桂工光纤通信CH-3光接收机(final).

CH3光纤通信B授课老师：覃国车Email：[e-mail]2015年秋CH3教材：顾畹仪，《光纤通信》（第2版），人民邮电出版社，2011。参考书：1.JosephC.Palais，《光纤通信》（第5版），电子工业出版社，2015。2.王辉等，《光纤通信》(第3版)电子工业出版社，2014。3.马丽华等，《光纤通信系统》北京邮电大学出版社，2009。CH3第3章光接收机1.光电检测器2.直接检测光接收机3.相干检测光接收机4.光接收机的主要性能指标CH3什么是光接收机？CH3什么是光接收机？CH3光接收机的作用光信号在光纤中经过长距离传输，会受到损耗、色散和非线性的影响，不仅幅度被衰减，而且脉冲的波形被展宽和变形。因此，光接收机的首要任务是：1.要能探测到微弱光信号，按照某种规律将光信号转换成电信号（光电转换）。2.要能对光电转换生产的电信号进行整形、放大以及再生。CH3光接收机的分类1.直接检测接收机特点：1.没有本振激光器，实现简单，成本低；2.只能检测光信号的强度信息。CH3光接收机的分类2.相干检测接收机特点：1.有本振激光器，实现复杂；2.能检测光信号的相位信息。CH3光CATV接收模块PIN光电二极管CH3一、光电检测器光电检测器负责对光进行解调，实现将光信号转换成电信号的光电转换功能。CH3一、光电检测器光纤通信系统对光电检测器的要求：(1)波长响应要和光纤低损耗窗口（0.85μm、1.31μm和1.55μm）相一致；(2)响应度要高，在一定的接收光功率下能产生最大的光电流；(3)响应速度快，满足高工作码速要求；(4)噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；(5)性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。CH3一、光电检测器——光电检测原理CH3一、光电检测器——光电检测原理CH3一、光电检测器——光电检测原理CH3一、光电检测器——光电检测原理CH3一、光电检测器——光电检测原理CH3一、光电检测器——光电检测原理（一）漂移电流(1)产生电子—空穴对：当入射光子能量大于禁带宽度能量；(2)产生电流：施加反向电压。CH3一、光电检测器——光电检测原理（二）扩散电流热运动引起PN结外的中性区的空穴和电子扩散至PN结中，在高场力的驱使下运动产生了与漂移电流方向相同的扩散电流。高阻区中性区CH3一、光电检测器——光电检测原理（三）几个要思考的问题——光电转换效率1.光子在耗尽层被吸收，在高场力的驱使下易于收集载流子。2.光子在中性区被吸收，不易于收集载流子。CH3一、光电检测器——光电检测原理（三）几个要思考的问题——响应时间1.载流子穿越耗尽层需要时间。2.渡越时间与耗尽层宽度和反向电压有关。CH3二、PIN光电二极管（一）结构特点1.增加光电转换效率：（1）I层很宽，P+、N+区很薄。（2）P+区表面镀有抗反射膜。2.提高响应速度：I层是一个接近于本征半导体的低掺杂N区，反向电压完全施加在I区，P+、N+为零场区。CH3二、PIN光电二极管（二）光谱特性1.上截止波长：受激吸收的条件，所以上截止波长定义为：CH3二、PIN光电二极管（二）光谱特性CH3二、PIN光电二极管（二）光谱特性2.下截止波长：当入射波长太短时，大量光子在零场区被吸收，光电转换效率会下降。经过x距离后吸收的光功率为：P(x)=P(0)[1–e-()x]Si材料的PD：0.5-1.0mGe或InGaAs材料：1.1-1.6mCH3二、PIN光电二极管（二）光电转换效率光电转换效率是指PIN光电二极管将入射光能转换成电能的效率。通常用量子效率和响应度参数来衡量。1.量子效率:定义为单位时间内产生的光生电子－空穴对数与单位时间入射的总光子数之比。光电检测器平均输出电流单位电荷量光电检测器平均输入光功率单个光子能量CH3二、PIN光电二极管（二）光电转换效率光电转换效率是指PIN光电二极管将入射光能转换成电能的效率。通常用量子效率和响应度参数来衡量。