光接收机
光接收机的应用与原理
光接收机的应用与原理一、光接收机的概述光接收机是光通信系统中至关重要的组成部分，用于接收光信号并将其转换为电信号。
它在光纤通信、光无线通信等领域广泛应用，成为现代通信技术的重要支撑。
二、光接收机的原理光接收机的基本原理是利用光电二极管将光信号转换为电信号。
光电二极管是一种能够将光能转化为电能的器件，它的结构类似于半导体二极管。
当光子入射到光电二极管的PN结上时，会激发电子从价带跃迁到导带，产生电流。
这个电流的大小与入射光子的能量有关，所以可以借此将光信号转换为电信号。
三、光接收机的工作原理光接收机主要通过以下几个步骤将光信号转换为电信号：1.光接收：接收器接收到入射光信号，光子入射到光电二极管上；2.光电转换：光电二极管将光子能量转换为电子能量，激发电子从价带跃迁到导带；3.电荷放大：电荷放大器将产生的微弱电流放大为可以被检测的电信号；4.信号处理：经过信号处理电路，将电信号进行滤波、放大、整形等处理；5.输出：最终将处理后的电信号输出给其他设备进行处理或存储。
四、光接收机的应用光接收机在光通信、光无线通信等领域有着广泛的应用，具体包括以下几个方面：•光纤通信：光接收机作为光纤通信系统中的关键组件，用于将光信号转换为电信号，并完成信号处理和转发。
•光无线通信：光接收机在光无线通信系统中起到类似的作用，将光信号转换为电信号，并进行后续处理和传输。
•光传感器：光接收机可以用于制造各种光传感器，用于环境监测、光学测量等应用。
•光学测量：在科学研究和工程领域，光接收机可以用于精密光学测量，如激光测距、光谱分析等。
•光电子设备：光接收机也可以用于制造各种光电子设备，如光电开关、光电触发器等。
五、光接收机的发展趋势随着通信技术的不断发展，光接收机也在不断演进和创新，未来的发展趋势主要包括以下几个方面：1.高速化：随着通信速度的不断提升，光接收机需要具备更高的接收速度和处理能力。
2.多功能化：光接收机将不仅能够接收光信号，还能够进行信号处理、光谱分析等多种功能。
光接收机的主要指标
光接收机的主要指标
光接收机的主要指标包括以下几项：
1. 接收灵敏度(Sensitivity)：指光接收机在特定条件下能够正确接收和解读光信号的最小输入功率。
一般以dBm为单位表示，数值越小表示灵敏度越高。
2. 动态范围(Dynamic Range)：指光接收机可接受的最大和最
小输入功率之间的差距。
该指标直接影响光接收机对于不同输入功率的信号的处理能力。
3. 带宽(Bandwidth)：指光接收机能够正确接收和处理的频率
范围。
一般以Hz为单位表示，该指标决定了光接收机可以处
理的信号带宽。
4. 抗多径衰落性能(Multipath Fading Performance)：指光接收机在多径传播环境中对于信号衰落和失真的抵抗能力。
5. 误码率(Bit Error Rate, BER)：指光接收机在特定条件下接收
到的比特信号中错误的比特数量与总接收比特数量之比，常用于评估光接收机的性能。
6. 电流噪声(Noise Current)：指光接收机中电流噪声对于恢复
信号的影响。
光接收机的电流噪声越小，其信号恢复性能越好。
7. 电平线性度(Level Linearity)：指光接收机在不同输入光功率
下的输出信号电平是否保持线性。
良好的电平线性度有助于光
接收机准确地还原原始信号。
8. 脉宽失真(Pulse Distortion)：指光接收机对于短脉冲信号在传输过程中所引起的失真和延迟。
以上指标对于评估和比较不同光接收机的性能具有重要意义，不同应用场景下的光接收机可能会侧重不同的指标。
光接收机的工作原理及应用
光接收机的工作原理及应用1. 工作原理光接收机是一种用于接收光信号并将其转化为电信号的设备。
其工作原理基于光电效应和半导体器件的特性。
光电效应是指当光线照射到某些物质上时，会引发物质内部电子的运动。
光接收机中的光电二极管就是利用光电效应实现光信号转换的关键组件。
当光信号通过光纤或其他光传输介质传输到光接收机中时，光线会照射到光电二极管上。
这时，光子的能量会导致光电二极管内部的电子从价带跃迁到导带，产生电流。
接收到的光信号经过放大和处理后就可得到电信号。
除了光电二极管，光接收机还包括前置放大器、滤波器、放大器、数字处理器等组件。
