典型电路 - Read.PPT

第5章??光电检测器和光接收机 本章内容 5.1 光检测器 5.2 光电检测器的工作特性 5.3 光接收机 5.4 光接收机的噪声 5.5 光接收机的误码率和接收灵敏度 小结、习题 2.1 光检测器 1.光纤通信对光电检测器的主要要求 (1)在工作波长上光电转换效率要高，即对一定的入射光信号功率，光检测器能输出尽可能大的光电流； (2)检测过程中带来的附加噪声尽可能小； (3)响应速度快、线性好及频带宽，使信号失真尽量小； (4)高可靠长寿命，尺寸与光纤直径相配，工作电压低等。 2．半导体的光电效应 半导体光检测器是利用半导体的光电效应制成。 为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，在P型材料和N型材料之间加一个I层（本征耗尽层），它是轻掺杂的N型材料，电子浓度很低，经扩散可以形成一个很宽的耗尽层。这就是PIN光电二极管（PIN-PD） 4．雪崩光电二极管 APD的工作原理是利用半导体材料的雪崩倍增效应制成的。 雪崩光电二极管随使用的材料不同有：Si-APD(工作在短波长区)；Ge-APD，InGaAs-APD等(工作在长波长区)。Si-APD性能较好，它工作在0.85μm附近，倍增增益高达100～1000，暗电流很小；Ge-APD工作在长波长区，它的倍增增益一般不超过15，过剩噪声大，暗电流也很大，限制了倍增增益及检测灵敏度。 InGa/InP或InGaAsP/InP-APD工作在长波长区有较好的性能，从结构上，类似于Si-RAPD，吸收区和倍增区分开，因此又称为SAM-APD。 5.2 光电检测器的工作特性 光电检测器的工作特性参数很多，PIN-PD的主要工作特性有的响应度和量子效率、响应时间、暗电流等，由于APD有雪崩倍增效应，所以APD除了上述参数外还包括倍增因子、过剩噪声指数等。 1、响应度和量子效率 响应度是描述这种器件光电转换能力的物理量。 描述这种器件光电转换能力也可以从另一个角度描述，这就是量子效率η，定义为产生的光生电子-空穴对数占入射光子数的百分比。 PIN和APD的响应度与入射光的波长有关，Si-PIN和Si-APD的波长响应范围为600～1000nm，对检测0.85μm的光非常有效。 Ge-PIN和Ge-APD或InGaAs-PIN、InGaAsP-PIN和InGaAs-APD范围为1000～1650nm，可以接收1310nm和1550nm的光信号。 2、响应时间 响应时间是描述光电检测器对光信号变化响应速度快慢程度的物理量，一般用上升时间和下降时间来表示。所谓上升时间是PD受阶跃光脉冲照射时，输出脉冲前沿的10%点到90%点之间的时间间隔来衡量。 光电检测器的响应时间受三个因素影响： 1) 渡越时间 2) 扩散时间 3) 电路的影响 暗电流Id是指在PIN规定的反向电压或者APD的90%击穿电压时，在无入射光情况下器件内部的反向电流。暗电流将引起光接收机噪声增大。因此，人们总是希望器件的暗电流越小越好。 4、倍增特性 对于APD，由于发生雪崩倍增效应，所以APD还需要用倍增特性来描述。APD的倍增特性有倍增因子G、过剩噪声指数x等。 5.3 光接收机 1．光接收机的组成 直接检测数字光纤通信接收机一般由三个部分组成，即光接收机的前端、线性通道和数据恢复三个部分。 1)光接收机前端 光接收机前端的作用是将光纤线路末端耦合到光电检测器的光比特流转变为时变电流，然后进行预放大，以便后一级进一步处理。 光接收机前端的一般由光电检测器和前置放大器组成。  根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案。 (1)低阻抗前端 (2)高阻抗前端 (3)跨(互)阻抗前端 2)线性通道 光接收机的线性通道由一个高增益的主放大器和一个均衡滤波器组成，还应包括峰值检测和自动增益控制(AGC)电路，用来控制放大器增益。因为主放大器和一个均衡滤波器起一个线性系统的作用，故可称为线性通道。  主放大器的作用有两个方面： （1）将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。 （2）它还是一个增益可调节的放大器。 4．数据恢复 数据恢复电路由判决电路和时钟恢复电路组成，如果需要与电端机接口，还需要解码、解扰和编码电路。 (1)钳位电路 (2)温度补偿电路 (3)告警电路。 3.光接收模块和集成光接收机 光接收模块是指将包括PD管芯和前置放大器以及阻抗匹配电路和电路状态监视/警示电路，再加上若干光学元件集成在一个管壳内并形成光接收功能的器件。 集成光接收机与光接收模块不同，它是采用集成电路工艺技术把所有的元件集成在一个芯片上。 集成光接收机设计制造有两种方案，一种称为混合集成光接收机，它将电子器件集成在GaAs芯片上，而将光电二极管制造在InP芯片上，然后将InP