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1、第六章第六章 光电检测器与光接收机光电检测器与光接收机6.1 光电检测器光电检测器6.2 光电检测器的特性指标光电检测器的特性指标6.3 光光 接接 收收 机机6.4 光接收机的噪声光接收机的噪声6.5 光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度6.1 光电检测器光电检测器6.1.1 PIN光电二极管光电二极管由由于于受受激激辐辐射射仅仅仅仅发发生生在在PN结结附附近近，远远离离PN结结的的地地方方没没有有电电场场存存在在，因因此此就就决决定定 了了 PN光光 电电 二二 极极 管管 (PN Photodiode，PNPD)或或PN光光电电检检测测器器的的光光电电变变换换效效率率非非常低下及响应速度很慢
2、。常低下及响应速度很慢。1. PIN光电二极管的结构光电二极管的结构PIN光光电电二二极极管管(PINPD)的的结结构构如如图图6.1所示。所示。图图6.1 PIN光电二极管的结构光电二极管的结构2. PIN光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理当当光光照照射射到到PIN光光电电二二极极管管的的光光敏敏面面上上时时，会会在在整整个个耗耗尽尽区区（高高场场区区）及及耗耗尽尽区区附附近近产产生生受受激激辐辐射射现现象象，从从而而产产生生电电子子空穴对。空穴对。6.1.2 雪崩光电二极管雪崩光电二极管雪雪崩崩光光电电二二极极管管应应用用光光生生载载流流子子在在其其耗耗尽尽区区(高高场场区区)内内的
3、的碰碰撞撞电电离离效效应应而而获获得得光生电流的雪崩倍增。光生电流的雪崩倍增。1. 雪崩光电二极管的结构雪崩光电二极管的结构常常用用的的APD结结构构包包括括拉拉通通型型APD和和保保护护环环型型APD，如如图图6.2所所示示。由由于于要要实实现现电电流流放放大大作作用用需需要要很很高高的的电电场场，因因此此只只能能在在图中所示的高场区发生雪崩倍增效应。图中所示的高场区发生雪崩倍增效应。图图6.2 APD的结构的结构2. 雪崩倍增原理雪崩倍增原理APD的的雪雪崩崩倍倍增增原原理理为为：当当入入射射光光照照射射在在APD的的光光敏敏面面上上时时，由由于于受受激激吸吸收收原原理理会会产产生生电电子
4、子空空穴穴对对(这这里里我我们们称称之之为为一一次次电子空穴对电子空穴对)。3. APD的工作原理的工作原理当当光光照照射射到到APD的的光光敏敏面面上上时时，由由于于受受激激吸吸收收而而在在器器件件内内产产生生出出一一次次电电子子空空穴穴对。对。6.2 光电检测器的特性指标光电检测器的特性指标6.2.1 光电检测器的工作特性光电检测器的工作特性1. 响应度响应度在在一一定定波波长长的的光光照照射射下下，光光电电检检测测器器的的平平均均输输出出电电流流与与入入射射的的平平均均光光功功率率之之比比称称为为响响应应度度(或或响响应应率率)。响响应应度度可可以以表表示示如下：如下：式式中中：Ip为为
5、光光生生电电流流的的平平均均值值(单单位位：A)；P为平均入射光功率值为平均入射光功率值(单位：单位：W)。2. 量子效率量子效率响响应应度度是是器器件件在在外外部部电电路路中中呈呈现现的的宏宏观观灵灵敏敏特特性性，而而量量子子效效率率是是器器件件在在内内部部呈呈现现的的微微观观灵灵敏敏特特性性。量量子子效效率率定定义义为为通通过过结结区区的的载载流流子子数数与与入入射射的的光光子子数数之之比比，常常用符号用符号表示：表示：式式 中中 ： e是是 电电 子子 电电 荷荷 ， 其其 值值 约约 为为1.610-19G；为为光光频频。与与关关系系可可以以表表示示为：为：式式中中：h是是普普朗朗克克
