北大光纤通信课件：3_光接收机_1

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3、光接收机
PIN/APD 光电二极管 + 前置放大器 可选器件： 1、深圳飞通公司、武汉武邮器件公司，山东中微光电子的厂家生产 PIN 光电管：码率 < 1.25Gb/s，单端/双端输出。 2、富士通公司，PIN/APD 光电二极管+前置放大器：FRM3Z231 系 列，码率 < 2.5Gb/s，单端输出； FRM5N/Jxxx 系列，码率 < 12.5Gb/s， 端输出； FRM5L442 系列，码率 < 40Gb/s，单端输出。 3、U2T公司， PIN 光电管：XPDV 系列，码率 ~ 43Gb/s；光电二极 管+前置放大器：XPRV20xx 系列，码率 ~ 43Gb/s，单端输出。
APD高压偏置 及增益补偿电路
监控信号
前置 放大器
限幅 放大器
时钟、数据 再生
数据丢失告警(串行) 10 GHz 或 622 MHz时钟输出
10 Gb/s 串行数据输出 或16×622 Mb/s 并行数据输出
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3、光接收机
PIN/APD 光电二极管 + 前置放大器 1、尽量选用光电二极管+前置放大器模块，以获得较高的灵敏度，特 别是在 2.5Gb/s 以上速率。选择以差动输出的模块（灵敏度提高 3dB）。 2、光电二极管、前置放大器输出的信号逻辑与光信号反相。
对于输入光信号质量良好的理想接收机，令传送 0 码被判决为 1 码的 概率为零，所以：
1 1 ˆ = 0 an = 1]} P (e) = Pe (0) = {P [a 2 2
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3、光接收机
基本符合实际，可积分。
灵敏度的量子极限
设光子到达检测器的概率（光子数）是二次泊松随机分布，其强度为：
PR (t ) hv 在时间（0，T ）内检测器收到 m 个光子的概率为泊松分布：
ηq
hv
( A /W )
增透膜 电极(−)
p n
SiO2
电极(+)
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3、光接收机
PIN 光电二极管
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3、光接收机
PIN 光电二极管
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3、光接收机
APD 雪崩光电二极管
APD 雪崩 光电二极管的主要特征和技术参数：
电极(+) 增透膜 电极(−)
电场 p+ i p n+
E l
p+ i p n+
P ( x) = P0 [1 − e −α ( λ ) x ]
2 - (6.1)
若耗尽区宽度为 w，入射表面的光反射系数为 R，则光电管产生的初 级光电流为 IP：
Ip =
q P0 (1 − e −α ( λ ) w )(1 − R ) hv
2 - (6.4)
w<x
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3、光接收机
PIN 光电二极管
SiO2
电极(+)
p 区是高阻 p 型材料，正常工作状态下，电场分布如图所示。 光子在 i 区产生光生载流子，载流子（电子、空穴）在电场作用下向两极 运动，载流子在 p-n+ 结区内被强电场加速，发生碰撞电离，产生新的载 子，形成雪崩效应，载流子得到倍增。
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3、光接收机
APD 光电二极管
10.5Gbit/s = 0.84 12.5Gbit/s
1 V 1− V B
n
击穿电压与温度的关系：VB(T ) = VB(T0) [ 1+a(T −T0)] 参数 n 与温度的关系： a，b 由实验确定。 n (T ) = n (T0) [ 1+b(T −T0)]
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3、光接收机
20 ~ 90 V 偏置电压决定雪崩增益
APD 光电二极管的温度特性
时钟、数据 再生
数据丢失告警(串行) 10 GHz 或 622 MHz时钟输出
10 Gb/s 串行数据输出 或16×622 Mb/s 并行数据输出
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3、光接收机
APD高压偏置及增益补偿电路 MAX1605 DC-DC 电源芯片（5-25V） 。该芯片工作在 500kHz开关状态， 需要良好滤波和隔离，以免干扰模块中其它单元的工作。调整 R1/R2 可改 变输出电压。
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3、光接收机
3R 光接收机
输入光功率检测 输入光功率告警
10 Gb/s 输入光信号
