情境光检测器与接收机课件.ppt

情境光检测器与接收机第1页，此课件共52页哦情境情境4-24-2光检测器与光接收机光检测器与光接收机第2页，此课件共52页哦4.2.1 4.2.1 光检测器光检测器4.2.2 4.2.2 光电二极管光电二极管4.2.3 4.2.3 光接收机光接收机4.2.4 4.2.4 光中继器光中继器 第3页，此课件共52页哦光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号数字光接收机前端线性通道时钟提取数据再生第4页，此课件共52页哦v光接收机是光纤通信系统的基本组成部分之一，主要完光接收机是光纤通信系统的基本组成部分之一，主要完成光电检测及信号处理，即实现光电（成光电检测及信号处理，即实现光电（O/EO/E）转换）转换v光接收机的首要任务是将微弱的光信号转换为电信号，再对光接收机的首要任务是将微弱的光信号转换为电信号，再对电信号进行整形、放大以及再生电信号进行整形、放大以及再生v光接收机的首要部件是光接收机的首要部件是光检测器光检测器，它是影响着光接收机性，它是影响着光接收机性能的重要器件能的重要器件第5页，此课件共52页哦 光电检测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换。对光检测器的基本要求是：在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；具有较小的体积、较长的工作寿命等。目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。4.2 光电检测器第6页，此课件共52页哦光检测器光检测器1.1.光检测器作用光检测器作用利用半导体的光电效应将光信号转换成电信号。利用半导体的光电效应将光信号转换成电信号。光检测器件质量的优劣在很大程度上决定了光接收机光检测器件质量的优劣在很大程度上决定了光接收机灵敏灵敏度度的高低。的高低。从损耗的角度出发，光接收机灵敏度和光源器件的发光功率、光纤的损耗三者一起便决定了光纤通信的传输距离。第7页，此课件共52页哦 PN结结耗尽层内建电场VCC当PN结两端加上反向偏置电压时，耗尽区加宽，势垒加强。第8页，此课件共52页哦光电二极管的工作原理当光照射到光电二极管的光敏面上时，能量大于或等于带隙能量Eg的光子将激励价带上的电子吸收光子的能量而跃迁到导带上，可以产生自由电子-空穴对（称为光生载流子）。电子-空穴对在反向偏置的外电场作用下立即分开并在结区中向两端流动，从而在外电路中形成电流（光电流）。第9页，此课件共52页哦2.2.光纤通信对光检测器的要求光纤通信对光检测器的要求v响应度响应度(量子效率量子效率)高高响应度是指输入单位光功率信号时光检测器所产生的电流值。因为从光纤传输来的光信号十分微弱，仅有毫微瓦（nw）数量级，要想从中检测出通信信息，光检测器必须具有很高的响应度，即必须具有很高的光/电转换效率。v 噪声低 光检测器在工作时会产生一些附加噪声如暗电流噪声、雪崩噪声等。这些噪声如果很大，就会附加在只有毫微瓦数量级的微弱光信号上，降低了光接收机的灵敏度。v 工作电压低与光源器件不同，光检测器是工作在反向偏置状态。有一类光检测器件APD，必须处在接近反向击穿状态才能很好的工作，因此需要较高的工作电压（100伏以上）。工作电压过高,会给使用带来不便。v 体积小、重量轻、寿命长 由于光检测器的光敏面（接收光的面积）一般都可以做到大于光纤的纤芯，所以从光纤传输来的光信号基本上可以全部被光检测器件接收，故不存在与光纤的耦合效率问题。第10页，此课件共52页哦3.3.光检测器的类型光检测器的类型光电倍增管光电倍增管热电检测器热电检测器光电二极管光电二极管PINPIN光电二极管光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管APDAPD为了提高接收机的灵敏度，又常将PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD与场效应管（FET）组合成为PIN-FET和APD-FET接收机组件，这样它们兼有光电转换和放大作用第11页，此课件共52页哦v结构结构普通光电二极管的工作原理普通光电二极管的工作原理 在耗尽区 形成漂移电流。