2.响应度:定义为光生电流与入射光功率之比。CH3二、PIN光电二极管（二）光电转换效率0eh不同材料光电二极管的响应度曲线CH3二、PIN光电二极管（三）响应速度光电检测器不是随着光功率的输入而瞬间响应生成与输入光功率呈线性关系的光生电流的，而是有一定的响应时间。通常用上升时间和下降时间来表示光电二极管的响应速度。上升时间：光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%所需的时间。。下降时间：光生电流脉冲后沿由最大幅度的90%下降到10%所需的时间。CH3二、PIN光电二极管（三）响应速度——电路RC时间常数PIN光电二极管的等效电路图为：有图可知电路的时间常数（v从0上升至最大值的63%所需的时间）为CdRL，故上升时间为：tr=2.19CdRL光电流二极管结电容负载电阻CH3二、PIN光电二极管（三）响应速度——电路RC时间常数其中结电容Cd=εA/w，w为耗尽层宽度，A为结区有效面积。tr=2.19CdRLCH3二、PIN光电二极管（三）响应速度——载流子在耗尽层的渡越时间在耗尽区里产生的电子-空六对在电场的作用下进行漂移运动。漂移运动的速度与电场强度有关。当电场较低时，漂移运动的速度正比于电场强度E。当电场强度达到某一值Es（大约为106V／m）后，载流子的漂移运动的速度不再变化，即达到极限漂移速度。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：VEs·W。CH3二、PIN光电二极管（三）响应速度——扩散运动引起的时间延迟若在零电场的表层里产生较多的电子-空穴对，那么其中的一部分将被复合掉，还有一部分先扩散到耗尽区，然后被电路吸收。CH3二、PIN光电二极管（三）响应速度——扩散运动引起的时间延迟这部分载流子作扩散运动的附加时延会使检测器输出的电脉冲的下降沿的拖尾加长，从而明显地响应光电二极管的响应速度。CH3二、PIN光电二极管（三）响应速度影响响应速度的主要因素有：光电二极管结电容及其负载电阻的RC时间常数载流子在耗尽区里的渡越时间耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟由于漂移运动速度远大于扩散运动速度，故漂移运动的渡越时间不是影响PIN响应速度的主要因素。CH3三、雪崩光电二极管（APD）在长途光纤通信系统中仅有毫瓦级的光功率从光发射机输出，经过几十km光纤的传输衰减，到达光接收机处的光信号将变得十分微弱。为了使光接收机的判决电路正常工作，应该采取什么措施？在光电转换之后采用多级放大：引入额外噪声！！！提高光电转换效率，使光电转换输出的电信号足够大。CH3三、雪崩光电二极管（APD）（一）工作原理光电效应+碰撞电离=雪崩倍增效应一次电子—空穴对二次电子—空穴对APD在结构上被设计成能够承受高反向偏压CH3三、雪崩光电二极管（APD）（二）平均雪崩增益平均雪崩增益定义为:倍增后输出电流的平均值一次光电流一般APD的倍增因子在40～100之间。APD的响应度比PIN增加了G倍.CH3三、雪崩光电二极管（APD）（二）平均雪崩增益·´ÏòƫѹU¹âµçÁ÷暗电流Êä³ö¹âµçÁ÷I00UBCH3三、雪崩光电二极管（APD）（二）平均雪崩增益CH3三、雪崩光电二极管（APD）（三）结构特点保护环型（GAPD）CH3三、雪崩光电二极管（APD）（三）结构特点保护环型（GAPD）CH3三、雪崩光电二极管（APD）（三）结构特点拉通型CH3三、雪崩光电二极管（APD）（三）结构特点拉通型CH3PIN光电二极管和APD的比较材料结构上升时间(ns)波长(nm)响应度(A/W)增益暗电流(nA)硅PIN0.5300-11000.511硅APD0.5400-10007515015锗PIN0.1500-18000.71200锗APD11000-16003550700InGaAsPIN0.3900-17000.6110InGaAsAPD0.251000-17001220100CH3四、直接检测光接收机直接检测（DD）的数字光接收机框图光电转换整形、放大、再生CH3四、直接检测光接收机功能：把接收到的光信号转化成电信号。