚度 w要足够大。
.
2.暗电流
暗电流Id: 是在反向偏压条件下，没有入射 光时，光电二极管产生的反向电流。
包括: 晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和 载流子热扩散形成的本征暗电流。
暗电流与光电二极管的材料和结构有关 例如: Si材料的PIN，Id<1nA；Ge材料的 PIN，Id>100 nA。
.
注意：如果入射光子的能量小于 E g 时，不 论入射光有多么强，光电效应也不会发生。 即光电效应必须满足条件
hf Eg
或
hc Eg
式中：c是真空中的光速；是入射光的波长；
h是普朗克常量；E
是材料的禁带宽度。
g
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二. 光电二极管的波长响应
《光探测及光接收机》课件
光电倍增管
光电倍增管是一种高灵敏度的光探测器，它通过多级倍增 系统将微弱的光信号转换为较强的电信号。其特性包括高 灵敏度、低噪声、快速响应等。
光电晶体管
光电晶体管是一种基于晶体管的的光探测器，其特性包括 高响应速度、低噪声、高灵敏度等。
光纤光栅探测器
光纤光栅探测器是一种基于光纤的光探测器，其特性包括 波长选择性、高灵敏度、低噪声等。
安全监控
光探测器可用于安全监控系统 ，如红外热像仪、激光雷达等
，实现远距离探测和监控。
光探测技术的发展趋势与挑战
发展趋势
随着技术的不断发展，光探测器的性能不断提高，响应速度更快、灵敏度更高 、线性范围更广。同时，新型的光探测器不断涌现，如单光子探测器、量子点 探测器等。
挑战
光探测技术面临的挑战主要包括提高探测器的响应速度和灵敏度、降低噪声和 暗电流、减小体积和成本等。此外，新型光探测器的研发和应用也需要解决一 些技术难题，如稳定性、可靠性等。
数据传输。
传感领域
光探测及光接收机还可应用于光学 传感领域，如气体、湿度、温度等 传感器的检测，以及生物传感等。
科学研究
在物理学、化学、生物学等科学研 究中，光探测及光接收机可用于探 测和分析各种光谱信号，为科学研 究提供有力支持。
光探测及光接收机的发展历程与趋势
发展历程
自20世纪60年代以来，随着光纤技术和半导体技术的不断发 展，光探测及光接收机经历了从低速到高速、从低灵敏度到 高灵敏度的发展历程。
工作原理
光探测及光接收机通过光电效应将光信号转换为电信号。当光信号照射到光探测器的表面时，光子与探测器材料 相互作用，产生电子-空穴对。在电场的作用下，电子和空穴分别向相反方向移动，形成电信号。
光电倍增管是一种高灵敏度的光探测器，它通过多级倍增 系统将微弱的光信号转换为较强的电信号。其特性包括高 灵敏度、低噪声、快速响应等。
光电晶体管
光电晶体管是一种基于晶体管的的光探测器，其特性包括 高响应速度、低噪声、高灵敏度等。
光纤光栅探测器
光纤光栅探测器是一种基于光纤的光探测器，其特性包括 波长选择性、高灵敏度、低噪声等。
安全监控
光探测器可用于安全监控系统 ，如红外热像仪、激光雷达等
，实现远距离探测和监控。
光探测技术的发展趋势与挑战
发展趋势
随着技术的不断发展，光探测器的性能不断提高，响应速度更快、灵敏度更高 、线性范围更广。同时，新型的光探测器不断涌现，如单光子探测器、量子点 探测器等。
挑战
光探测技术面临的挑战主要包括提高探测器的响应速度和灵敏度、降低噪声和 暗电流、减小体积和成本等。此外，新型光探测器的研发和应用也需要解决一 些技术难题，如稳定性、可靠性等。
数据传输。
传感领域
光探测及光接收机还可应用于光学 传感领域，如气体、湿度、温度等 传感器的检测，以及生物传感等。
科学研究
在物理学、化学、生物学等科学研 究中，光探测及光接收机可用于探 测和分析各种光谱信号，为科学研 究提供有力支持。
光探测及光接收机的发展历程与趋势
发展历程
自20世纪60年代以来，随着光纤技术和半导体技术的不断发 展，光探测及光接收机经历了从低速到高速、从低灵敏度到 高灵敏度的发展历程。
工作原理
光探测及光接收机通过光电效应将光信号转换为电信号。当光信号照射到光探测器的表面时，光子与探测器材料 相互作用，产生电子-空穴对。在电场的作用下，电子和空穴分别向相反方向移动，形成电信号。
第五章光通信之光电检测器PPT课件
4 雪崩光电二极管
■雪崩光电二极管的结构与PIN不同表现在增 加了一个附加层，以实现碰撞电离产生二次 电子-空穴对，在反向时夹在I层和N层间的P 层中存在高电场，该层称为倍增区或增益区 雪崩区，耗尽层仍为I层，起产生一次电子 -空穴对的作用。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
工作原理
光照hv>Eg-->耗尽区吸收大部分光-->受激吸收 -->光生载流子-->耗尽区电场作用，电子向N区漂移， 空穴向P区漂移-->反向电压，耗尽区加宽 -->接通电 路，R上有电流