前置放大器用于增加接收到的微弱光信号的强度，滤波器用于滤除杂散信号和不需要的频段。
放大器可以进一步增强信号强度，并提高信号质量。
数字处理器则用于对电信号进行采样、解调和误码校正等操作。
2. 应用领域光接收机具有高速、低噪声、大动态范围等优点，因此在许多领域具有广泛的应用。
2.1 光通信光接收机在光通信领域中扮演着重要的角色。
光纤通信系统中的光接收机能够将光信号转换为电信号，并经过解调处理，从而实现数据的传输和通信。
光接收机的高速度和低噪声特性使其在长距离光纤通信和高速数据传输中具有独特的优势。
2.2 光信号检测光接收机也广泛用于光信号的检测。
例如，在光电子学实验中，光接收机可用于检测光的强度、频率和偏振等信息。
此外，在光谱分析和光学传感器中，光接收机也可以用于检测光信号的特征和变化。
2.3 光电子设备光接收机还可以被应用于光电子设备中。
例如，在光纤传感器中，光接收机可用于接收传感器部件发出的光信号，并转化为电信号进行处理和分析。
在光存储器和光计算机中，光接收机也是必不可少的组成部分。
2.4 其他领域除了以上几个主要领域，光接收机还可以用于激光雷达、光学成像、光电测量等应用中。
在这些领域中，光接收机能够帮助我们获取到光信号中的有用信息，并实现相关的应用和功能。
3. 总结光接收机是一种将光信号转换为电信号的设备，其工作原理基于光电效应和半导体器件的特性。
光纤通信原理第四章光接收机
在高斯近似下，放大器和均衡滤波器输出端的总
噪声的概率密度函数依然是高斯函数，且总噪声功率 为
•放大器输出噪声主要由前置级决定，只要第一级的增 益足够大，以后各级引入的噪声可略，
•分析时把所有噪声等效到输入端。
放大器输入端的噪声源
电阻的热噪声和有源器件的噪声，都是由无限
多个统计独立的不规则电子的运动产生的，它们的 总和的统计特性服从正态分布。放大器噪声的概率 密度函数可以表示为高斯函数
f x 21expx2m22
1．光接收机输入端等效电路及噪声源
is(t)：光电检测器等效电流源，in(t):光电检测 器的散粒噪声，Cd:光电检测器的结电容。Rb和Cs： 偏置电阻和偏置电路的杂散电容，Ra和Ca：放大 器的输入电阻和电容。
放大器的有源器件会引入噪声。一般将第一 级有源器件的各种噪声源都等效到输入端，分两 种情况：一种是等效为输入端并联的电流噪声源ia, 设它的功率谱密度为sI；另一种是等效为输入端串 联的电压噪声源ea，设它的功率谱密度为SE。
4.2光接收机
4.2.1光接收机简介 4.2.2放大电路及其噪声 4.2.3光接收机灵敏度的计算
4.2.1 光接收机简介
光接收机的组成
光接收机：模拟和数字。模拟光接收机，主要用于 光纤CATV系统；数字光接收机，用于大部分通信系 统。
检测方式：相干和非相干。相干检测，先将接收的 光信号与一个本地振荡光混频，再被光电检测器变换 成中频信号；非相干检测，常用的非相干检测是直接 功率检测，用光电二极管直接将接收的光信号变换成 基带信号。
光接收机的原理
光接收机的原理光接收机是一种用于接收光信号并将其转换为电信号的设备。
它在光通信系统中起到非常重要的作用，用于接收来自光纤传输的信号，并将其转化为可供处理和解码的电信号。
光接收机的原理主要包括光检测和信号放大两个方面。
光检测是光接收机的核心部分。
当光信号到达光接收机时，首先经过光探测器的光敏区域。
光探测器通常使用光电二极管或光电二极管阵列。
在光敏区域中，光信号被吸收并产生光生电流。
光生电流的大小与入射光的光强成正比。
接下来，光生电流被传输到放大电路中进行信号放大。
放大电路通常由多个级联的放大器组成，以增加信号的幅度和质量。
放大器可以采用不同的技术，如电子管、晶体管或光电二极管。
放大电路的设计需要考虑到信号的频率范围、噪声性能和功耗等因素。
除了光检测和信号放大，光接收机还需要进行信号解调和数据恢复。
在数字光通信系统中，光信号通常采用调制技术传输数字信息。
因此，光接收机需要解调光信号，恢复出原始的数字信号。
解调技术通常包括光电探测器的电路设计和数字信号处理算法。
在光接收机的设计中，还需要考虑到其他一些关键因素。
例如，光接收机需要具备高灵敏度和低噪声的特性，以便能够接收到弱光信号并保持良好的信号质量。
