光纤通信(朱宗玖)第五章

第五章光检测器和光接收机5.1光检测器5.2光检测器的特性5.3光接收机5.4光接收机的噪声5.5误码率和灵敏度5.1光检测器光纤通信系统所采用的光接收器件，叫做光检测器。其作用是把接收到的光信号转化为电信号。光电探测器决定着整个信息系统的灵敏度、带宽等特性。5.1.1光电二极管如图5.1所示，光电二极管(PD)由半导体PN结组成，结上加反向偏压。当有光照射时，若光子能量(hf)大于或等于半导体禁带宽度(Eg)，则占据低能级(价带)的电子吸收光子能量而跃迁到较高能级(导带)，在耗尽区里产生许多电子空穴对，称为光生载流子。这些光生载流子受到结区内电场(自建场)的作用，电子漂移到N区、空穴漂移到P区，于是P区就有过剩的空穴积累，N区则有过剩的电子积累，也就是在PN结两边产生了一个发光电动势，即光生伏特效应。5.1.2PIN由于受激辐射仅仅发生在PN结附近，远离PN结的地方没有电场存在，因此就决定了PN光电二极管(PNPhotodiode，PNPD)或PN光电检测器的光电变换效率非常低下及响应速度很慢。PIN光电二极管的工作原理当光照射到PIN光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区（高场区）及耗尽区附近产生受激辐射现象，从而产生电子空穴对。5.1.3雪崩光电二极管应用光生载流子在其耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应而获得光生电流的雪崩倍增。1.APD的雪崩倍增原理为：当入射光照射在APD的光敏面上时，由于受激吸收原理会产生电子空穴对(这里我们称之为一次电子空穴对)。2.APD当光照射到APD的光敏面上时，由于受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴对，如图5.3所示。5.2光检测器的特性5.2.1PIN光电二极管1.量子效率和响应度光电转换效率用量子效率或响应度R表示。量子效率的定义为一次光生电子－空穴对和入射光子数的比值ehfPIhfPep00p//I＝入射光子数光生电子－空穴对响应度R的定义为一次光生电流Ip和入射光功率P0的比值式中，hf为光子能量，e为电子电荷。1l0)(expdzzgG2.响应时间和频率特性光电二极管对高速谓制光信号的响应能力用脉冲响应时间或截止频率fc(带宽B)表示。PIN光电二极管响应时间或频率特性由光生载流子在耗尽层的渡越时间和包括光电二极管在内的检测电路RC常数所确定。d由电路RC时间常数限制的截止频率式中，Rt为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和，Cd为结电容Cj和管壳分布电容的总和。式中，为材料介电常数，A为结面积，w为耗尽层宽度。dtcCRf21wACj3.噪声噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数。直接影响光接收机的接收灵敏度。光电二极管的噪声包括由信号电流和暗电流产生的散粒噪声和由负载电阻和后继放大器输入电阻产生的热噪声。暗电流是没有光入射时流过光检测器的电流，它是由PN结的热激发产生的电子－空穴对形成的。暗电流的均方值为BeIidd22再加上信号电流的散粒噪声，总的均方散粒噪声值为式中，e为电子电荷，B为放大器带宽，Ip和Id分别为信号电流和暗电流。均方热噪声电流因此，光电二极管的总均方噪声电流为BIIeidPth)(22RkTBiT42RkTBBIIeidP4)(225.2.2雪崩光电二极管特性1.倍增因子由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这种效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述它的放大作用，并把倍增因子定义为雪崩光电二极管（APD）输出光电流I0和一次光生电流Ip的比值：显然，APD的响应度比PIN增加了g倍。g可以表示为PIIg0nBnBURIUUUg/11/1102.过剩噪声因子雪崩倍增效应不仅对信号电流而且对噪声电流同样起放大作用，所以如果不考虑别的因素，APD的均方量子噪声电流为这是对噪声电流直接放大产生的，并未引入新的噪声成分。222BgeIipq事实上，雪崩效应产生的载流子也是随机的，所以引入新的噪声成分，并表示为附加噪声因子F(F1)是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪声电流应为同理，APD暗电流产生的均方噪声电流应为xpqBgeIi222xdqBgeIi222xdqBgeIi2225.3光接收机数字光接收机的功能是：把经光纤传输后幅度被衰减、波形被展宽的微弱光信号转换为电信号，并放大处理，恢复为原发射的数字序列。数字光接收机最主要的性能指标是灵敏度和动态范围。灵敏度和误码率密切相关，主要取决于光检测器的性能和相关电路的设计。直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机组成如图5.4所示，主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。5.3.1光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。5.3.2前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型。主放大器一般是多极放大器，它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制(AGC)，以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。5.3.3均衡和再生均衡的目的是对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。5.3.4光电集成接收机为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收机，即用“光电集成电路(OEIC)技术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。