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
2 接收机中存在的噪声源可分为（）（）（） 二、简答题： 1 雪崩光电二极管是利用什么原理使检测灵敏度
得到大大提高的？ 2 半导体光电二极管是利用什么原理实现光/电
转换的？ 3 比较APD、PIN光电检测器的优缺点。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
3 PIN光电二极管
■由于PN结耗尽区只有 几微米，大部分入射 光被中性区吸收，因 而光电转换率低，响 应速度慢。为改善器 件的特性，在PN结中 间设置一层掺杂浓度 很低的本征半导体 （称为I层），这种 结构便是常用的PIN 光电二极管。
基于异质结的PIN光电二极管
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
■雪崩光电二极管的结构与PIN不同表现在增 加了一个附加层，以实现碰撞电离产生二次 电子-空穴对，在反向时夹在I层和N层间的P 层中存在高电场，该层称为倍增区或增益区 雪崩区，耗尽层仍为I层，起产生一次电子 -空穴对的作用。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
工作原理
光照hv>Eg-->耗尽区吸收大部分光-->受激吸收 -->光生载流子-->耗尽区电场作用，电子向N区漂移， 空穴向P区漂移-->反向电压，耗尽区加宽 -->接通电 路，R上有电流
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
2 接收机中存在的噪声源可分为（）（）（） 二、简答题： 1 雪崩光电二极管是利用什么原理使检测灵敏度
得到大大提高的？ 2 半导体光电二极管是利用什么原理实现光/电
转换的？ 3 比较APD、PIN光电检测器的优缺点。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
3 PIN光电二极管
■由于PN结耗尽区只有 几微米，大部分入射 光被中性区吸收，因 而光电转换率低，响 应速度慢。为改善器 件的特性，在PN结中 间设置一层掺杂浓度 很低的本征半导体 （称为I层），这种 结构便是常用的PIN 光电二极管。
基于异质结的PIN光电二极管
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
光纤通信课件第5章光检测器及光接收机1-2
综上所述，检测某波长的光时要选择合适材料作成的光 检测器。
首先，材料的带隙决定了截止波长要大于被检测的光波 波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。
pin光电二极管的性能
其次，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效 率。
Si：c=1.06m，使用范围：0.5~1.0 m Ge： c=1.6m，使用范围：1.1~1.6 m InGaAs： c=1.6m，使用范围：1.1~1.6 m
光纤通信技术第五章
光检测器及光接收机
驱动电路
光源
调制器
光纤
中继器
光纤
光电二 极管
放大器 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。
光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。
第五章 光检测器及光接收机
5.1 光检测器 5.2 光接收机 5.3 光接收机的噪声特性 5.4 光接收机的灵敏度 5.5 光接收机的性能评估
M
IM Ip
1
1
V /
VB
n
IM ：雪崩增益后输出电流的平均值 Ip：未倍增时的初级光电流 V：反向偏压 VB：二极管击穿电压 n：常数，一般为 2.5~7
入与射晶光格-碰吸--撞-收--电-一离对--电-雪--子-崩----空多穴对对电(一子次-空光穴生对电(二流次)-光--外-生--电-电--场-流--加-）- 速
耗尽层仍为I 层，起产生一 次电子－空穴 对的作用。
增加了一个附加 层，倍增区或增 益区，以实现碰 撞电离产生二次 电子－空穴对。
APD光电二极管的结构
Ip
/ e0 / hv
(1
Rf
首先，材料的带隙决定了截止波长要大于被检测的光波 波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。
pin光电二极管的性能
其次，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效 率。
Si：c=1.06m，使用范围：0.5~1.0 m Ge： c=1.6m，使用范围：1.1~1.6 m InGaAs： c=1.6m，使用范围：1.1~1.6 m
光纤通信技术第五章