内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动电子和空穴的扩散运动 PN结合区 自建电场 称耗尽区 （1 1）PINPIN光电二极管光电二极管第12页，此课件共52页哦如果光子的能量大于或等于带隙(hf Eg)当入射光作用在PN结时 发生受激吸收v在 PN 结施加反向电压（N接正、P接负）的情况下，受激吸收过程产生的电子空穴对在电场的作用下,分别离开耗尽区，电子向 N 区漂移，空穴向 P 区漂移，从而在外电路形成光生电流。v当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。第13页，此课件共52页哦PIN 光电二极管的工作原理v要得到高的量子效率，必须采取如下措施：要得到高的量子效率，必须采取如下措施：(1)(1)减小入减小入射表面的反射率；射表面的反射率；(2)(2)尽量减小光子在表面层被吸收的尽量减小光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽层的宽度。因此，为了得到高的量子可能性，增加耗尽层的宽度。因此，为了得到高的量子效率，常采用效率，常采用 PIN 结构，如图结构，如图5.25.2所示。所示。图图5.2 5.2 PIN 光电二极管光电二极管第14页，此课件共52页哦PIN 光电二极管的工作原理vI 区是一层接近本征的掺杂很低的区是一层接近本征的掺杂很低的N 区，在这种结构中，区，在这种结构中，零电场区（零电场区（区和区和 区）非常薄，而低掺杂的区）非常薄，而低掺杂的 I 区很区很厚，耗尽层几乎占据了整个厚，耗尽层几乎占据了整个PN 结，从而使光子在耗尽区结，从而使光子在耗尽区被充分吸收。被充分吸收。v对于对于 InGaAs 材料的光电二极管，往往还采用异质结结材料的光电二极管，往往还采用异质结结构，耗尽区构，耗尽区(InGaAs)夹在宽带隙的夹在宽带隙的 InP 材料之间，而材料之间，而InP 对于入射光几乎是透明的。对于入射光几乎是透明的。PN第15页，此课件共52页哦PINPIN光电二极管光电二极管 光检测器中最普通且实用是光检测器中最普通且实用是PINPIN光电二极管光电二极管v优点：优点：附加噪声小、工作电压低、工作寿命长、使用方便附加噪声小、工作电压低、工作寿命长、使用方便和价格便宜。和价格便宜。v缺点：缺点：没有倍增效应，因而用它作的接收机灵敏度不高。没有倍增效应，因而用它作的接收机灵敏度不高。v应用：应用：较短距离的光纤通信。（小容量与大容量皆可）较短距离的光纤通信。（小容量与大容量皆可）第16页，此课件共52页哦（2 2）APDAPD雪崩光电二极管雪崩光电二极管1.1.结构结构 APDAPD是一个是一个光电二极管光电二极管和一个和一个电信号放电信号放大器大器的集成器件。的集成器件。在在PINPIN增加了一个增加了一个层（层（i i区）区），组成，组成了了n n+pppp+多层结构。多层结构。其中，其中，n n+表示重掺杂的表示重掺杂的N N型型；p p+表示外延的重掺杂的表示外延的重掺杂的P P型型。区是i本征材料（耗尽区），吸收光子产生一次电子空穴对；p层位于n+和之间，称倍增层，通过碰撞电离在倍增层产生二次电子空穴对。第17页，此课件共52页哦设计动机：在光生电流尚未遇到后续电路的热噪声时已经在高电场的雪崩区中得到放大，因此有助于提高接收机灵敏度。（2）雪崩光电二极管APDPIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益APD:利用电离碰撞,1个光子产生多对电子-空穴对,有增益第18页，此课件共52页哦J优点：优点：具有放大效应，由它制成的光接收机具有很高灵具有放大效应，由它制成的光接收机具有很高灵敏度，可大大增加系统的传输距离。敏度，可大大增加系统的传输距离。L缺点：缺点：产生了雪崩噪声。产生了雪崩噪声。C应用：应用：大容量、长距离的光纤通信。大容量、长距离的光纤通信。第19页，此课件共52页哦4.2.2 4.2.2 光电二极管特性光电二极管特性1.1.主要特性参数主要特性参数v 量子效率量子效率v 响应速度响应速度v 检测器噪声检测器噪声第20页，此课件共52页哦光电检测器的特性指标1.响应度响应度在一定波长的光照射下，光电检测器的平均输出电流与入射的平均在一定波长的光照射下，光电检测器的平均输出电流与入射的平均光功率之比称为响应度光功率之比称为响应度(或响应率或响应率)。响应度可以表示如下：。响应度可以表示如下：PIpR0式中：Ip为光生电流的平均值(单位：A)；P为平均入射光功率值(单位：W)。