6、常常数数，c是是光光在在真真空空中中的的速速度度,是是光光电电检检测测器器的的工工作作波波长长。代代入相应数值后，可以得到：入相应数值后，可以得到：从从式式(6-4)中中可可以以看看出出：在在工工作作波波长长一一定时，定时，与与具有定量的关系。具有定量的关系。3. 响应速度响应速度光光电电二二极极管管的的响响应应速速度度是是指指它它的的光光电电转换速度。转换速度。4. 暗电流暗电流暗暗电电流流主主要要由由体体内内暗暗电电流流和和表表面面暗暗电电流组成。流组成。5. APD的倍增因子的倍增因子APD的的电电流流增增益益，即即平平均均倍倍增增因因子子M可表示为：可表示为：式式中中：Ip为为APD倍
7、倍增增后后的的光光生生电电流流；Ip0是是未未倍倍增增时时的的原原始始光光生生电电流流。若若无无倍倍增增时时和和倍倍增增时时的的总总电电流流分分别别为为I1和和I2，则则应应扣扣除除当当时的暗电流时的暗电流Id1和和Id2后才能求出后才能求出M。6. 光电检测器的噪声光电检测器的噪声光光电电检检测测器器的的噪噪声声包包括括量量子子噪噪声声、暗暗电流噪声和由倍增过程产生的倍增噪声。电流噪声和由倍增过程产生的倍增噪声。(1) PINPD的噪声的噪声PINPD的的总总均均方方噪噪声声电电流流可可以以表表述述如如下：下：i2=2e(Ip+Id)B式式中中：e为为电电子子电电荷荷量量；Ip为为光光生生电
8、电流流；Id为为PINPD的暗电流，的暗电流，B为噪声带宽。为噪声带宽。(2) APD的噪声的噪声APD的的量量子子噪噪声声和和暗暗电电流流噪噪声声(要要考考虑虑倍倍增增作作用用)与与PINPD机机理理类类似似，计计算算方方法法也基本相同。也基本相同。(3) 最佳倍增因子最佳倍增因子虽虽然然APD的的倍倍增增作作用用对对信信号号有有放放大大作作用用，但但是是由由于于倍倍增增噪噪声声的的存存在在也也使使得得总总噪噪声增加。声增加。6.2.2 光光电电检检测测器器的的典典型型指指标标及及简易检测简易检测1. 光电检测器的典型指标光电检测器的典型指标表表6.1中中列列出出了了富富士士通通公公司司生生
9、产产的的两两种种光电检测器的典型指标。光电检测器的典型指标。2. 光电器件的简易检测光电器件的简易检测与与光光源源器器件件一一样样，在在没没有有测测试试条条件件的的情情况况下下，使使用用人人员员也也可可以以借借助助于于指指针针式式万万用用表表对对光光电电检检测测器器件件进进行行简简易易的的测测试试。这这种种测测试试方方法法主主要要是是检检查查光光电电检检测测器器件件PN结结的的好好坏坏：PN结结好好不不能能保保证证器器件件具具有有好好的的特特性性，而而PN不不好好的的器器件件其其质质量量绝绝对对不不会会好好。常用光电检测器件的参考数据如表常用光电检测器件的参考数据如表6.2所示。所示。6.3
10、光光 接接 收收 机机6.3.1 光解调原理光解调原理1. 非相干检测方式非相干检测方式常常用用的的非非相相干干检检测测方方式式就就是是直直接接功功率率检检测测方方式式。直直接接功功率率检检测测方方式式是是通通过过光光电电二二极极管管直直接接将将接接收收的的光光信信号号恢恢复复成成基基本本调调制信号的过程。制信号的过程。2. 相干检测方式相干检测方式就就像像普普通通的的无无线线电电收收音音机机一一样样，首首先先接接收收光光信信号号要要与与一一个个光光本本地地振振荡荡器器在在光光混混频频器器混混频频之之后后，再再被被光光电电检检测测器器变变换换成成一一定要求的电信号，如图定要求的电信号，如图6.
