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1、第三章第三章 光接收机光接收机 3.13.1光接收机简介光接收机简介 3.23.2光电检测器光电检测器 3.33.3放大电路及其噪声放大电路及其噪声 3.43.4光接收机灵敏度的计算光接收机灵敏度的计算 3.53.5光接收机的组成模块光接收机的组成模块 3.1 3.1 光接收机简介光接收机简介 3.1.1 3.1.1 光接收机的组成光接收机的组成 光接收机分为直接检测接收机和相干检测接收机 直接检测接收机分为模拟和数字光接收机两种 数字光接收机框图 输入电脉冲 激光发送机 光脉冲衰减和畸变 的光脉冲 光纤 Pin或雪崩 光电二极管 包含光检测器噪 声的电流脉冲 放大器和 滤波器 电压脉冲和 放
2、大器噪声 判决电路和 脉冲再生器 再生的输出 电压脉冲 信号处 理设备 3.1.2 3.1.2 光接收机的性能指标光接收机的性能指标 光接收机主要的性能指标是误码率（BER）、灵敏度以 及动态范围 。 误码率是码元被错误判决的概率，可以用在一定的时间 间隔内，发生差错的码元数和在这个时间间隔内传输的 总码元数之比来表示 。 接收机灵敏度的定义为：在满足给定能的误码率指标条 件下，最低接收的平均光功率Pmin。在工程上常用dBm来 表示，即 3.1.2 3.1.2 光接收机的性能指标光接收机的性能指标 接收机的最低输出光功率（用dBm来描述）和最大允许 输入光功率（用dBm来描述）之差（dB）就
3、是光接收的 动态范围 Pmax和Pmin为保证系统误码率指标条件下，接收机允许的 最大接收光功率和最小接收光功率。 3.2 3.2 光电检测器光电检测器 光纤通信中对光电检测器最重要的几点要 求如下： 在所用光源的波长范围内有较高的响应度 ； 较小的噪声； 响应速度快； 对温度变化不敏感； 与光纤尺寸匹配； 工作寿命长 3.2.1 PN3.2.1 PN结的光电效应结的光电效应 在光的照射下，使物 体中的电子脱出的现 象叫做光电效应 。 加反向偏压后光电二极管及其能带结构 3.2.2 PIN3.2.2 PIN光电二极管光电二极管 1 1 原理与结构原理与结构 PIN光电二极管的原理和结构 2 2
4、 光电二极管的波长响应（光谱特性光电二极管的波长响应（光谱特性 ） （1）上截止波长 光电效应必须满足条件 hvEg 或 c是真空中的光速， 是入射光的波长，h是普朗 克常量 即入射光的波长必须小于某个临界值，才 会发生光电效应，这个临界值就叫做上截 止波长，定义为 （2）响应波长的下限 设x = 0时，光功率为p(0)，材料吸收系数 为 经过x距离后吸收的光功率可以表示为 3 3 光电转换效率光电转换效率 常用量子效率和响应度衡量光电转换效率 当入射功率为P0时，光生电流可以表示为 w1是零电场的表面层的厚度，w是耗尽区的 厚度 量子效率表示入射光子能够转换成光电流 的概率 要提高量子效率，
5、可采取如下措施： 尽量减小光子在表面层的反射率，增加入射到光电二 极管中的光子数； 尽量减小中性区的厚度，增加耗尽区的宽度，使光子 在耗尽区被充分地吸收 光电转换效率也可以直接用光生电流Ip和入射光功率p0的 比值来表示,称其为响应度 4 4 响应速度响应速度 响应速度常用响应时间（上升时间和下降 时间）来表示 。 影响响应速度的主要因素有3点 （1）光电二极管和它的负载电阻的RC时 间常数 结电容与耗尽区的宽度w及结区面积A有关 （2）载流子在耗尽区里的渡越时间 下图为漂移速度与电场强度关系 若想使载流子能以极限漂移速度渡越耗尽区，反 向偏压须满足 V EsW （3）耗尽区外产生的载流子由于
6、扩散而产 生的时间延迟 5 5 光电二极管的暗电流光电二极管的暗电流 暗电流是指无光照时光电二极管的反向电 流 。 3.2.3 3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管 1 1 工作原理工作原理 APD载流子雪崩式倍增示意图（只画出电 子） 2 2 APDAPD的平均雪崩增益的平均雪崩增益 平均雪崩增益的定义为 IM是雪崩增益后输出电流的平均值；Ip是 未倍增时的初始光生电流 光电二极管输出电流和反向偏压的关系 平均雪崩增益也用一较简单的式子表示为 3 3 APDAPD的结构的结构 光纤通信在0.85m波段常用的APD有拉通 型（RAPD）和保护环型（GAPD）两种 另一种在长波长波段使用的A