这样的完全集成对于GaAs接收机(即工作在短波长的接收机)是比较容易的，而且早已得到实现。然而，对于工作在1.3~1.6μm波长的系统，人们需要基于InP的OEIC接收机。在1991年试验成功的单路InGaAsOEIC接收机，其运行速率达5Gb/s。5.4光接收机的噪声光接收机的噪声有两部分：一部分是外部电磁干扰产生的，这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除；另一部分是内部产生的，这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。图5.6示出光接收机的噪声等效模型，由光检测器和放大器两部分组成。图中和分别为光检测器的量子噪声和暗电流噪声产生的均方噪声电流，其相应的功率谱密度分别表示为Sq和Sd。ip、R和C分别为光检测器的输出光生电流、偏置电阻和电容(结电容和其他电容)。放大器分解为理想放大器和等效噪声电流源和电压源，其相应的功率谱密度分别表示为SI和SE，Rin是放大器的输入电阻。iq2id2i20u20放大器的噪声放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型，根据放大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算。常用三种类型前置放大电路示于图5.7。(1)双极型晶体管(BJT)前置放大器双极型晶体管(BJT)前置放大器输出的等效噪声功率NA为：BAICkTAIRkTINccincAeBReRkT222222322])//(2[)2()()((2)场效应管(FET)场效应管(FET)前置放大器输出的等效噪声功率NA为：BAgCARgNmmAkTBkTRkT3222238.2]8.24[)2((3)跨阻型前置放大器-跨阻型前置放大器-双极型晶体管输出的等效噪声功率NA为：BAICkTAIRNccfAeBeRkT32222322]//2[)2()((4)跨阻型前置放大器-跨阻型前置放大器-场效应管输出的等效噪声功率NA为：BAgCARgRNmmfAkTBfkTkT3222238.2]8.22[)2(5.5误码率和灵敏度5.5.1误码率由于噪声的存在，放大器输出的是一个随机过程，其取样值是随机变量，因此在判决时可能发生误判，把发射的“0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。光接收机对码元误判的概率称为误码率，用较长时间间隔内，在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。码元被误判的概率，可以用噪声电流(压)概率密度函数来计算。光接收机输出噪声的概率分布十分复杂，一般假设噪声电流(或电压)的瞬时值服从高斯分布，其概率密度函数为式中x是代表噪声这一高斯随机变量的取值，其均值为零，方差为。]2exp[2122)(xfx2在已知光检测器和前置放大器的噪声功率，并假设了噪声的概率分布后，现在可以分别计算“0”码和“1”码的误码率了。在发“0”码时，平均噪声功率N0=NA，NA为前置放大器的平均噪声功率。发“0”码条件下噪声的概率密度函数为]2exp[21)(02000NINIf根据误码率的定义，把“0”码误判为“1”码的概率，应等于I0值超过D值的概率，即dxxdININPNDDe0/2002001,2exp212exp21在发“1”码时，平均噪声功率N1=NA+ND。这时噪声电流的幅度为I1-Im，判决门限值仍为D，则只要取样值Im-I1Im-D或I1-ImD-Im，就可能把“1”码误判为“0”码。所以，把“1”码误判为“0”码的概率为：dyyIIdNIINPNDImIDmemm1/)(21121110,2exp21)(2)(exp21总误码率(BER)可以表示为式中或dxxPQXe2exp2110NDINDQm10NNIQm5.5.2灵敏度灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。灵敏度Pr的定义是，在保证通信质量(限定误码率或信噪比)的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm为单位。由定义得到dBmWPPe3min10lg101.理想光接收机的灵敏度假设光检测器的暗电流为零，放大器完全没有噪声，系统可以检测出单个光子形成的电子－空穴对所产生的光电流，这种接收机称为理想光接收机。它的灵敏度只受到光检测器的量子噪声的限制，因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要有光信号输入，就有量子噪声存在。(1)理想光接收机的误码率当光检测器没有光输入时，放大器就完全没有电流输出，因此“0”码误判为“1”码的概率为0，即Pe，01=0。产生误码的惟一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有产生光电流，放大器没有电流输出。这个概率，即“1”码误判为“0”码的概率Pe，10＝exp(-n)，n为一个码元的平均光子数。当“0”码和“1”码等概率出现时，误码率为nPPPeeeexp21212110,01,(2)理想光接收机的灵敏度设传输的是非归零码(NRZ)，每个光脉冲最小平均光能量为Ed，码元宽度为Tb，一个码元平均光子数为n，那么光接收机所需最小平均接收功率为理想光接收机灵敏度为bbdTnhfTEP22min2lg10bxnhcfP2.实际光接收机的灵敏度利用误码率的公式可以计算最小平均接收光功率。为此，应建立超扰比Q与入射光功率的关系。在发“0”码的情况下，入射信号的光功率P0=0，输出光电流I0=0。在发“1”码的情况下，入射信号的光功率P1和光电流I1的关系为PgPgI211在放大器输出端“1”码的平均电流，A为放大器增益，得到给定Q值，使得到限定误码率的最小平均接收光功率102NNAPgQAgNNQP210min在略去暗电流的情况下N0=NAN1=NA+ND对于PIN光电二极管，NDNA，g=1，上式可以简化为AANQPmin5.5.3自动增益控制和动态范围主放大器是一个普通的宽带高增益放大器，由于前置放大器输出信号幅度较大，所以主放大器的噪声通常不必考虑。主放大器一般由多级放大器级