光检测器及光接收机
驱动电路
光源
调制器
光纤
中继器
光纤
光电二 极管
放大器 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。
光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。
第五章 光检测器及光接收机
5.1 光检测器 5.2 光接收机 5.3 光接收机的噪声特性 5.4 光接收机的灵敏度 5.5 光接收机的性能评估
M
IM Ip
1
1
V /
VB
n
IM ：雪崩增益后输出电流的平均值 Ip：未倍增时的初级光电流 V：反向偏压 VB：二极管击穿电压 n：常数，一般为 2.5~7
入与射晶光格-碰吸--撞-收--电-一离对--电-雪--子-崩----空多穴对对电(一子次-空光穴生对电(二流次)-光--外-生--电-电--场-流--加-）- 速
耗尽层仍为I 层，起产生一 次电子－空穴 对的作用。
增加了一个附加 层，倍增区或增 益区，以实现碰 撞电离产生二次 电子－空穴对。
APD光电二极管的结构
Ip
/ e0 / hv
(1
Rf
第5章光电检测器和光接收机
暗电流Id构成本地背景噪声，称为暗电流散粒噪声， 其电流均方值为
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
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
光纤通信第5章光探测及光接收机课件
30
阅读内容
5.5.3 光电探测器的量子限制 5.6 灵敏度下降机理
“功率代价” 5.7 光接收机的性能
“眼图” P226
31
n 时钟信号经过适当的移相后在最佳的取样时间对升余弦信号进 行取样，然后将取样幅度与判决阈值进行比较，确定码元是“0” 还是“1”，从而把升余弦波形恢复再生成原传输的数字信号。
10
• 判决、再生过程
判决电压 均衡器输 出波形
时钟
再生后 的信号
最佳的判决时间应是升余弦波形的Байду номын сангаас负峰值点， 这时取样幅度最大，抵抗噪声的能力最强。
u通常数字光接收机要求 BER10-9
u接收机灵敏度定义为保证比特误码率为10－9时，要 求的最小平均接收光功率 Prec
5.5.1 比特误码率
23
5.5.1 比特误码率
u由于接收机噪声的影响，可能把比特“1”误认为“0” 码；同样也可能把“0”码错判为“1”码。误码率包括这 两种可能引起的误码，因此误码率为：
第五章光探测及光接收机
1
第五章光探测及光接收机
u发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅幅度衰减了， 而且脉冲波形也展宽了。 u光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号， 并放大、整形、再生成原输入信号。 u它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号 的光电检测器。 u对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、 成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。 u用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些要求。
n 均衡滤波的作用是将输出波形均衡成具有升余弦频谱函数特性，
做到判决时无码间干扰。
n 因为前放、主放以及均衡滤波电路起着线性放大的作用，所以
阅读内容
5.5.3 光电探测器的量子限制 5.6 灵敏度下降机理
“功率代价” 5.7 光接收机的性能
“眼图” P226
31
n 时钟信号经过适当的移相后在最佳的取样时间对升余弦信号进 行取样，然后将取样幅度与判决阈值进行比较，确定码元是“0” 还是“1”，从而把升余弦波形恢复再生成原传输的数字信号。
10
• 判决、再生过程
判决电压 均衡器输 出波形
时钟
再生后 的信号
最佳的判决时间应是升余弦波形的Байду номын сангаас负峰值点， 这时取样幅度最大，抵抗噪声的能力最强。
u通常数字光接收机要求 BER10-9
u接收机灵敏度定义为保证比特误码率为10－9时，要 求的最小平均接收光功率 Prec
5.5.1 比特误码率
23
5.5.1 比特误码率
u由于接收机噪声的影响，可能把比特“1”误认为“0” 码；同样也可能把“0”码错判为“1”码。误码率包括这 两种可能引起的误码，因此误码率为：
第五章光探测及光接收机
1
第五章光探测及光接收机