APD或PIN光电 检测器
APD高压偏置 及增益补偿电路
监控信号
前置 放大器
限幅 放大器
时钟、数据 再生
数据丢失告警(串行) 10 GHz 或 622 MHz时钟输出
2R 接收
10 Gb/s 串行数据输出 或16×622 Mb/s 并行数据输出
PR (t ) = PR
PT NR = R hv
∫
T
0
λR (t )dt = ∫
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3、光接收机
PIN 光电二极管
增透膜 电极
PIN 光电二极管的主要特征和技术参数：
电场 p i n
电子扩散、漂移方向
p i n
SiO2
半导体材料中光生载流子（电子、空穴）会产生两种运动： 1、由于浓度梯度产生的扩散运动，发生在非耗尽区（低电阻），速度较慢； 2、由于在电场作用产生的漂移运动，发生在耗尽区（高电阻） ，速度快。 当无外加电场时，扩散和漂移会达到平衡，形成耗尽区和自建电场。当存 在外加电场时，载流子将分别向两电极扩散、漂移，并被电极吸收形成光 电流。 电子、空穴在向两极运动的过程中可能发生复合（不能形成电流），从电子、空 穴的形成到复合的时间为载流子寿命 τn 和τp。（长好） 耗尽区的光生载流子运动速度快，是形成光电流的主力。所以加入 i 层可 提高光电转换效率（材料体积大）和响应速度（光生载流子速度快） 。
3R 接收
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3、光接收机
光电二极管
一、光接收（ Optical Receive） 完成光接收功能的器件是光检测器---光电二极管或光电三极管。 在半导体光检测器中，光电二极管具有尺寸小、灵敏度高、响应速度 快等优点。 光纤通信系统中常用的光电检测器是 PIN 光电二极管和 APD 雪崩光 电二极管（Avalanche Photo Diode）。 光接收机对光电检测器的基本要求是： 1、灵敏度（响应度）高 2、噪声电流小 3、工作波长范围宽 4、对环境温度变化不敏感
雪崩增益与管芯温度有关 18
3、光接收机
APD 光电二极管的温度特性
APD 光电管典型高压驱动电路
20 ~ 60 V
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3、光接收机
一、光接收（ Optical Receive）
光电二极管+前置放大器模块
3R 光接收机
输入光功率检测 输入光功率告警
10 Gb/s 输入光信号
APD或PIN光电 检测器
nT
( n +1)T
( a0 N R ) m − a 0 N R e P [ N R (T ) = m] = m!
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3、光接收机
P [ N R (T ) = m] = [ ∫ λR (t )dt ]m
0 T
灵敏度的量子极限
T λ R ( t ) dt } − ∫0
m!
e
λR (t ) =
PR (t ) hv
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3、光接收机
PIN 光电二极管
下限工作波长：光信号对于材料的穿透深度 x (µm) 与其波长成正比， 若光生载流子在光检测器的浅表面生成，由于载流子的寿命τn 和τp很短， 它们未到达收集区以前就复合了，因此不能形成光电流。2-p195
P0
增透膜 电极(−)
电磁波正入射材料表面 的穿透深度：
δ=Leabharlann Baidu
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3、光接收机
APD 高压偏置及增益补偿电路 DC-DC电源芯片升压电路 可选芯片 MAX1771（20-75V）、 MAX1605（5-25V）。
3R 光接收机
输入光功率检测 输入光功率告警
10 Gb/s 输入光信号
APD或PIN光电 检测器
APD高压偏置 及增益补偿电路
监控信号
前置 放大器
限幅 放大器
1 λ = π ⋅ c ⋅ µ ⋅σ π ⋅ f ⋅ µ ⋅σ
p n
SiO2
电极(+)
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3、光接收机
PIN 光电二极管
每个能量为 hv 的入射光子所产生的电子-空穴对数为光电二极管的量子效率 η，
Ip
η=
光生电子 / 空穴对数 入射光子数
=
q hv
Ip P0 =
P0
单位光功率所产生的光电流为光电二极管的响应度： ℜ = P0
3、光接收机
光电管的灵敏度量子极限 1-p123
假设光电检测器是理想的，可以对单个电子进行计数。设检测器接收 的光功率为： ∞ 1 T 1 ( n +1)T PR (t ) = PR ∑ an p (t − nT ) p (t )dt = 1 ⇔ p (t − nT )dt = 1 T 0 T nT n = −∞
λR (t ) =
P [ N R (T ) = m] =
[ λR (t )dt ]
0
∫
T
m
m!