此外，光接收机还需要具备较快的响应速度，以适应高速光通信系统的要求。
同时，光接收机的设计还要考虑到功耗和成本的问题，以确保在实际应用中具备可行性和可靠性。
光接收机是光通信系统中不可或缺的组成部分，它能够将光信号转换为电信号，并在此过程中起到信号放大、解调和数据恢复的作用。
光接收机的原理主要包括光检测和信号放大两个方面，其中光检测通过光电二极管或光电二极管阵列实现，信号放大通过放大电路实现。
光接收机的设计需要考虑到灵敏度、噪声、响应速度、功耗和成本等因素。
通过不断的研究和创新，光接收机的性能将得到进一步的提高，为光通信技术的发展做出更大的贡献。
光纤通信ppt概要
2 1 Rt2
2Ct2
d 2
Rt Rb // Ra ； Ct Cd Cs Ca ；ZT 是放大器、均衡滤
波器的传递函数，它表示输入电流与输出电压之间的传
递关系，实为转移阻抗
可以看出：①偏置电阻Rb越大，电阻的热噪声越小；② 输入电阻Rt越大、输入电容Ct越小，串联电压噪声源对 总噪声的影响越小
4．APD的过剩噪声
APD的过剩噪声系数为
g2
g2
F G
g2
G2
在工程上，为简化计算，常用过剩噪声指
数来表示过剩噪声系数，即
F G≈Gx
3.3 放大电路及其噪声
3.3.1 噪声的数学处理
1．噪声的统计性质
对噪声的分析应采用随机过程的分析方法 电阻内部微观粒子的热骚动是一个随机过 程
对于随机噪声XN来说，落在x1和x1+dx1之 间的概率是
2kK gm
gSmi 是FE场T，效应管0.7的；跨对导G；aA是s F器ET件，的 ≈数值1.系1 数，对
（3）输出瑞的总噪声功率
当得vn2aR到b足2RkbK够 e大0Igate时 2，kgKm上vRn1b式a2 中 C的gZtmT2第 一2 d2项 2可kgKm以 C2忽t2 略 ，Z T 因 此2 2d
3.3.3 场效应管和双极晶体管
的噪声源
1．输入端的等效电路及噪声源
场效应管的主要噪声源有两个 : 栅漏电流的散粒噪声 沟道热噪声
（1）散粒噪声
散粒噪声其功率谱密度为 SI e0Igate e漏0为电电流子电荷，e0 1.61019C，Igate是场效应管的栅
（2）沟道热噪声 功率谱密度为
d iout df
3.2.1
PN 结 的 光
光接收机的结构及原理
光接收机的结构及原理光接收机是一种用于接收光信号并转换为电信号的设备。
它在光通信系统中起着至关重要的作用。
本文将详细介绍光接收机的结构和原理，以匡助读者更好地理解该设备的工作原理和性能。
一、光接收机的结构光接收机通常由以下几个主要组成部份构成：1. 光探测器：光探测器是光接收机的核心部件，用于将光信号转换为电信号。
常见的光探测器包括光电二极管（Photodiode）和光电导（Phototransistor）等。
光电二极管是一种半导体器件，当光照射到其PN结时，会产生电流。
光电导是一种具有放大功能的光电二极管，它可以将光信号转换为电流信号，并通过放大电路放大电流信号。
2. 光电转换电路：光电转换电路用于将光电二极管或者光电导输出的微弱电流信号转换为电压信号，并进行放大。
光电转换电路通常包括前置放大电路、滤波电路和放大器等。
前置放大电路用于提高光电二极管或者光电导的灵敏度，滤波电路用于滤除噪声和杂散信号，放大器用于放大电流信号，以便进一步处理和解析。
3. 接收电路：接收电路用于对光电转换电路输出的电压信号进行解码和处理。
它通常包括解调电路、解码电路和信号处理电路等。
解调电路用于将调制的光信号解调为基带信号，解码电路用于将基带信号解码为原始数据信号，信号处理电路用于对原始数据信号进行滤波、放大和整形等处理，以便进一步应用和分析。
4. 光纤连接器：光纤连接器用于将光接收机与光纤连接起来，以实现光信号的传输。
常见的光纤连接器有FC、SC、LC等不同类型，它们具有低插损、高耐用性和良好的光学性能，能够确保光信号的高质量传输。
二、光接收机的工作原理光接收机的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：1. 光信号接收：光接收机首先接收来自光纤的光信号。
光信号通过光纤传输到光接收机的光探测器。
2. 光电转换：光探测器将接收到的光信号转换为电信号。