7、PD的结构称 为SAM （Seperated Absorption and Multiplexing）结构 4 4 APDAPD的过剩噪声的过剩噪声 APD的过剩噪声系数为 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 3.3 3.3 放大电路及其噪声放大电路及其噪声 放大器输入端的噪声源放大器输入端的噪声源 放大器噪声包括电阻热噪声及有源器件的 噪声，其概率密度函数可以表示为高斯函 数 对随机噪声，m = 0： 3.3.3 3.3.3 场效应管和双极晶体管的场效应管和双极晶体管的 噪声源噪声源 1 1 场效应管的噪声源场效应管的噪声源 场效应管的主要噪声源有两个 : n栅漏
8、电流的散粒噪声 n沟道热噪声 （1）散粒噪声 散粒噪声其功率谱密度为 e0为电子电荷， C，Igate是场效应管的栅 漏电流 （2）沟道热噪声 功率谱密度为 gm是场效应管的跨导；是器件的数值系数，对Si FET， ；对GaAs FET， （3）输出瑞的总噪声功率 当Rb足够大时，上式中的第一项可以忽略，因此 得到 2 2 双极晶体管的噪声源双极晶体管的噪声源 （1）散粒噪声 功率谱密度为 Ib是晶体管的基极工作电流 （2）基区电阻的热噪声 基区电阻的热噪声在输入端作为串联电压噪声源 ，谱密度为 （3）分配噪声 功率谱密度为 将集电极回路里的噪声源等效到输入端， 可等效为一个串联电压噪声源，功
9、率谱密 度为 对双极晶体管，有下列关系存在 双极晶体管放大器输出端的总噪声功率为 3.4 3.4 光接收机灵敏度的计算光接收机灵敏度的计算 灵敏度计算的一般方法灵敏度计算的一般方法 0码被误判为1码的概率 ： 1码被误判为0码的概率 ： 总误码率BER ： 1. 1. 灵敏度的精确计算灵敏度的精确计算 总噪声包括放大器的热噪声和光电检测器 的噪声。 放大器噪声的概率密度： 光电检测器的噪声概率密度： 总噪声Z=X+Y的概率密度： 2 2 接收机灵敏度的高斯近似计算接收机灵敏度的高斯近似计算 高斯近似，即假设APD光电检测过程的概率密度 函数也是高斯函数。 在高斯近似下，放大器和均衡滤波器输出端
10、的总 噪声的概率密度函数依然是高斯函数，其方差为 两噪声方差之和 对0码 对1码 当判决电平为D时，“0”码误判为“1”码的 概率为 令 ，对上式进行变量交换 同样“1”码误判为“0”码的概率为 令 ，上式变换成 如果接收的随机脉冲序列中“1”码出现的概 率等于“0”码出现的概率，总误码率为 为使总误码率达到最小，一般令E01=E10 只需使 Q值和误码率的关系 3 3 影响光接收机灵敏度的主要因素影响光接收机灵敏度的主要因素 （1）灵敏度与放大器噪声的关系 bmax与z的关系 （PIN光电二极管作检测器） （APD作检测器，工作在最佳雪崩增益） 放大器噪声的大小与最佳雪崩增益有关 （2）接收
11、机灵敏度与比特速率的关系 对比特速率较高的系统，接收机灵敏度与 比特速率的关系为： 当用PIN光电二极管作检测器时，比特 率增加倍频程，灵敏度大约下降4.5dB ； 当用APD作检测器（设x0.5），且工作 在最佳雪崩增益时，比特率增加倍频程 ，灵敏度大约下降3.5dB 。 （3）灵敏度与输入波形的关系 输入 脉冲时，放大器的噪声最小，灵敏 度最高；发送RZ码时接收机的灵敏度比 NRZ码要高。 （4）消光比对灵敏度的影响 消光比引起的灵敏度的恶化量 残余光使消光比不为零 （5）激光器和光纤系统的噪声对灵敏度的 影响 激光器和光纤系统的噪声主要有以下几 种 激光器的量子噪声 模式分配噪声 模式噪
12、声 反射噪声 眼图眼图 “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 的 “眼睛” 张开的大小反映着码间串扰的强弱。 “眼睛” 张的 越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码 间串扰越大。 眼图对于展示数字信号传输系统的性能提供了很多有用的信 息：可以从中看出码间串扰的大小和噪声的强弱，有助于直 观地了解码间串扰和噪声的影响，评价一个基带系统的性能 优劣；可以指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰。 小结小结 光接收机的组成和工作原理 光电检测器（光电二极管、APD） 性能指标：量子效率、响应速度、暗电流 噪声分析和光接收机灵敏度 噪声处理 光电二极管、APD噪声 灵敏度高斯近似分析 作业： P.136 4、5
