第5章光探测及光接收机课件.ppt

第5章光探测及光接收机第1页，此课件共61页哦一、选择题一、选择题3.LD和和 LED的主要区别是：的主要区别是：(a)LD本质上是非相干光源，谱线较宽；而本质上是非相干光源，谱线较宽；而 LED 却相反却相反(b)LD是相干光源，它的谱线很窄；而是相干光源，它的谱线很窄；而LED却相反却相反4.直接调制是信息信号直接调制光源的直接调制是信息信号直接调制光源的(a)输出光强输出光强(b)输出光的相位输出光的相位5.光光隔隔离离器器是是一一种种只只允允许许单单方方向向传传输输光光的的器器件件，通通常常用用于于消消除除:(a)反射光的影响反射光的影响(b)色散的影响色散的影响6.在在由由四四分分之之一一波波长长厚厚的的多多层层介介质质膜膜组组成成的的电电介介质质镜镜中中，所所有有从从前后相挨的两个界面上反射的波都具有前后相挨的两个界面上反射的波都具有(a)相长干涉的特性相长干涉的特性(相位差为相位差为180度度)(b)相消干涉的特性相消干涉的特性经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数将达到经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数将达到 1。第2页，此课件共61页哦二、填空题二、填空题1.是是把把两两个个光光纤纤端端面面结结合合在在一一起起，以以实实现现光光纤纤与与光光纤纤之之间间的的永永久久性性(固固定定)连接。连接。2.DFB激光器腔体损耗与激光器腔体损耗与 有关有关3.激光器的阈值电流和输出功率激光器的阈值电流和输出功率对对 很敏感。很敏感。第3页，此课件共61页哦三、名词解释三、名词解释1.DFB2.光环行器光环行器3.连接器连接器4.耦合器耦合器5.光开关光开关6 波分复用器波分复用器第4页，此课件共61页哦第五章第五章 光探测及光接收机光探测及光接收机光电检测器原理、性能和分类光电检测器原理、性能和分类直直接接检检测测接接收收机机的的构构成成、信信噪噪比比、灵灵敏敏度和比特误码率度和比特误码率第5页，此课件共61页哦光探测器光探测器第6页，此课件共61页哦前前 言言发射机发射的光信号经光纤传输后，由第二章我们发射机发射的光信号经光纤传输后，由第二章我们知道，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了知道，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了。光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。并放大、整形、再生成原输入信号。它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电检测器。的光电检测器。对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。配。用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些要求。用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些要求。第7页，此课件共61页哦5.1 光探测原理光探测原理发生受激吸收产生一个电子空穴对发生受激吸收产生一个电子空穴对;在在 PN 结施加反向电压的情况下，受激结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子吸收过程生成的电子 空穴对，在电场空穴对，在电场的作用下，在外电路形成光生电流。的作用下，在外电路形成光生电流。当入射功率变化时，光生电流也随之线当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。性变化，从而把光信号转变成电流信号。第8页，此课件共61页哦假如入射光子的能量超过禁带能量假如入射光子的能量超过禁带能量 Eg，耗耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。对，发生受激吸收。光探测原理光探测原理-受激吸收受激吸收第9页，此课件共61页哦在在 PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子 空穴对在电场的作空穴对在电场的作用下用下,分别离开耗尽区，电子向分别离开耗尽区，电子向 N 区漂移，空穴向区漂移，空穴向 P 区漂移，空穴和从负电区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开极进入的电子复合，电子则离开 N 区进入正电极。从而在外电路形成光区进入正电极。从而在外电路形成光生电流。生电流。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。