通常为PIN光电二极管（输入光功率超过1μW）和APD，输出电流一般在μA数量级,必须将这个微弱的电流经负载电阻建立起信号电压后送入前置放大器放大。CH3四、直接检测光接收机功能：对光电检测器产生的微弱电流信号进行放大。由于前端噪声对整个放大器输出噪声影响甚大，因此前置放大器必须是低噪声和高带宽的。前置放大器输出电流一般在mV数量级。CH3四、直接检测光接收机功能：提供高的增益，将前置放大器的输出信号放大到适合于判决电路所需的电平。主放大器的输出信号一般为1V～3V(峰／峰值)。。CH3四、直接检测光接收机功能：对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最小的升余弦波形。CH3四、直接检测光接收机功能：控制主放大器的增益，在接收机平均入射功率很大时把放大器的增益自动控制在固定的输出电平上。变换成与输入信号的峰值成比例的直流信号CH3四、直接检测光接收机功能：判决均衡器输出的码是“0”还是“1”。CH3四、直接检测光接收机功能：为了精确地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致。信号码流CH3四、直接检测光接收机功能：若判决结果为“1”，则由再生电路重新产生一个矩形地“1”脉冲；如果判决结果为“0”，则由再生电路产生一个“0”。如果在发射端进行了线路编码（或扰乱），在接收端需要有相应的译码（或解扰）电路。CH3五、光接收机的主要性能指标误码率是指在一定的时间间隔内，发生差错的脉冲数和在这个时间间隔内传输的总脉冲数之比。（一）误码率光纤通信系统的误码率较低，典型误码率范围是10-9到10-12。光接收机的误码来自于系统的各种噪声和干扰。这种噪声经接收机转换为电流噪声叠加在接收机前端的信号上。CH3五、光接收机的主要性能指标接收灵敏度Sr：在一定误码率条件（BER=10－9）下，接收机能检测到的最小平均信号光功率Pmin。在工程上常用相对功率值（dBm）来表示，即（二）灵敏度CH3五、光接收机的主要性能指标灵敏度主要取决于光电检测器的响应度以及检测器和放大器引入的噪声。（二）灵敏度——影响因素之一0ehCH3五、光接收机的主要性能指标噪声主要来自于检测器和放大器引入的噪声，有以下几种类型：（二）灵敏度——影响因素之一1．散粒噪声：当光进入光电二极管时，光子的产生和结合具有统计特性，使得实际电子数围绕平均值的起伏，这种噪声称为散粒噪声。2．热噪声：起源于电阻内的电子的热运动，即使没有外加电压，由于电子热运动的随机性，使得电子的瞬间数目围绕它的平均值起伏。CH3五、光接收机的主要性能指标噪声主要来自于检测器和放大器引入的噪声，有以下几种类型：（二）灵敏度——影响因素之一暗电流：光电二极管在反偏压条件下，即使处于没有光照的环境中，电路中也会有反向直流电流，叫做暗电流。3．暗电流噪声：对一个接收机来说，暗电流决定了其可探测的信号功率水平的噪声基底。暗电流的典型值为几nA。如果暗电流达到了100nA，可能会引起严重的问题。CH3五、光接收机的主要性能指标比特速率对接收机灵敏度的影响：（二）灵敏度——影响因素之二随着比特速率的增加，放大器和均衡滤波器的带宽增加，噪声等效带宽也随之增大，造成光电检测器和放大器引入的噪声影响加剧，导致光接收机灵敏度下降。CH3五、光接收机的主要性能指标输入波形对接收机灵敏度的影响：（二）灵敏度——影响因素之四1.在比特速率一定的情况下，输入脉冲波形越窄，所需的接收机灵敏度越高。2.在比特速率一定的情况下，发送归零码型时接收机所需的灵敏度比非归零码型要高。CH3五、光接收机的主要性能指标消光比对接收机灵敏度的影响：（二）灵敏度——影响因素之四CH3五、光接收机的主要性能指标光接收机的动态范围D：在保证系统的误码率指标要求下，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。（三）动态范围低于这