光电二极管或者光电导在光照射下产生电流，电流的大小与光信号的强度成正比。
3. 电信号放大：光电转换电路对光电二极管或者光电导输出的微弱电流信号进行放大。
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
滤波器
滤波器
作用：对已发生畸变和有严重码间干扰的信号进 行均衡，使其尽可能地恢复原来的状况，以利于 定时判决。
我们最不能消除码间干扰，但我们能做到不管输入波 形如何变化，只要经过均衡滤波器后，采用时间点上干扰 为零，就可以消除码间干扰。
H out(
f
)
1 [1 2
cos (f
B)]
H p ( f ) Bsin(f B) f
滤波器传输函数为：
HT ( f ) H out( f ) H p ( f ) (f
2B)(1 cosf )
B
sin f
B
时钟恢复和判决电路
任务：把线性通道输出的余弦波形恢复成数字信号
确定是“1”或是“0”， 需要对某时刻的码元
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”。
erfc
I1
1
ID 2
erfc
ID
0
I0 2
2、Q参数
BER主要取决于判决阀值ID，
为使BER最小，应对ID进行优化，
在实际中，当ID满足下式关系时，
BER最小。
Q I1 ID ID I0 I1 I0
1
0
1 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。
判决再生
若信号电平超过判决门限电平，则判为“1”码； 低于判决门限电平，则被判为“0”码。
光接收机噪声分析
1.散粒噪声 散粒噪声是电子数目的随机涨落引起电流的随机
光接收机的构成
光接收机的构成
光接收机是一种用于信号传输和接收的设备，可以将光信号转换为电信号。
它由光探测器、前置放大器、数字信号处理器和输出接口等多个组件构成。
光探测器是光接收机的核心组件，它通过光电转换将光信号转换为电信号。
光探测器的种类包括光电二极管、光电倍增管、光电导等离子体管和光电子束管等。
其中，光电二极管是光接收机中最常用的探测器，它具有响应速度快、灵敏度高、噪声低等特点。
前置放大器是为了提高光信号的弱度而设置的，它可以将光探测器产生的微弱信号放大到足够大的电信号，以便进行后续的数字信号处理。
前置放大器的性能对光接收机的灵敏度、动态范围和信噪比等参数具有重要影响。
数字信号处理器是将前置放大器输出的信号进行数字化处理的组件，主要包括模数转换器、数字信号处理芯片等。
模数转换器可以将前置放大器输出的模拟信号转换为数字信号，数字信号处理芯片则可以对数字信号进行滤波、放大、去噪等处理。
输出接口是光接收机的最后一个组件，它将数字信号转换为标准的电信号输出，以便于连接到其他设备或者进行数据处理。
常用的输出接口包括RS232、RS485、以太网口等。
总之，光接收机具有结构简单、信号传输速度快、抗干扰能力强等优点，广泛应用于光通信、光电子仪器、激光雷达等领域。
- 1 -。
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。
THANKS
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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
光发射机和光接收机工作原理
光发射机和光接收机工作原理光发射机和光接收机是光通信系统中的重要组成部分，它们通过光信号的发送和接收实现了光通信的功能。
下面我将从工作原理的角度来详细解释光发射机和光接收机的工作原理。
首先，让我们来看看光发射机的工作原理。
光发射机通常由激光二极管或者激光器组成。
当电流通过激光二极管或激光器时，它们会产生光子。
这些光子被激发到一个能量级别，然后被释放出来，形成了光信号。
这个光信号经过光纤或者空气传输到远端的光接收机。
接下来，让我们来看看光接收机的工作原理。
光接收机通常由光探测器组成，光探测器可以是光电二极管或者光电探测器。
当光信号到达光接收机时，光信号被光探测器接收，然后被转换成电信号。
这个电信号经过放大和处理后，就可以被解码成原始的数据信号。