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。W为禁带宽度，又称为耗尽区宽度。为禁带宽度，又称为耗尽区宽度。图图5.1.1 PN结光电检测原理说明结光电检测原理说明第10页，此课件共61页哦光电检测器响应度光电检测器响应度第11页，此课件共61页哦5.2 光电探测器光电探测器 光纤通信中最常用的光电检测器是光纤通信中最常用的光电检测器是:PIN 光电二极管光电二极管 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)现分别介绍如下现分别介绍如下第12页，此课件共61页哦5.2.1 PIN光电二极管光电二极管-工作原理工作原理简简单单的的 PN 结结光光电电二二极极管管具具有有两两个个主主要的缺点。要的缺点。首首先先，它它的的结结电电容容或或耗耗尽尽区区电电容容较较大大，RC 时间常数较大，不利于高频调制。时间常数较大，不利于高频调制。其其次次，它它的的耗耗尽尽层层宽宽度度最最大大也也只只有有几几微微米米，此此时时长长波波长长的的穿穿透透深深度度比比耗耗尽尽层层宽宽度度 W 还还大大，所所以以大大多多数数光光子子没没有有被被耗耗尽尽层吸收，因此长波长的量子效率很低。层吸收，因此长波长的量子效率很低。第13页，此课件共61页哦为了克服为了克服 PN 管存在的问题，人们采用管存在的问题，人们采用 PIN 光电二极管光电二极管PIN 二极管与二极管与 PN 二极管的主要区别是，在二极管的主要区别是，在 P 和和 N 层之间加入了一个层之间加入了一个 I 层，作为耗尽层。层，作为耗尽层。I 层的宽度较宽，约有（层的宽度较宽，约有（5 50）m，可吸收绝大多数光可吸收绝大多数光子，使光生电流增加。子，使光生电流增加。图图5.2.1 PIN光电二极管光电二极管第14页，此课件共61页哦1.PIN光电二极管的响应时间光电二极管的响应时间第15页，此课件共61页哦2.光电二极管的响应波长光电二极管的响应波长第16页，此课件共61页哦 光电二极管的响应波长光电二极管的响应波长第17页，此课件共61页哦图图5.2.2 PIN光电二极管光电二极管的波长响应曲线的波长响应曲线第18页，此课件共61页哦3.PIN光电二极管的性能参数光电二极管的性能参数量子效率量子效率 响应度响应度 R暗暗电电流流 ，表表示示无无光光照照时时出出现现的的反反向向电电流，它影响接收机的信噪比流，它影响接收机的信噪比;响响应应速速度度,它它表表示示对对光光信信号号的的反反应应能能力力，常用对光脉冲响应的上升或下降沿表示常用对光脉冲响应的上升或下降沿表示;结电容结电容 (pF),它影响响应速度。它影响响应速度。第19页，此课件共61页哦例题例题 PIN光电二极管的灵敏度光电二极管的灵敏度第20页，此课件共61页哦5.2.2 雪崩光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）是利用雪崩倍增效应使光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。电流得到倍增的高灵敏度探测器。APD的光敏面是的光敏面是 区，紧接着是三个掺杂浓度逐渐区，紧接着是三个掺杂浓度逐渐加大的加大的P区，分别标记为区，分别标记为P,和和 。APD的这种结构设计，使它能承受高的反向偏压，从的这种结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在而在 PN 结内部形成一个高电场区。结内部形成一个高电场区。APD能提供内部增益能提供内部增益,且工作速度高，且工作速度高，已广泛应用于光通信系统中。已广泛应用于光通信系统中。第21页，此课件共61页哦光生的电子光生的电子 空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量，它们在高空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量，它们在高速运动中与速运动中与 P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子 空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子 空穴对，称为二次电子空穴对，称为二次电子 空穴对。空穴对。新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。加大，形成雪崩倍增效应。1.APD工工作作原原理理第22页，此课件共61页哦2.平均雪崩增益平均雪崩增益第23页，此课件共61页哦5.2.3 响应带宽响应带宽第24页，此课件共61页哦光电二极管响应带宽定义光电二极管响应带宽定义第25页，此课件共61页哦上上升升时时间间定定义义为为输输入入阶阶跃跃光光功功率率时时，探探测测器器输输出光电流最大值的出光电流最大值的 10%到到 90%所需的时间。