第21页，此课件共52页哦2.量子效率量子效率响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性。量子效量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性。量子效率定义为通过结区的载流子数与入射的光子数之比，率定义为通过结区的载流子数与入射的光子数之比，常用符号常用符号表示：表示：hPeIp/入射到器件上的光子数数通过结区的光生载流子第22页，此课件共52页哦v 光检测器常用另一个参数光检测器常用另一个参数响应度响应度R来衡量，来衡量，其定义为光生电流其定义为光生电流Ip(A)与输入光功率与输入光功率Pin（W）之比，）之比，即即)/(WAPIRinp 因为入射光功率Pin对应于单位时间（秒）内平均入射的光子数Pin/(hfc)，而入射光子的量子效率部分被吸收，并在外电路中产生光电流，则有)/(WAhfeRc式中：e是电子电荷，其值约为1.610-19G；为光频。第23页，此课件共52页哦v响应度用波长表示为响应度用波长表示为)/(24.1WAhceR第24页，此课件共52页哦输入输出特性：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=RP （3.3-1）R是常量（响应度）。其关系如下图所示：图3.3-2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)暗电流第25页，此课件共52页哦例题：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，第26页，此课件共52页哦3.响应速度响应速度 光电二极管的响应速度是指它的光电转换速度。它取决光电二极管的响应速度是指它的光电转换速度。它取决于以下三个因素：于以下三个因素：1、耗尽区的光载流子的渡越时间；耗尽区的光载流子的渡越时间；2、耗尽区外产生的光载流子的扩散时间；、耗尽区外产生的光载流子的扩散时间；3、光电二极管以及与其相关的电路的、光电二极管以及与其相关的电路的RC时间常数。时间常数。影响这三个因素的参数有：耗尽区宽度影响这三个因素的参数有：耗尽区宽度w、吸收系数、吸收系数a as、等效电容、等效电阻等。、等效电容、等效电阻等。第27页，此课件共52页哦4.光电检测器的噪声输出端光信噪比：S/N=光电流信号/(光检测器噪声功率+放大器噪声功率)为了得到较高的信噪比：1.光检测器具有较高的量子效率，以产生较大的信号功率2.使光检测器和放大器噪声尽可能的低第28页，此课件共52页哦二二.光检测器的比较光检测器的比较vPIN二极管特点：v结构简单，可靠性高，电压低，使用方便v量子效率高v噪声小，带宽较高vAPD二极管特点：v灵敏度高v高增益v高电压，结构复杂v噪声大v使用场合：vPIN：广泛应用于光纤通信系统。在灵敏度要求不高的场合，一般都采用PINvAPD：在光接收机灵敏度要求高的场合，采用APD。如小信号测量。第29页，此课件共52页哦3.光检测器的注意事项 光电检测器是反向加压的，与光源的使用正好相反 工作电压应选择最佳偏压，以便得到最大的信噪比 更换检测器时，应选择性能参数一致或接近的器件，以减少调试的工作量，应调整活动连接器使之处于最佳位置，以保证接收机输出的眼图最清晰 使用过程中应防止高温偏置、热循环以及管子漏气受湿度的影响 防止静电击穿第30页，此课件共52页哦复习题复习题1、光电二极管的主要功能是什么？光电二极管的主要功能是什么？2 2、InGaAs光电二极管的量子效率是光电二极管的量子效率是70%，它的响应，它的响应度是多少？度是多少？3、响应度是如何依赖光信号的波长的？、响应度是如何依赖光信号的波长的？4、P-I-N代表什么意思？代表什么意思？5、与、与P-N光电二极管相比光电二极管相比P-I-N的优点是什么？的优点是什么？6、与、与P-I-N光电二极管相比光电二极管相比APD的优点是什么？的优点是什么？7、APD的缺点是什么？的缺点是什么？第31页，此课件共52页哦4.2.3 4.2.3 光接收机光接收机v功能：功能：把经光纤远距离传输后的微弱信号检测出来，放把经光纤远距离传输后的微弱信号检测出来，放大再生成原来的电信号。大再生成原来的电信号。第32页，此课件共52页哦光接收机概述v光纤通信系统分为模拟和数字两种传输系统。