总的来说，光发射机的工作原理是将电信号转换成光信号，而光接收机的工作原理是将光信号转换成电信号。
这样就实现了光通信系统中的信号发送和接收功能。
这种光通信系统具有传输速度快、抗干扰能力强等优点，因此在现代通信系统中得到了广泛的应用。
除此之外，光发射机和光接收机的工作原理还涉及到光学器件的选择、电路设计、信号处理等方面的知识。
例如，光发射机需要考虑激光二极管或激光器的工作参数选择，光接收机则需要考虑光探测器的灵敏度和带宽等参数。
同时，光通信系统中的光纤传输、光信号调制解调等技术也是光发射机和光接收机工作原理的重要组成部分。
综上所述，光发射机和光接收机是光通信系统中的重要组成部分，它们通过光信号的发送和接收实现了光通信的功能。
光发射机将电信号转换成光信号，而光接收机将光信号转换成电信号，从而实现了光通信系统中的信号发送和接收功能。
希望这个回答能够全面地解释了光发射机和光接收机的工作原理。
第三章-光接收机
光纤通信 第3章
21
2、 雪崩光电二极管
(APD，Avalanche Photodiode)
1) 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
光纤通信 第3章
22
2） APD的工作特性
（a) APD的平均雪崩增益和雪崩击穿电压
平均雪崩增益定义为:
G IM Ip
第 3 章 光接收机
3.1 光接收机简介 3.2 光电检测器 3.3 放大电路及其噪声 3.4 光接收机的灵敏度 3.5 光接收机的组成模块 3.6 相干检测光接收机简介
光纤通信 第3章
1
驱动电路
光源
调制器
光纤
中继器
光电二 极管
光纤
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。
耗尽区
P
N
• 电子空穴对在电场的作 用下定向运动, 形成光电流
h > Eg 或 hc / Eg
光纤通信 第3章
11
2） PD的工作特性
a) 波长响应范围
定义：
c
hc Eg
1 24 Eg (eV )
(μm)
为光电二极管的上截止波长。
Si材料的PD：1.06 m
Ge 或InGaAs材料：1.6-1.7 m
形成纯空穴电流注入 高场区，减小过剩噪声 ，加大增益。
光纤通信 第3章
26
新型光电检测器
行波光电二极管
解决响应速度和量子效率对I区要求的矛盾。
光纤通信 第3章
光接收机原理
光接收机原理光接收机是一种能够接收光信号并将其转换为电信号的装置。
它在光通信系统中起着至关重要的作用，是实现光信号传输和接收的关键组成部分。
了解光接收机的原理对于理解光通信系统的工作原理和优化系统性能具有重要意义。
光接收机的原理主要包括光电探测和信号放大两个方面。
首先，光信号通过光纤传输到接收端，光接收机中的光电探测器将光信号转换为电信号。
光电探测器通常采用光电二极管或光电探测二极管，其工作原理是利用光的能量使半导体中的电子-空穴对被激发，从而产生电流。
这一过程是光信号转换为电信号的关键步骤，其性能直接影响着光接收机的灵敏度和响应速度。
其次，经过光电探测器转换的微弱电信号需要经过信号放大器进行放大，以便进一步处理和解析。
信号放大器通常采用高速、低噪声的放大器，其设计旨在最大限度地提高信号的信噪比和动态范围。
通过信号放大器的放大作用，光接收机能够更好地识别和解析光信号，从而实现高速、稳定的光通信传输。
除了光电探测和信号放大，光接收机还包括光学滤波、信号整形和时钟恢复等功能模块，这些模块共同协作，使得光接收机能够高效地接收和处理光信号。
光学滤波器用于滤除杂散光和其他频率成分，以保证接收到的信号纯净。
信号整形模块则用于对信号进行整形和调整，以适应后续处理电路的需要。
时钟恢复模块则用于从接收到的信号中提取时钟信号，以保证数据的同步和准确性。
总的来说，光接收机的原理是基于光电探测和信号放大的基本原理，并结合了光学滤波、信号整形和时钟恢复等功能模块，共同实现对光信号的高效接收和处理。
光接收机的性能直接影响着光通信系统的传输质量和稳定性，因此对光接收机的原理和工作机制进行深入理解，对于优化光通信系统具有重要意义。
光接收机的组成
光接收机的组成光接收机是一种将光信号转换为电信号的设备，它是光通信系统中不可或缺的组成部分。