u发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅幅度衰减了， 而且脉冲波形也展宽了。 u光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号， 并放大、整形、再生成原输入信号。 u它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号 的光电检测器。 u对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、 成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。 u用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些要求。
n 均衡滤波的作用是将输出波形均衡成具有升余弦频谱函数特性，
做到判决时无码间干扰。
n 因为前放、主放以及均衡滤波电路起着线性放大的作用，所以
光探测及光接收机
换
器
偏置控制
AGC电路
时钟恢复
告警电路
告警信号
1. 光电检测器：光信号转换成电信号 PIN－－半导体光电二极管 APD－－雪崩光电二极管
2. 前置放大器：
➢ 低噪声放大器 ➢ 减弱或防止电磁干扰 ➢ 抑制噪声（热噪声和散粒噪声） ➢ 放大信号
（1）带宽和灵敏度：接收机中心问题（降 低输入噪声，提高灵敏度）
1
e
(
I I1 ) 2 12
2
2 1
f0(I)
1
e
(
I
I 2
0
2 0
)
2
2
2 0
P (1 / 0 ) ID f 0 ( I ) d I
P (0 /1)
ID
f1(I )dI
P (0 / 1) 1 e rfc[ I1 I D ] P (1 / 0 ) 1 e rfc[ I D I 0 ]
2. 雪崩光电二极管
APD: Avalanche photodiode
(1) 速度高，增益大，广泛应用于光 通信系统中。
(2) 能承受高的反向偏压，从而在PN结 内部形成一个高电场区，电子－空穴对 经过电场区时被加速，又可能碰到其他 原子，多次碰撞电离的结构，使载流子 迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪 崩倍增效应。
4. MSM光探测器：金属－半导体－金属 光探测器（Metal－Semiconductor－ Metal），基本原理一样，入射光子产 生电子－空穴对，电子－空穴对的波动 产生光电流
5. 集成光学光电探测器
为适应光电子集成电路（OEIC）的要 求，研究适用于单片集成的各种光波探 测器，光波导探测器，不采用光压电方 式，采用光电导和雪崩方式
器
偏置控制
AGC电路
时钟恢复
告警电路
告警信号
1. 光电检测器：光信号转换成电信号 PIN－－半导体光电二极管 APD－－雪崩光电二极管
2. 前置放大器：
➢ 低噪声放大器 ➢ 减弱或防止电磁干扰 ➢ 抑制噪声（热噪声和散粒噪声） ➢ 放大信号
（1）带宽和灵敏度：接收机中心问题（降 低输入噪声，提高灵敏度）
1
e
(
I I1 ) 2 12
2
2 1
f0(I)
1
e
(
I
I 2
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2
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P (1 / 0 ) ID f 0 ( I ) d I
P (0 /1)
ID
f1(I )dI
P (0 / 1) 1 e rfc[ I1 I D ] P (1 / 0 ) 1 e rfc[ I D I 0 ]
2. 雪崩光电二极管
APD: Avalanche photodiode
(1) 速度高，增益大，广泛应用于光 通信系统中。
(2) 能承受高的反向偏压，从而在PN结 内部形成一个高电场区，电子－空穴对 经过电场区时被加速，又可能碰到其他 原子，多次碰撞电离的结构，使载流子 迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪 崩倍增效应。
4. MSM光探测器：金属－半导体－金属 光探测器（Metal－Semiconductor－ Metal），基本原理一样，入射光子产 生电子－空穴对，电子－空穴对的波动 产生光电流
5. 集成光学光电探测器
为适应光电子集成电路（OEIC）的要 求，研究适用于单片集成的各种光波探 测器，光波导探测器，不采用光压电方 式，采用光电导和雪崩方式
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光光光光
光光光
AGC 光光
对主放输出的失 真数字脉冲进行 整形和补偿，使 之成为有利于判 决的码间干扰最 小的升余弦波形
根据输入信号大小自动调整放大器增益，使 输出信号保持恒定，以扩大接收机动态范围。 高速系统中通常用限幅放大器（LA）替代 AGC。
主放大器作用
① 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。