11、5所示。所示。图图6.5 相干检测原理相干检测原理6.3.2 光接收机的构成与指标光接收机的构成与指标1. 光接收机的构成光接收机的构成在在实实用用的的直直接接功功率率检检测测光光接接收收机机中中，光光电电检检测测器器直直接接从从接接收收光光信信号号中中将将基基本本调调制信号恢复出来。制信号恢复出来。2. 光接收机指标光接收机指标对对于于不不同同的的光光纤纤通通信信系系统统，有有着着不不同同的光接收机质量指标。的光接收机质量指标。(1) 光接收机灵敏度光接收机灵敏度所所谓谓光光接接收收机机灵灵敏敏度度，就就是是指指在在一一定定误误码码率率或或信信噪噪比比(有有时时还还要要加加上上信信号号波波形
12、形失失真真量量)条条件件下下光光接接收收机机需需要要接接收收的的最最小小平平均均光功率光功率(有时也称为平均最小输入光功率有时也称为平均最小输入光功率)。(2) 光接收机动态范围光接收机动态范围所所谓谓光光接接收收机机动动态态范范围围，就就是是指指在在一一定定误误码码率率或或信信噪噪比比(有有时时还还要要加加上上信信号号波波形形失失真真量量)条条件件下下光光接接收收机机允允许许的的光光信信号号平平均均光功率的变化范围。光功率的变化范围。6.4 光接收机的噪声光接收机的噪声6.4.1 光接收机的噪声源光接收机的噪声源1. 光电检测器噪声光电检测器噪声光光电电检检测测器器上上的的噪噪声声包包括括光
13、光检检测测噪噪声声(有有可可能能与与信信号号强强度度相相关关的的噪噪声声)、暗暗电电流流噪声及背景辐射噪声。噪声及背景辐射噪声。(1) PINPD的光检测噪声的光检测噪声由由于于光光的的量量子子性性，PINPD的的光光检检测测噪噪声声属属于于光光量量子子噪噪声声。PINPD的的光光检检测测噪噪声声可以由下式决定：可以由下式决定：式式中中：为为光光电电检检测测器器的的量量子子效效率率；e为为电电子电荷量；子电荷量；P为平均接收光功率；为平均接收光功率；B为系为系统带宽；统带宽；h为普朗克常数；为普朗克常数；为光子的频率。为光子的频率。(2) APD的光检测噪声的光检测噪声由由于于APD雪雪崩崩倍
14、倍增增过过程程的的随随机机性性，使使得得APD的的光光检检测测噪噪声声更更多多的的表表现现为为倍倍增增噪噪声。声。APD的光检测噪声可以表述如下：的光检测噪声可以表述如下：式式中中：为为光光电电检检测测器器的的量量子子效效率率；e为为电电子电荷量；子电荷量；P为输入光电检测器的平均光为输入光电检测器的平均光功功率率；M为为APD的的平平均均倍倍增增因因子子；F为为APD的倍增噪声系数；的倍增噪声系数；B为系统带宽。为系统带宽。2. 放大器的噪声放大器的噪声不不管管前前置置放放大大器器的的具具体体结结构构如如何何，从从低低噪噪声声角角度度出出发发第第一一级级采采用用共共射射极极(或或共共源源极极
15、)则则是是公公认认的的。关关于于第第一一级级器器件件的的应应用用，无无非非是是晶晶体体三三极极管管(Bi-junction Transistor，BJT)或或场场效效应应管管(Field Effect Transistor，FET)两类。两类。(1) FET前置放大器的噪声前置放大器的噪声FET前前置置放放大大器器的的输输入入等等效效噪噪声声可可以以用下式表示：用下式表示：(2) BJT前置放大器的噪声前置放大器的噪声BJT前前置置放放大大器器的的输输入入等等效效噪噪声声可可以以表示为：表示为：3. 总噪声表达式总噪声表达式光光接接收收机机的的输输入入等等效效总总噪噪声声可可以以表表示示为：为
16、：ntot=nPD+nA在在PINPD光光接接收收机机中中，nPD要要远远远远小小于于nA。6.4.2 光接收机的信噪比光接收机的信噪比1. PINPD光接收机的信噪比光接收机的信噪比根根据据信信噪噪比比定定义义，PINPD光光接接收收机机判判决点上的信噪比为：决点上的信噪比为：2. APD光接收机的信噪比光接收机的信噪比同同理理，可可以以得得到到APD光光接接收收机机在在判判决决点上的信噪比表达式为：点上的信噪比表达式为：6.5 光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度6.5.1 数字光接收机的误码率数字光接收机的误码率根根据据通通信信系系统统理理论论，二二进进制制数数字字传传输输系统的误码率可以表