光接收机的主要功能是将光信号转换为电信号，以便于后续的处理和传输。
下面将从光接收机的组成部分来详细介绍光接收机的工作原理。
1. 光探测器光探测器是光接收机的核心部件，它的作用是将光信号转换为电信号。
光探测器的种类有很多，常见的有光电二极管、PIN光电二极管和APD光电二极管等。
其中，APD光电二极管具有较高的灵敏度和增益，适用于长距离高速传输。
2. 放大器由于光信号在传输过程中会受到衰减，因此需要在光接收机中加入放大器来放大电信号。
放大器的种类有很多，常见的有前置放大器和后置放大器。
前置放大器一般放置在光探测器前面，用于放大光信号；后置放大器一般放置在光探测器后面，用于放大电信号。
3. 滤波器滤波器的作用是滤除杂散信号和噪声，保证信号的纯净性。
常见的滤波器有低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器等。
在光接收机中，一般采用带通滤波器，以保证信号的频率范围在合理的范围内。
4. 信号处理电路信号处理电路的作用是对电信号进行处理，以便于后续的传输和处理。
常见的信号处理电路有限幅电路、时钟恢复电路和误码率测试电路等。
限幅电路用于限制电信号的幅度，以避免过大或过小的信号对后续处理的影响；时钟恢复电路用于恢复信号的时钟信息，以便于后续的同步处理；误码率测试电路用于测试信号的误码率，以评估系统的性能。
5. 控制电路控制电路的作用是对光接收机进行控制和管理。
常见的控制电路有自动增益控制电路、自动偏置控制电路和温度控制电路等。
自动增益控制电路用于自动调节放大器的增益，以保证信号的稳定性；自动偏置控制电路用于自动调节光探测器的偏置电压，以保证信号的灵敏度；温度控制电路用于控制光接收机的温度，以保证系统的稳定性。
光接收机是由光探测器、放大器、滤波器、信号处理电路和控制电路等组成的。
它的主要作用是将光信号转换为电信号，并对电信号进行处理和控制，以保证系统的稳定性和性能。
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
光发射机与光接收机
高速调制技术
01
02
03
外调制技术
利用外部调制器对光信号 进行调制，实现高速率、 高效率的光信号传输。
直接调制技术
通过直接改变光源的驱动 电流或电压来实现光信号 的调制，具有简单、易实 现的优点。
先进调制格式
采用高阶调制格式如 QAM、OFDM等，提高 光信号的频谱效率和传输 性能。
灵敏度提升技术
移动通信
在5G和未来的6G移动通信网络 中，光发射机和光接收机可用于 实现高速、大容量的数据传输，
提升网络性能。
数据中心互联
随着云计算、大数据等技术的快 速发展，数据中心之间需要大容 量、低时延的数据传输，光发射 机和光接收机是实现这一目标的
关键技术之一。
广播电视领域应用
有线电视网络
光发射机和光接收机可用于有线 电视网络中的信号传输和接收， 提供高清、稳定的电视信号。
光接收机的灵敏度、动态范围等性能对接收到的 光信号进行准确解调至关重要。
光发射机与光接收机需相互匹配，以确保信号在 传输过程中的稳定性和可靠性。
性能指标对比
光发射机主要性能指标
输出光功率、消光比、光谱宽度、波 长稳定性等。
光接收机主要性能指标
灵敏度、动态范围、误码率、接收带 宽等。
04
关键技术与挑战
工作过程
光信号接收
光电转换
信号放大与处理
时钟提取与数据再 生
输出电信号
光接收机首先接收来自 光纤的光信号。
光信号经过光电转换器 件转换为电流信号。
电流信号经过前置放大 器和主放大器进行放大 ，以提高信号的幅度和 信噪比。同时，可能还 需要进行波形整形、均 衡等处理，以优化信号 质量。
从经过处理的信号中提 取时钟信息，并用于数 据再生，以确保数据的 准确性和可靠性。
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1 2 off
v boff 2 dv 2 vth exp 2 off
vth
类似地，也可以得到发送的1码被误判为0的概率：
P1 (vth ) p y | 1dy
vth vth
1 f1 ( y )dy 2 on
b h t nT
n p b
bn 0 or 1