因此，从“眼图”上可 以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计 系统优劣程度。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整， 以减小码间串扰和改善系统的传输性能。
眼图
（ 1 ）眼图张开的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样再生的时间间隔。 最佳抽样时刻应 在 “眼睛” 张开最大的时刻。
（ 2 ）对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。斜率越大，对定时误差就越 灵敏。
第五章 光检测器及光接收机
5.2 光接收机
光接收机
接收机的任务 1. 检测出因为长途传输而变得很微弱的信号 2. 从受到各种干扰的信号中恢复出原始数据
光纤通信系统有模拟和数字两大类，光接收机也相应的有两大 类，即模拟接收机和数字接收机。
光解调原理
根据接收信号与光电检测器的关系：
1. 非相干检测： 直接功率检测方式。通过光电二极管直接将接收的信号恢复成 基本调制信号的过程。
SNR=平均信号功率/噪声功率
光接收机性能
光接收机的误码率和灵敏度是描述光接 收机准确检测光信号能力的性能指标。
误码率——数字接收机性能
光接收机对码元误判的概率称为误码率(在二元制的情况下， 等于误比特率，BER)：在传输的码流中，误判的码元数Ne 和接收的总码元数Nt的比值来表示：
BER N e N e Nt Bt
眼图
观察眼图的方法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后 调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步 ，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称 为 “眼图”。在 无码间串扰和噪声的理想情况下，波形无失真，每个码元将重叠在一 起，最终在示波器上看到的是迹线又细又清晰的“眼睛”，“眼”开 启得最大。当有码间串扰时，波形失真，码元不完全重合，眼图的迹 线就会不清晰，引起“眼”部分闭合。若再加上噪声的影响，则使眼 图的线条变得模糊，“眼”开启得小了。
(2)温度补偿电路。由于光接收机环境温度变化时，雪 崩管的增益将发生变化，由此，使接收机的灵敏度变化。 为了尽可能减少这种变化，就需给雪崩管的偏压加温度 补偿电路，使雪崩管偏压温度产生相应的变化。
(3)告警电路。当输入光接收机的光信号太弱或无光信 号时，则由告警电路输出一个告警信号至告警盘。
集成光接收机
作用：均衡波形有利判决。均衡滤波器是必不可少的。 ① 没有均衡滤波器将出现这些现象：
将会使前、后码元的波形重叠，产生码间干扰，严重时造成判决电 路误判，产生误码。
② 有均衡滤波器的波形
均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形。例 如，成为升余弦频谱脉冲。
均衡滤波器
使经过均衡器以后波形成为有利于判决的波形。
放大器
•放大器噪声
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。
接收机的噪声评价方法
噪声是一种随机性的起伏量，是电信号中不需要的成分， 它干扰实际系统中信号的传输和处理，影响和限制了系统 的性能。
(1)噪声的大小可以用均方值来表示 (2)信噪比 (SNR)
作电压，响应速度快。 B. APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，探测灵敏度高，
但需要较高的偏置电压和温度补偿电路
常用搭配：EDFA光放大器 + pin
前置放大器 主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最 小，一般采用场效应晶体管(FET)
线性通道
提供高的增 益，放大到 适合于判决 电路的电平
为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接 收机，即用“光电集成电路(OEIC)技术”在同一芯片上集成 包括光检测器在内的全部元件。
集成光接收机
对于工作在1.3~1.6 μm波长的系统，人们需要基于InP的 OEIC接收机。
在1991年试验成功的单路InGaAs OEIC接收机，其运行 速率达5 Gb/s。
光电检测器
低通滤波器
直接功率检测方式原理
光解调原理
2. 相干检测：
首先接收光信号要与一个光本地振荡器在光混频之后，再被光 电检测器变换成一定要求的电信号。
输入光信号 混频器
光电检测器
本地振荡器 相干检测原理
灵敏度高，超长中继距离的光纤通信系统（海底光纤通信系统） 中。应用范围小。