所需的时间。上升时间定义上升时间定义第26页，此课件共61页哦受受 RC 时间常数限制的带宽时间常数限制的带宽第27页，此课件共61页哦第28页，此课件共61页哦图图5.2.2 APD 波长响应曲线波长响应曲线第29页，此课件共61页哦例题例题 带宽带宽第30页，此课件共61页哦例题例题 InGaAs APD响应度响应度第31页，此课件共61页哦例题例题 Si APD第32页，此课件共61页哦5.2.4 MSM光电探测器光电探测器金属金属-半导体半导体-金属（金属（MSM,Metal-Semiconductor-Metal）光电探测器与光电探测器与PN结二极管结构不同。它是另一种类型的结二极管结构不同。它是另一种类型的光电探测器。光电探测器。然而，它的光然而，它的光/电转换的基本原理却仍然电转换的基本原理却仍然相同，即入射光子产生电子相同，即入射光子产生电子-空穴对，电空穴对，电子子-空穴对的流动就产生了光生电流。空穴对的流动就产生了光生电流。第33页，此课件共61页哦图图5.2.5 MSM光电探测器结构光电探测器结构第34页，此课件共61页哦MSM光电光电探测器原理探测器原理象象手手指指状状的的平平面面金金属属电电极极沉沉淀淀在在半半导导体体的的表表面面，这这些些电电极极交交替替地施加电压，所以这些电极间存在着相当高的电场。地施加电压，所以这些电极间存在着相当高的电场。光光子子撞撞击击电电极极间间的的半半导导体体材材料料，产产生生电电子子-空空穴穴对对，然然后后电电子子被被正正极极吸吸引引过过去去，而而空空穴穴被被负负极极吸吸引引过过去去，于于是是就就产产生生了了光光生生电流。电流。与与PIN和和APD探探测测器器相相比比，这这种种结结构构的的结结电电容容小小，所所以以它它的的带带宽宽大，这种器件很有可能工作在大，这种器件很有可能工作在300GHz。另外它的制造也容易。另外它的制造也容易。但但缺缺点点是是灵灵敏敏度度低低（0.4 0.7A/W），因因为为半半导导体体材材料料的的一一部部分分面面积积被金属电极占据了，所以有源区的面积减小了。被金属电极占据了，所以有源区的面积减小了。第35页，此课件共61页哦5.3 数字光接收机数字光接收机接接收收机机的的设设计计很很大大程程度度上上取取决决于于发发射射机机使使用用的的调调制制方方式式，特特别别是是与与传传输输信信号号的的种种类类，即即模拟或数字信号有关。模拟或数字信号有关。因因为为大大多多数数光光波波系系统统使使用用数数字字调调制制方方式式，所所以以在在本本章章中中，我我们们集集中中讨讨论论数数字字光光接接收收机机。关关于于模模拟拟接接收收机机的的设设计计，我我们们将将在在第第六六章章和和第八章中讨论。第八章中讨论。数数字字光光接接收收机机最最主主要要的的性性能能指指标标是是接接收收光光的的灵敏度和光的动态范围。灵敏度和光的动态范围。第36页，此课件共61页哦图图5.3.1 数字光接收机原理组成图数字光接收机原理组成图第37页，此课件共61页哦接收机前端的光电二极管通常采用PIN或APD,它是实现光电转换的关键器件，直接影响光接收机的灵敏度。低噪声前置放大器的作用是放大光电二极管产生的微弱电信号，以供主放大器进一步放大和处理。由于干扰和噪声的影响，接收机不是对任何微弱信号都能正确接收的。虽然放大器的增益可以做得很大，但在弱信号被放大的同时，噪声也被放大了，当接收信号太弱时，必定会被噪声淹没。第38页，此课件共61页哦5.3.1 前置前置放大器放大器前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用，所以精心设计前置放大面起着特别重要的作用，所以精心设计前置放大器就显得特别重要。器就显得特别重要。光电二极管把光比特流转变成随时间变化的电信光电二极管把光比特流转变成随时间变化的电信号。前置放大器的作用是放大该电信号，以供主号。前置放大器的作用是放大该电信号，以供主放大器进一步放大和处理。放大器进一步放大和处理。前置放大器的设计前置放大器的设计,要求在带宽和灵敏度之间进行要求在带宽和灵敏度之间进行折衷。折衷。第39页，此课件共61页哦图图5.3.2 光接收机光接收机前置放大器等效电路前置放大器等效电路第40页，此课件共61页哦负载电阻跨接到反向放大负载电阻跨接到反向放大器的输入和输出端，尽管器的输入和输出端，尽管RL仍然很大，但负反馈仍然很大，但负反馈使输入阻抗减小了使输入阻抗减小了G 倍，倍，因此带宽也比高阻抗放大因此带宽也比高阻抗放大器的扩大了器的扩大了G 倍。倍。它的灵敏度高、频带宽。它的灵敏度高、频带宽。动态范围也比高阻抗前置动态范围也比高阻抗前置放大器的大。因此光接收放大器的大。因此光接收机常使用这种结构的前放。机常使用这种结构的前放。转移阻抗前置放大器转移阻抗前置放大器第41页，此课件共61页哦5.3.2 线性放大线性放大由由主主放放大大器器、低低通通滤滤波波器器和和自动增益控制电路组成。