其中P(t)是接收光功率 Tb是比特周期 bn是第n位信息的振幅参数 hp(t)是接收脉冲的波形 脉冲序列导致光电二极管在时间t内的平均输出电流为：
it M
q
hv
Pt M bn hp t nTb
n
BER Ne Ne Nt Bt
其中 B 1/ Tb 为比特速率，也叫脉冲传输速率 光纤通信系统的典型误码范围是10-9到10-12。
接收信号电平概率分布
给定一个电压v
发送一个"1"脉冲而均衡器输出电压小于v的概率：
P1 v p( y | 1)dy
v
其中p(y|1)为条件概率分布函数，表示发送1而输出电压为y的概率
N hv B / 21
物理意义：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。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的 光信号。 灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标
实际接收机灵敏度
影响实际光接收机灵敏度的因素很多，计算非常复杂， 这里仅介绍一些结论。 在不考虑码间干扰、均衡器频率特性影响的情况下，限 定误码率的最小平均接收光功率由下式给出：
Q n A 6 1018 P min 0 0.4
可以计算得到<P>min = 1.5×10-8W，S = -48.2 dBm。
光接收机灵敏度与传输速率的关系
由图可见，决定光接收机灵 敏度的主要因素是传输速率 和光检测器的特性等： 码率越高对灵敏度要求越高 APD灵敏度显著高于pin
如果在任意时间t1对信号电 压v(t) 进行抽样，抽样信号 v(t1)落在(v, v+dv)的概率：
单比特误码率
2 bon 和 on 分别表示1脉冲的高斯输出的均值和方差
发送0码时被误判为1的概率，即噪声脉冲超过阈值vth的概率：
P0 (vth ) p y | 0dy f 0 ( y)dy
I q P hv
其中q是电子电荷 是量子效率
是响应度
此电流经过放大和滤波，在均衡器输出端产生一个平均电压
本章讨论的主要问题
接收机主要部件及其功能 数字接收机的性能 模拟接收机的性能
7.2 数字接收机性能
由于噪声的存在，放大器输出的是一个随机过程，其取 样值是随机变量，因此在判决时可能发生误判，把发射的 “0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。 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：
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 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
主放大器 均衡器
AGC 电路
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
为发送的1码被误判为0的概率 P 1 vth
加权因子a和b是先验概率，或代表1或0出现的概率。
信号幅度高斯分布
p v m
为概率密度函数
为高斯概率分布函数的均值
为标准偏差，用以度量概率分布宽度
2
为噪声方差
2 v m 1 p(v)dv exp dv 2 2 2
理想接收机灵敏度
定义： 在保证通信质量 (限定误码率，如10-9)的条件下，光接 收机所需的最小平均接收光功率<P>min，并以dBm为单位。
P min S 10log (dBm) 3 10
量子极限下： P min E / t
N Bhc 2
光接收机的动态范围(DR)
定义 ：在限定的误码率条件下，光接收机所能承受的最大平 均接收光功率<P>max和所需最小平均接收光功率<P>min的比值， 用dB表示。根据定义：
p max DR 10 lg (dB) p min
误码源：噪声的干扰
系统的各个环节都会带来噪声，噪声对光信号会产生干扰： 如，链路中： EDFA 表示掺饵光纤放大器
由接收机引入的噪声源如下图所示：
本章讨论的主要问题
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
接收机主要部件及其功能 数字接收机的性能 模拟接收机的性能