接收机工作的基本原理
② 它还是一个增益可调节的放大器，当光电检测器输出 的信号出现起伏时，通过光接收机的自动增益控制电路 对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的输出信号 幅度在一定范围不受输入信号的影响，一般主放大器的 峰-峰值输出是几伏数量级。对于APD的光接收机还通过 控制APD的偏压来控制雪崩倍增管的增益。
均衡滤波器
由接收机引入的噪声源如下图所示：
散粒噪声
接收机的噪声源
光接收机的噪声是与信息无关的随机变化量，噪声源从引 入过程来分，可分为两类，即，与信号光电检测器有关的 噪声和与光电接收机电路有关的噪声。
与信号光电检测器有关的噪声包括：量子噪声、雪崩倍增 噪声、暗电流及漏电流噪声和背景噪声等。(散粒噪声)
电信号
光光光光
前端：由光电二极管和前置放大器组成 作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变光生电流，
然后进行预放大(电流信号到电压信号的转换)，以便 后级作进一步处理 要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽
光接收机的核心部分：前端
类型： A、低阻抗前端：从频带要求出发选择偏置电阻
优点：电路简单，不需要或只需要很少的均衡，光 光光
为精确确定“判决时刻”， 需要从信号码流中提取准 确的时钟信息作为标定， 以保证与发送端一致
判决、再生过程
判决电压 均衡器输 出波形
时钟
再生后 的信号
最佳取样时间相应于“1”和“0”信号电平 相差最大的位置，可由眼图决定。
判决、再生过程
眼图
示波器屏幕上所显示的数字通信符号,由许多波形部分重叠形成，其 形状类似“眼”的图形。“眼”大表示系统传输特性好；“眼”小表 示系统中存在符号间干扰。
眼图
垂直张开度：
反映系统的抗噪声能力。
水平张开度：
反映过门限失真的大小。
小，会导致提取出的时钟信号的抖动增加。
辅助电路
光接收机除上面介绍的若干部分外，还有一些辅助电路，如
(1)钳位电路。为了使输入判决器的信号稳定，在判决 器前面还加有钳位电路，它将已均衡波的幅度底部钳制 在一个固定的电位上。
光子流 h
光检测器
偏置电阻 RL
•量子噪声
•暗电流噪声 •漏电流噪声 •APD倍增噪声
•热噪声
放大器
•放大器噪声
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。
接收机噪声及其分布图
光子流 h
光检测器
偏置电阻 RL
•量子噪声
•暗电流噪声 •漏电流噪声 •APD倍增噪声
•热噪声
光接收机的组成部件，除了光电二极管外，都是标准的电子 元器件，采用标准集成电路(IC)工艺技术， 很容易集成在同 一芯片上，做成集成光接收机。
在高比特工作时，这种集成光接收机具有很多优点。90年代 末用Si和GaAs集成电路工艺已制成带宽超过2GHz的集成光 接收机，现在带宽超过10GHz的集成光接收机也已用于光波 实验系统。
接收机噪声及其分布图
光子流 h
光检测器
偏置电阻 RL
•量子噪声
•暗电流噪声 •漏电流噪声 •APD倍增噪声
•热噪声
放大器
•放大器噪声
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。
接收机噪声及其分布图
均衡滤波器作用 高速接收机，通常省去均衡滤波技术 目前已出现用于10Gb/s系统的商用均衡滤波芯片，多用于10Gb 的多模光纤传输
判决再生与时钟提取
任务：把线性通道输出的波形恢复成数字信号
对某时隙的码元进行判 决，恢复原始信号
为确定是“1”或是 “0”，需要对某时隙 的码元作出判决。若 判决结果为“1”，则 由再生电路产生一个 矩形“1”脉冲；若判 决结果为“0”，则由 再生电路重新输入一 个“0”。
光子流 h
光检测器
偏置电阻 RL
•量子噪声
•暗电流噪声 •漏电流噪声 •APD倍增噪声
•热噪声
放大器
•放大器噪声
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 和严格的工艺使之降低。
接收机噪声及其分布图
InGaAs OEIC接收机也可以用混合法实现。 如下图所示， 电元件集成在GaAs基片上，而光检测器
集成在InP基片上，两个部分通过接触片连接在一起。
集成光接收机
光 检 测器 N＋-InP 基 片 P-接 触 片 N-接 触 片
GaA s基 片
光电集成接收机
电 路 部分
接收机的噪声
在数字光纤通信系统中，传输的是由“0”和“1” 组成的二 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”码)和“断开”(“0”码)两个电平上变动。
按照“1”码时码元周期T的大小，分为归零码(RZ码)与非 归零码 (NRZ码)两种。
数字信号传输
系统中的各种干扰 最终产生误码