光纤通信-第6章-光电检测器与光接收机

第6章光电检测器与光接收机6.1光电探测器•P-N光电二极管•PIN光电二极管•雪崩光电二极管光通信用光电探测器：•P-N光电二极管一个能量为Ep=hf=h•c/≧Eg的光子射入光电二极管时，被吸收的光子能量被电子获得。于是，导带中的电子被激活，能够运动。光能→单位时间内的光子数目乘上单个光子的能量→转化为电流。图p-n光电二极管的工作原理a)能带图b)p-n结c)电路输入输出特性：输入光功率P，输出光电流I，射入光电二极管激活区的光子越多，产生的载流子越多，光电流越大。I=RPR是常量（响应度）。其关系如下图所示：图光电二极管的响应度a)输入输出特性b)响应度和波长的关系c)暗电流例题：光电二极管的响应度是0.85A/W，饱和输入光功率是1.5mW，当入射光功率是1mW和2mW时，光电流分别是多少？I=RP=[0.85A/W]×[1.5mW]=0.85mA当输入光功率是2mW时，公式I=RP不适用，因此我们无法得到光电流的值。解：当输入光功率是1mW时，由I=RP，可得，PIN光电二极管（Photodiodes）–高线性,低暗电流n+PIN光电二极管的结构如图所示。其在P区和N区之间夹有一层厚的本征层。“本征”→“天然的”、“不掺杂的”。P-I-N的完整意思：正极-本征-负极。实际上，本征区是轻掺杂的（N型），所以电子浓度很高，大大提高了光电转换效率。PIN光电二极管是在反向偏压作用下使用的，一般为-5V左右。当光入射到PIN结时，由于光激发产生的光生载流子—电子和空穴经过扩散和漂移，形成了通过PIN结的光电流。图PIN光电二极管光生载流子通过PIN结时间很短，这是因为虽然I层较厚，但它处于一个强的反向电场作用下，所以载流子以快的漂移速度通过I层。光生载流子通过两边P与N区时，是以比较慢的扩散速度前进的，但因P层和N层均较薄，这样总的来说就提高了PIN管的响应速度。目前PIN光电二极管带宽以达110GHz。雪崩光电二极管Avalanchephotodiode(APD)•内置放大，不引入外部电路相关噪声。增益提高x100，接收大于接收机电噪声的光信号–是高速、高灵敏度的接收器–极大的温度倚赖性•主要性能–增益带宽积–暗电流–响应BiasVoltageAPDGain1、工作原理：在光电二极管上加相对较高的反向电压（20V左右），该电压使光生电子和空穴加速并获得高能量。这些高能电子和空穴射入中性原子中，分离出其它电子和空穴。而二级载流子也获得足够能量去离化其它载流子，形成雪崩过程。这就意味着光电二极管在内部放大了光电流。（其量子效率10到100）产生二次载流子的过程称为冲击离化。图雪崩光电二极管（APD）距离简单归纳其工作原理为：高的反向偏置电压，碰撞电离，产生一次光生载流子、二次光生载流子APD的平均雪崩增益G：是个复杂的随机过程G是一个统计平均值其结构如图所示。光子穿过重掺杂的p+区，进入本征区，在这里产生电子空穴对。反向电压分离这些光生电子空穴，并将其移向pn+结，这里存在一个105V/cm的高电场，这个电场聚集载流子，并冲击导致离化。探测器材料•Silicon(Si)–最便宜•Germanium(Ge)–常用•Indiumgalliumarsenide(InGaAs)–高速SiliconWavelengthnm50010001500GermaniumInGaAsQuantumEfficiency=10.10.51.0Responsivity(A/W)6.3光接收机光信号光电变换前置放大主放大器均衡滤波判决器时钟恢复输出AGC电路性能指标:接收灵敏度、误码率或信噪比前端线性通道时钟提取与数据再生（CDR）对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。6.3.1光接收机的前端(1)前端：由光电二极管和前置放大器组成。作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然后进行预放大（电流－电压转换），以便后级作进一步处理。是光接收机的核心。要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽电信号光信号光电变换前置放大6.3.1光接收机的前端(2)•光检测器的选择：要视具体应用场合而定。–PIN光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工作电压，响应速度快。–APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。–从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用PIN光电二极管作光探测器。•前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管(FET)。PIN/FET和APD/FET。6.3.1光接收机的前端(3)•根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：–低阻抗前端–高阻抗前端–跨（互）阻抗前端光接收机前端的等效电路低阻抗前端从频带要求出发选择偏置电阻RL优点：电路简单，不需要或只需要很少的均衡，动态范围较大缺点：灵敏度低，噪声较高6.3.1光接收机的前端(4)高阻抗前端尽量加大偏置电阻，把噪声减至尽可能小的值优点：噪声较低缺点：动态范围小、高频分量损失太大,对均衡电路提出很高要求.多用于低速系统.跨阻抗前端电压并联负反馈放大器（电流-电压转换器）优点：宽频带（等效输入电阻很小）、低噪声（反馈电阻可以取得很大）、灵敏度高、动态范围大等综合优点，被广泛采用。6.3.2光接收机的线性通道对主放输出的失真数字脉冲进行整形，使之成为有利于判决码间干扰最小的升余弦波形。可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收机的动态范围。提供高的增益，放大到适合于判决电路的电平。主放大器均衡滤波AGC电路6.3.3判决再生与时钟提取任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号为确定是“1”或是“0”，需要对某时隙的码元作出判决。若判决结果为“1”，则由再生电路产生一个矩形“1”脉冲；若判决结果为“0”，则由再生电路重新输入一个“0”。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。判决器时钟恢复输出•判决、再生过程均衡器输出波形时钟再生后的信号判决电压最佳取样时间相应于“1”和“0”信号电平相差最大的位置，可有眼图决定。灵敏度•接收灵敏度：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光功率Pmin.灵敏度是光接收机的重要指标，描述了其准确检测光信号的能力。3min10)(lg10WPPr)(dBmAPD接收灵敏度–Q：超扰比，与误码率相对应–Ｎ０＝ＮＡ–Ｎ１＝ＮＡ＋ＮＤ•ＮＡ：前置放大器平均噪声功率ＮＤ：是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率，22DNAiq101m11AIIP2gPgINNIQmAgNNQP210minPIN-PD接收灵敏度–NDNA,g=1•nA=NA/A2时折合到输入端的放大器噪声功率AAnQANQPminPIN-PD与APD接收灵敏度比较APD接收灵敏度高于PIN-PD灵敏度与传输速度的关系传输速率越大，光检测器的灵敏度越低图20典型短波长光接收机灵敏度与传输速率的关系－60－55－50－45－40－35－30－25124681020406080100140200400600fb/(Mb·s－1)Pr/dBmPIN-BJPIN-FETAPD-BJAPD-FET)结论:光电检测器的灵敏度主要取决于三个主要因素：•光检测器的噪声特性•前置放大器的噪声特性•传输速度练习题1、InGaAs光电二极管的量子效率是70%，它的响应度是多少？2、P-I-N代表什么意思？3、门限判决和时钟判决示意图。4、电路模块判断。5、灵敏度的概念。