自动增益控制电路组成。有有时时候候，为为了了校校正正和和补补偿偿前前端端对对带带宽宽的的限限制制，在在主主放放大大器器之之前前还还要插入一个均衡器。要插入一个均衡器。低低通通滤滤波波器器的的作作用用是是整整形形电电压压脉脉冲冲，减减小小噪噪声声，同同时时避避免免引引入入更更多的码间干扰。多的码间干扰。采采用用自自动动增增益益控控制制电电路路，在在接接收收机机平平均均入入射射光光功功率率一一定定的的变变化化范范围围内内，可可以以把把放放大大器器的的增增益益自自动动控控制制在在固固定定的的输输出出电电平平上上。第42页，此课件共61页哦5.3.3 数据恢复数据恢复数数据据恢恢复复电电路路包包括括判判决决电电路路和和时钟恢复电路。时钟恢复电路。它它的的任任务务是是把把均均衡衡器器输输出出的的升升余弦信号恢复成数字信号。余弦信号恢复成数字信号。首首先先要要提提取取时时钟钟信信号号，在在最最佳佳的的取取样样时时间间对对升升余余弦弦信信号号进进行行取取样样，然然后后将将取取样样幅幅度度与与判判决决阈阈值值进进行行比比较较，确确定定码码元元是是“0”还还是是“1”，从从而而把把升升余余弦弦波波形形恢恢复复再再生生成成原原传传输输的的数字信号。数字信号。最最佳佳的的判判决决时时间间应应是是升升余余弦弦波波形形的的正正负负峰峰值值点点，这这时时取取样样幅幅度最大，抵抗噪声的能力最强。度最大，抵抗噪声的能力最强。第43页，此课件共61页哦选取最佳的判决时间选取最佳的判决时间第44页，此课件共61页哦5.3.4 眼图分析法眼图分析法在在实实验验室室里里观观察察码码间间干干扰扰是是否否存存在在的的最最直直观观、最最简简单单的的方方法法是是眼眼图图分分析析法法。通通常常误误码码率率的的典典型型值值为为109。将将均均衡衡滤滤波波器器输输出出的的随随机机脉脉冲冲序序列列输输入入到到示示波波器器的的 Y 轴轴，用用时时钟钟信信号号作作为为外外触触发发信信号号，就就可可观观察察到到眼眼图。图。眼眼图图的的张张开开度度受受噪噪声声和和码码间间干干扰扰的的影影响响，当当输输出出端端信信噪噪比比很很大大时时，张张开开度度主主要要受受码码间间干干扰扰的的影影响响。因因此此，观观察察眼眼图图的的张张开开度度就就可可以以估估计计出出码码间间干干扰扰的的大大小小，这这给均衡电路的调整提供了简单而适用的观测手段。给均衡电路的调整提供了简单而适用的观测手段。第45页，此课件共61页哦NRZ码数字光接收机眼图码数字光接收机眼图 第46页，此课件共61页哦5.4 接收机信噪比接收机信噪比(SNR)定义定义SNR为平均信号功率和噪声功率之比为平均信号功率和噪声功率之比光光接接收收机机使使用用光光电电二二极极管管，将将入入射射光光功功率率转转换为电流换为电流当当入入射射光光功功率率不不变变时时，两两种种基基本本的的噪噪声声，散散粒噪声和热噪声也会引起光生电流的起伏粒噪声和热噪声也会引起光生电流的起伏电流起伏引入的电噪声影响接收机性能电流起伏引入的电噪声影响接收机性能本本节节回回顾顾噪噪声声机机理理，并并讨讨论论光光接接收收机机的的信信噪噪比比(SNR)第47页，此课件共61页哦5.4.1 PIN光接收机光接收机 SNR第48页，此课件共61页哦 热噪声受限SNR当均方根热噪声当均方根热噪声 （散粒噪声），（散粒噪声），即即 很小时，接收机性能受限于热噪声，在上式很小时，接收机性能受限于热噪声，在上式中，忽略散粒噪声后，中，忽略散粒噪声后，SNR变为变为该式表明在热噪声占支配地位时，该式表明在热噪声占支配地位时，SNR随随 变化，变化，且增加负载电阻也可以提高且增加负载电阻也可以提高SNR。这就是为什么。这就是为什么大多数接收机使用高阻或转移阻抗前置放大器的大多数接收机使用高阻或转移阻抗前置放大器的道理。道理。第49页，此课件共61页哦散粒噪声受限散粒噪声受限 SNR第50页，此课件共61页哦5.4.2 APD 接收机接收机第51页，此课件共61页哦第52页，此课件共61页哦第53页，此课件共61页哦第54页，此课件共61页哦5.5 接收机误码率和灵敏度接收机误码率和灵敏度第55页，此课件共61页哦 图图5.5.1 比特误码率比特误码率第56页，此课件共61页哦 比特误码率比特误码率第57页，此课件共61页哦图图(a)表示判决电路接收到的叠加了噪声的表示判决电路接收到的叠加了噪声的 PCM 比特流比特流图图(b)表表示示“1”码码信信号号和和“0”码码信信号号在在平平均均光光生生信信号号电电流流 I1（1码码）和和I0（0码码）附附近近的的高高斯斯概概率率分分布布，阴阴影影区区表表示示错错误误识识别概率。别概率。图图5.5.2 误码概率计算误码概率计算第58页，此课件共61页哦第59页，此课件共61页哦图图5.5.3 BER和和Q参数的关系参数的关系第60页，此课件共61页哦SNR 和 Q 的关系第61页，此课件共61页哦