Hale Waihona Puke v bon 2 dv 2 exp 2 on
误码率 bit-error-rate
设0和1等概率发送，且选取判决电压为 vth = (bonoff + boffon)/(off + on)：
BER Pe Q 1
Q/ 2
e x dx
Q 2 / 2
2
1 1 e Q 1 erf 2 2 2 Q 其中 vth boff bon vth Q off on
反映了信号质量，描述了接收机性能
erf x
2
当on = off = 且boff=0, bon=V, 则vth = V/2
判决再生与时钟提取
任务：把线性通道输出的升余弦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
再生码流 判决器
时钟 提取
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
接收的信号
入射到光检测器的二进制数字脉冲序列表示为：
Pt
n
N P /2 e 0.5P e10 0.5P e01 0.5P e10 0.5P r (0) e
通过这个式子，可以得到满足一定误码率要求时所需要的最小 输入能量。
例
一个数字光纤链路工作在850 nm时要求BER为10-9： (a) 先求出与光检测器量子效率和入射光子能量有关的量子极 限。由前可知，误码概率是：
Q nA P min
其中nA是折合到输入端的放大器噪声功率。将上式结果代入 定义式中即可算出实际接收机的灵敏度:
P min S 10log (dBm) 3 10
例
设pin-PD光接收机的工作参数如下：光波长 = 0.85 mm， 传输速率fb = 8.448 Mb/s，光电二极管响应度 0 = 0.4，互阻抗 前置放大器的噪声nA≈10-18。要求误码率Pe = 10-9，即Q = 6，
为保留在正确时隙内的光能量
1
为由于展宽而进入相邻时隙内的光能量
误码源：非线性损伤
光纤传输中的非线性效应： 1. 布里渊散射 2. 拉曼散射 3. 交叉增益调制 4. 交叉相位调制 5. 四波混频 造成： 波分复用(WDM)系统中多信道之间的串扰 > 40 Gb/s单波长高速信道内的码间串扰
前置放大器 光检测器
光信号
偏压控制
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
器件的选择
光检测器的选择： A. 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。 B. 雪崩光电二极管(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： 掺饵光纤放大器(EDFA )+ pin光电二极管
7.1 接收机工作的基本原理
主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、自动增 益控制(AGC)电路、时钟提取电路以及取样判决器。
光信号 光检测器 前置放大器 主放大器 再生码流 均衡器 判决器
偏压控制
AGC 电路
时钟 提取
前端
线性通道
时钟提取 数据再生
基于强度调制的数字接收机模型
光接收机的核心部分：前端
1 V V 1 Pe 1 erf 2 2 2
信噪比
x
0
e
y2
dy
例
信噪比为8.5时Pe = 10-5。对 于一个速率为1.544Mb/s 的 电话接收信号，Pe = 10-5意 味着每0.065秒有一位误码， 这是非常不理想的。 如果将V/ 从8.5 增加至12， BER就会降到10-9。此时， 每11分钟才有一位误码，通 常这是可以容忍的。
Pr 0 / 2 e N / 2 109
解出 N 9 ln10 ln 2 20.03。因此，对于这个BER指标，要求每 个脉冲平均有21个光子产生。可以得到E，即：
E 21 hv
例 (续 )
(b) 对一个传输速率为10 Mb/s的简单二值信号系统，为了得到 10-9的BER指标，试求光检测器上的最小入射功率P0。如果检 测器的量子效率为1，则有：
第七讲 光接收机
数字信号传输
Tb 为光脉冲持续时间
1码代表有光能量发出 0码代表无光能量发出 LED 发光二极管 LD 半导体激光器