e
T λR ( t ) dt } − ∫0
PR (t ) = PR
1 T
n = −∞
∑a
∞
n
p (t − nT )
已知：每码元内的光子数
PT NR = R hv
∫
1 p (t )dt = 1 ⇔ T 0
T
∫ p(t − nT )dt = 1
厚 i 区可提高光电转换效率；由于加厚 i 区可降低 PN 结电容，因此还可提高响应速度。 6
3、光接收机
P0
增透膜 电极
PIN 光电二极管
p n
SiO2
w
设光进入半导体材料表面的深度……穿透深度为 x (µm)，半导体材料 对光的吸收系数为 α(λ)，则半导体材料吸收的光功率为 (拟合关系？)：
3、光接收机
3月19日 ~ 4月1日
《光纤通信系统》
1.4光检测器（1-p50~52）
《光纤通信(第三版)》
第6章 光检测器 （2-p193~212） 第7章 光接收机 （2-p219~251）
锁相环时钟数据再生技术
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3、光接收机
在光纤传输系统的接收端必须有将光信号转变为电信号的装置----光接收 机。光接收机中包括：光电二极管，前置放大器，限幅放大器，时钟、数据再 生电路等。 完整的光接收机包括 3 个功能：光接收（Optical Receive），时钟再生 （Clock Recovery ），数据整形（ Re-shape/Data Re-timing ）。具备这 3 种 功能的接收机称为 3R 接收机。只具备两个功能的接收机称为 2R 接收机。
若已知半导体材料的带隙能量 Eg(eV )，则该材料的上限工作波长 λc(µm) 为： hc 1.24 c λc ( µm) = ≅ 2 - (6.2) E g (eV ) ≤ hv = h E g (eV ) E g (eV ) λ
因为光纤中的瑞利散射损耗与工作波长的四次方成反比，提高光纤通 信系统的工作波长是增加系统传输距离的有效措施。
∫
∫
其中， p(t) = 光功率脉冲，PR 是检测器在单位时间内的平均接收功率， an 是随机变量。
条件概率：发送 0，收为 1 条件概率：发送 1，收为 0
误码率：（1、2 参考书中的定义不同 2-p224；1-p136 ）
1 1 ˆ = 1 a n = 0] + P [ a ˆ = 0 an = 1]} P (e) = [ Pe (1) + Pe (0)] = {P [a 2 2
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3、光接收机
APD 光电二极管
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3、光接收机
APD 光电二极管
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3、光接收机
APD 光电二极管的温度特性
APD 雪崩光电二极管的雪崩增益对环境温度（器件结温）十分敏感， 是因为电子-空穴的电离速度与环境温度有关。2-p212 图6.16。 雪崩增益与反向电压的经验关系：
IM = M= Ip
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3、光接收机
APD高压偏置及增益补偿电路 MAX1771 DC-DC 电源芯片（20-75V） 。该芯片工作在 500kHz开关状态， 需要良好滤波和隔离，以免干扰模块中其它单元的工作。调整 R1/R2 可改 变输出电压。利用 APD 模块内的热敏电阻，可以补偿由于温度引起的雪崩 增益变化。
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3R 光接收机
输入光功率检测 输入光功率告警
10 Gb/s 输入光信号
APD或PIN光电 检测器
APD高压偏置 及增益补偿电路
监控信号
前置 放大器
限幅 放大器
时钟、数据 再生
数据丢失告警(串行) 10 GHz 或 622 MHz时钟输出
10 Gb/s 串行数据输出 或16×622 Mb/s 并行数据输出
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3、光接收机
PIN 光电二极管
增透膜 电极
PIN 光电二极管的主要特征和技术参数：
电场 p i n i n
p
SiO2
电子、空穴在扩散过程中有复合的趋势，其复合前的运动距离为载流子 扩散长度 Ln 和 Lp。Dn，DP 为电子、空穴的扩散系数。 Ln = Dnτ n L p = D pτ p 只有到达 PIN 结耗尽区的光生载流子才能形成光电流。 而在远离耗尽区边界（超出一个扩散长度）的 P 区和 N 光生的载流子在向 耗尽区扩散途中大多数因复合而消失，对光电流没有贡献。减薄 p 、n 区、加