光纤通信系统分为模拟和数字两种传输系统。在这两种在这两种不同系统中采用的光接收机分别称为模拟光接收机和数不同系统中采用的光接收机分别称为模拟光接收机和数字光接收机。字光接收机。v相比于数字光接收机相比于数字光接收机，模拟光接收机，模拟光接收机比较简单，其原理比较简单，其原理框图如图框图如图5.8(a)5.8(a)所示。所示。v数字光接收机数字光接收机原理框图如图原理框图如图5.8(b)5.8(b)所示，可以看出，数所示，可以看出，数字接收机更为复杂一些，在主放大器后还有均衡滤波器字接收机更为复杂一些，在主放大器后还有均衡滤波器、自动增益控制电路、时钟恢复与判决电路。、自动增益控制电路、时钟恢复与判决电路。第33页，此课件共52页哦光接收机概述图图5.8 5.8 光纤通信接收机原理框图光纤通信接收机原理框图 第34页，此课件共52页哦1.数字光接收机组成第35页，此课件共52页哦（1 1）光接收机的前端光接收机的前端v前端：由光电二极管和前置放大器组成。v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。v要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽第36页，此课件共52页哦v光检测器的选择：光检测器的选择：要视具体应用场合而定。要视具体应用场合而定。PINPIN光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高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。的工作电压，响应速度快。APDAPD最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵敏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。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从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用PINPIN光光电二极管作光探测器。电二极管作光探测器。v前置放大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大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管(FET)(FET)。PIN/FETPIN/FET和和APD/FETAPD/FET。第37页，此课件共52页哦（2 2）光接收机的线性通道光接收机的线性通道第38页，此课件共52页哦（3 3）判决再生与时钟提取）判决再生与时钟提取第39页，此课件共52页哦2.2.光接收机的主要性能指标光接收机的主要性能指标v接收灵敏度，反映了接收机检测微弱信号的能力接收灵敏度，反映了接收机检测微弱信号的能力v误码率或信噪比误码率或信噪比v动态范围，反映了接收机适应输入信号变化的能力动态范围，反映了接收机适应输入信号变化的能力 第40页，此课件共52页哦4.2.4 4.2.4 光中继器光中继器随着传输线路的延长，会由于传输损耗而使脉冲衰减，随着传输线路的延长，会由于传输损耗而使脉冲衰减，同时加上传输线路的失真特性（光纤中的各种色散）产生脉冲同时加上传输线路的失真特性（光纤中的各种色散）产生脉冲波型的失真。因此，需要中继器来进行修复。波型的失真。因此，需要中继器来进行修复。光中继器主要是放大和处理经衰减和变形了的光脉冲。光中继器主要是放大和处理经衰减和变形了的光脉冲。目前的光中继器常采用光电再生中继器，即光一电光中继器目前的光中继器常采用光电再生中继器，即光一电光中继器，这相当于光纤传输的接力站。如此，就可以把传输距离大大，这相当于光纤传输的接力站。如此，就可以把传输距离大大延长。延长。中继距离受光纤线路损耗和色散(带宽)的限制，明显随传输速率的增加而减小。第41页，此课件共52页哦1.1.光中继器的功能光中继器的功能补偿光能量损耗，对畸变失真的信号波形进行整形补偿光能量损耗，对畸变失真的信号波形进行整形 2.2.