对于APD光接收机-内蒙古工业大学

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。 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。 热噪声：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。
我们要讨论的噪声是指内部产生的随机噪声。 光接收机噪声的主要来源是 : 光检测器的噪声和前置放大 器的噪声。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪 比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要 前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。 数字信号传输过程中，由于叠加噪声及波形失真等原因， 会使原来发送的“1”码，在接收端判决时误判为“0”码，反 之“0”误判为“1”。 产生误码的主要原因： 光接收机的噪声特性
时钟提取电路
4. 光电集成接收机 图4.14中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，
很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片上。
不论是硅 (Si) 还是砷化镓 (GaAs)IC 技术都能够使集成电路 的工作带宽超过2 GHz，甚至达到10 GHz。 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
〈id2〉暗电流噪声产生的均方噪声电流 (等效噪声功率 )， 其 相应的功率谱密度 Sd ip 光检测器的输出光生电流
第 4 章 光端机
杜云刚 ygdu2004@ 内蒙古工业大学物理系
第4章
4.1 光发射机 4.2 光接收机 4.3 线路编码
4.1 光接收机
作用： 把接收来的光信号转变 为原来的电信号， 它的性能 的优劣直接影响整个光纤通 信系统的性能。 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。
系统带宽的限制
Sq
Sd
SI
SE ～ <u 2 > 0 放 大 器
ip
<i2 > q
<i2 d>
R
C
Rin <i2 0>光电检测器Fra bibliotek放大器
图 4.16 光接收机的噪声等效模型
图4.16示出光接收机的噪声等效模型， 由光检测器和放大器 两部分组成。 〈iq2〉光检测器的量子噪声 功率谱密度分别表示为 Sq
（三）均衡和再生 均衡器：尽量保证均衡以后的波形有利于判决，减小码间干扰。
均衡的目的： （1）对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真) 的电信号进行补偿； （2）使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的 码元脉冲波形)，以消除码间干扰，减小误码率。
判决器和时钟恢复电路： 对信号进行再生，并用译码器对信 号译码，使信号恢复到和光端机输入的电信号一样。 再生电路包括： 判决电路
包括光检测器在内的全部元件。
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。
InGaAs OEIC接收机也可以用混合法实现。 如图4.15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。
二、噪声特性
光接收机的噪声有两部分： 外部电磁干扰产生 滤波加以消除； 这部分噪声的危害可以通过屏蔽或
(1) 波长响应要和光纤低损耗窗口 (0.85 μm、 1.31 μm和 1.55 μm)兼容；
(2) 响应度要高， 在一定的接收光功率下， 能产生最大的 光电流；
(3) 噪声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号； (4) 性能稳定， 可靠性高， 寿命长， 功耗和体积小。 目前， 适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二 极管和雪崩光电二极管(APD)。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。从简化接收 机电路考虑，一般情况下多采用PIN光电二极管作光探测器。
光检测器
RL •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
散粒噪声
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。 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。
（二）放大器
前置放大器应是低噪声放大器，它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。
主放大器： 主放大器一般是多级放大器，它的作用是： （1）提供足够的增益，将信号放大到判决电路所需要的电 平; （2）并通过它实现自动增益控制(AGC)，使输入光信号在一 定范围内变化时， 输出电信号保持恒定。 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雪崩增 益。 主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。
一、光接收机基本组成
直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机主要包括： 光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、 时钟提取电 路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。
前置放大器 光检测器 主放大器 再生码流 均衡器 判决器
光信号
偏压控制
AGC 电路
时钟 提取
（一）光检测器 光检测器是光接收机实现光 / 电转换的关键器件，其性能 特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。 对光检测器的要求如下：
内部产生 这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的 随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减 小， 一般不可能完全消除。
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。
接收机噪声及其分布图： 光子流 h •量子噪声
偏置电阻