[工学]第5章 光探测及光接收机.ppt

第五章 光探测及光接收机 5.1 数字光接收机 5.2 光电检测过程的基本原理 5.3 光接收机的性能 5.3.1 光接收机的信噪比 5.3.2 光接收机的灵敏度 5.3.3 光接收机的误码率 5.3.4 最小平均接收光功率 5.3.5光接收机的性能指标 光发射机发射的光信号经光纤传输 损耗：信号幅度衰减 色散：信号波形展宽 光接收机作用 检测微弱光信号、放大、整形、还原成为输入信号 器件 光电检测器：利用光电效应把光信号转变为电信号 光电二极管：PIN管，雪崩二极管APD 基本要求 灵敏度高、响应快、成本低、可靠性高、耦合性能好 5.1 数字光接收机 强度调制的数字光信号，接收端采用直接检测（DD）。 IM-DD 数字光纤接收机 (IM-DD: Intensity Modulation-Direct Detection) 光电检测器：光信号转换成电信号 PIN－－半导体光电二极管 APD－－雪崩光电二极管 2. 前置放大器： 低噪声放大器 减弱或防止电磁干扰 抑制噪声（热噪声和散粒噪声） 放大信号 （1）带宽和灵敏度：接收机中心问题（降低输入噪声，提高灵敏度） 高输入阻抗前置放大器：高输入阻抗可减小热噪声，提高接收机灵敏度，但降低带宽 。 （2）带宽与均衡滤波：均衡滤波技术消除码间干扰，扩大带宽。 主放大器： （1）提供足够大的增益，达到判决电路所需的信号电平； （2)增益受AGC电路控制。 4. 均衡滤波:虑除波形展宽，消除码间干扰。 5. 判决器/时钟恢复：对信号进行再生，包括调谐放大、限幅、整形、移相。 6. 解复用器:若发射端复用,则接收端需解复用。 译码/码型变换器： （1）若发射端进行了扰码，需要译码； （2）HDB3、CMI码等解码。 5.2 光电检测过程的基本原理 (1) 入射光子的能量hf超过禁带能量Eg，进入耗尽层，在耗尽区吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。 (2) 在PN结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子－空穴对在电场作用下，分别离开耗尽区，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N区进入正电极，从而形成在外电路中的光生电流Ip。（图示） 光电效应必须满足条件：hfEg 光电二极管：PIN PIN二极管： 在P+和N-之间加入一个Si中掺杂较少的I层，作为耗尽层，I层较宽，约有5um～50um，可吸收绝大部分光子。响应时间由光生载流子穿越耗尽层的宽度W所决定。增加W会使更多的光子被吸收，从而增加量子效率，但是载流子穿越W的时间增加，响应速变慢。 响应波长——（截止波长） 任何一种材料制作的光电二极管，都有 性能参数 量子效率η η =(hf/q)R q:电荷 响应度R 光电检测器的响应度。 暗电流Id，表示无光照时出现的反向电流，影响接收机的信噪比。 响应速度：对光信号的反应速度。 结电容Cd（pF）：影响响应速度。 雪崩光电二极管 APD: Avalanche photodiode (1) 速度高，增益大，广泛应用于光通信系统中。 (2) 能承受高的反向偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区，电子－空穴对经过电场区时被加速，又可能碰到其他原子，多次碰撞电离的结构，使载流子迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪崩倍增效应。 APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器 平均雪崩效应，经验公式 新型APD (1) 采用InP材料作增益区的异质结——分别吸收和倍增APD:SAMAPD (Separate Absorption and Multiplication APD) ,目的是使工作波长在1.3um～1.6um波长波段上。 (2) 分别吸收、渐变、倍增APD：SAGMAPD ( Separate Absorption Grading and Multiplication APD), 在InCaAs、InP之间增加一层带隙介于两者之间的半导体材料，克服SAMAPD响应时间长的缺点。 (3) 多量子阱MQWAPD：Multiple Quantum Well, 利用InCaAs、InP交替变化的结构，从而形成高低带隙交替变化的半导体层. MSM光探测器：金属－半导体－金属光探测器（Metal－Semicond