17、示为：系统的误码率可以表示为：式式中中：p(0)和和p(1)分分别别表表示示二二进进制制数数字字码码流流中中“0”、“1”出出现现的的概概率率；p0(i)和和p1(i)分分别别表表示示“0”、“1”码码的的概概率率密密度度函函数数；i表表示示信信号号电电流流的的瞬瞬时时值值；D0是是p0(i)和和p1(i)相等时对应的信号电流。相等时对应的信号电流。利利用用数数值值计计算算技技术术求求得得误误码码率率的的方方法法非非常常费费时时，而而且且不不能能对对光光接接收收机机的的设设计计提提供供多多少少帮帮助助。所所以以，为为了了简简化化计计算算，一一般般均均将将概概率率密密度度函函数数近近似似成成高高
18、斯斯函函数数来来进进行行相应的分析。于是，误码率又可表示成：相应的分析。于是，误码率又可表示成：式中式中Q可以表示为：可以表示为：6.5.2 光接收机的灵敏度极限光接收机的灵敏度极限光光接接收收机机的的灵灵敏敏度度极极限限也也称称为为理理想想光光接接收收机机的的灵灵敏敏度度。由由于于这这种种光光接接收收机机完完全全是是理理想想的的：光光电电检检测测器器暗暗电电流流为为零零，放放大大器无噪声，系统的带宽无限大。器无噪声，系统的带宽无限大。当当码码流流中中“0”、“1”等等概概时时，系系统统的的误误码码率率就就等等于于“1”码码发发生生差差错错概概率率的的一一半，即半，即式中：式中：n表示一个码元
19、的平均光子数。表示一个码元的平均光子数。6.5.3 实际光接收机的灵敏度实际光接收机的灵敏度根据式根据式(6-23)，可以得到如下公式：，可以得到如下公式：在在这这里里不不考考虑虑暗暗电电流流和和光光源源直直流流光光影影响响(Iop0=0)，并且有并且有Iop1可以表示为：可以表示为：式式 中中 ： M为为 APD的的 倍倍 增增 因因 子子 (对对PINPD，M=1)；P1为为“1”码码时时的的光光功功率率；A为放大器的放大倍数。为放大器的放大倍数。6.5.4 影影响响光光接接收收机机灵灵敏敏度度的的主主要因素要因素1. 输入和输出信号波形输入和输出信号波形在在光光纤纤通通信信系系统统中中，
20、光光接接收收机机接接收收到到的的光光信信号号波波形形是是被被光光纤纤线线路路展展宽宽了了的的信信号号波形，这种波形将会存在码间干扰。波形，这种波形将会存在码间干扰。为为了了减减少少码码间间干干扰扰的的影影响响，必必须须对对接接收收的的信信号号波波形形进进行行滤滤波波均均衡衡，变变成成没没有有码码间间干干扰扰的的信信号号波波形形(实实际际中中多多采采用用升升余余弦弦波波)。经经过过均均衡衡后后，光光接接收收机机的的带带宽宽可可以以用用如如下公式表示：下公式表示：式式中中：是是输输出出波波形形的的滚滚降降因因子子。从从上上式式可可以以看看出出，光光接接收收机机的的带带宽宽将将大大于于奈奈奎奎斯斯特
21、特带宽。带宽。2. 非理想均衡滤波非理想均衡滤波为为了了有有利利于于判判决决，我我们们希希望望光光接接收收机机输出的信号波形为升余弦波。输出的信号波形为升余弦波。3. 直流光和背景光直流光和背景光由由于于光光源源是是在在一一定定正正向向偏偏置置电电压压下下工工作作的的，因因此此无无信信号号时时光光接接收收机机仍仍然然能能够够接接收收到到一一定定的的光光功功率率，这这种种光光信信号号称称为为直直流流光。光。4. 判决阈值判决阈值为为了了将将升升余余弦弦波波信信号号恢恢复复为为标标准准数数字字信信号号，在在均均衡衡滤滤波波电电路路之之后后还还设设置置了了再再生生判判决决电电路路。判判决决电电路路的的作作用用为为：当当信信号号在在判判决决时时刻刻大大于于判判决决阈阈值值时时，判判决决电电路路输输出出“1”；当当信信号号在在判判决决时时刻刻小小于于判判决决阈阈值值时时，判判决决电电路路输输出出“0”。一一般般地地，我们将相对判决阈值定义为：我们将相对判决阈值定义为：式式中中：D0为为判判决决阈阈值值；Am为为信信号号幅幅度。度。