光中继器分类光中继器分类传统的光中继器（即光电中继器）传统的光中继器（即光电中继器）全光中继器全光中继器 第42页，此课件共52页哦（1 1）光电中继器）光电中继器v在光放大器研制成功之前，主要采用光电混合中继器放大光在光放大器研制成功之前，主要采用光电混合中继器放大光信号信号v首先将光纤中送来的光信号转换为电信号，然后对电信号进首先将光纤中送来的光信号转换为电信号，然后对电信号进行放大，最后再将放大了的电信号转换为光信号送到光纤中行放大，最后再将放大了的电信号转换为光信号送到光纤中去，即光电光方式去，即光电光方式 第43页，此课件共52页哦3R：re-amplifying 再放大（光放大器的功能）re-timing 再定时（消除时间抖动）re-shaping 再整形（消除波形畸变）通过这3个R，得到接近于发射端的光信号的 copy，从而延长传输距离，提高信号质量。第44页，此课件共52页哦3R再生功能第45页，此课件共52页哦J优点：优点：光电光中继方式对于单个波长且数据速率不太高光电光中继方式对于单个波长且数据速率不太高的通信很适用的通信很适用L缺点：缺点：对于高速率的多个波长系统相当复杂，尤其在波分复对于高速率的多个波长系统相当复杂，尤其在波分复用系统中问题更为显著；另一方面，对于很高的数据速率，用系统中问题更为显著；另一方面，对于很高的数据速率，电放大器的实现难度很大电放大器的实现难度很大 第46页，此课件共52页哦（2 2）全光中继器）全光中继器v全光中继方式是直接在光路上放大光信号，即克服光纤衰减全光中继方式是直接在光路上放大光信号，即克服光纤衰减的最有效的措施就是使用光放大器的最有效的措施就是使用光放大器v光放大器从功能上来看属于光放大器从功能上来看属于1R1R再生器再生器 v目前全光放大器主要是掺铒光纤放大器目前全光放大器主要是掺铒光纤放大器第47页，此课件共52页哦J优点：优点：设备简单，没有光电光的转换过程，工作频带宽设备简单，没有光电光的转换过程，工作频带宽L缺点：缺点：光放大器作中继器时，对波形的整形不起作用光放大器作中继器时，对波形的整形不起作用 第48页，此课件共52页哦小小 结结v要实现光信号接收，首先要完成光信号的检测，即光要实现光信号接收，首先要完成光信号的检测，即光电转换电转换 v两种常见的光检测器：两种常见的光检测器：PINPIN光电二极管光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管 第49页，此课件共52页哦小小 结结v数字光接收机主要包括：数字光接收机主要包括：光检测器和前置放大器部分光检测器和前置放大器部分主放大器、均衡滤波器和自动增益控制部分主放大器、均衡滤波器和自动增益控制部分判决、再生部分判决、再生部分 v光中继器用来增加光纤通信距离，有光电中继器和全光光中继器用来增加光纤通信距离，有光电中继器和全光中继器中继器光电中继器可以实现信号的放大和整形，是光电光电中继器可以实现信号的放大和整形，是光电光方式光方式全光中继方式是直接在光路上放大光信号，没有光全光中继方式是直接在光路上放大光信号，没有光电光的转换过程，但不能完成波形整形电光的转换过程，但不能完成波形整形 第50页，此课件共52页哦习习 题题一、填空题一、填空题1.1.限制光接收机灵敏度的这主要因素是限制光接收机灵敏度的这主要因素是 。2.2.目前常用的光检测器主要有两种：目前常用的光检测器主要有两种：和和 。3.3.中继距离受光纤线路损耗和色散（带宽）的限制，明显随传输速率的增中继距离受光纤线路损耗和色散（带宽）的限制，明显随传输速率的增加而加而 。4.4.与与APDAPD光电二极管相比，光电二极管相比，PINPIN光电使用简单，但光电使用简单，但 较低。较低。5.5.和和 都是描述光电检测器光电转换能力的一种物理量。都是描述光电检测器光电转换能力的一种物理量。6.APD6.APD的雪崩放大效应具有随机性，由此产生的附加噪声称为的雪崩放大效应具有随机性，由此产生的附加噪声称为 。第51页，此课件共52页哦二、判断题二、判断题1.APD1.APD和和PIN-PDPIN-PD分别应用于不同的场合。（分别应用于不同的场合。（）2.2.目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器是半导体光敏目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器是半导体光敏电阻。电阻。（）3.3.采用雪崩光电二极管（采用雪崩光电二极管（APDAPD）的要求是有较高的偏置电压）的要求是有较高的偏置电压和复杂的温度补偿电路。（和复杂的温度补偿电路。（）第52页，此课件共52页哦