第5章光探测及光接收机.ppt

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1、第5章光探测及光接收机现在学习的是第1页，共61页一、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.光隔离器是一种只允许单方向传输光的器件，通常用于消除光隔离器是一种只允许单方向传输光的器件，通常用于消除:(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.在由四分之一

2、波长厚的多层介质膜组成的电介质镜中，所有从前在由四分之一波长厚的多层介质膜组成的电介质镜中，所有从前后相挨的两个界面上反射的波都具有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。现在学习的是第2页，共61页二、填空题二、填空题1.是把两个光纤端面结合在一起，是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性以实现光纤与光纤之间的永久性(固定固定)连连接。接。2.DFB激光器腔体损耗与激光器

3、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。现在学习的是第3页，共61页三、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现在学习的是第4页，共61页第五章第五章 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 直接检测接收机的构成、信噪比、灵敏直接检测接收机的构成、信噪比、灵敏度和比特误码率度和比特误码率现在学习的是第5页，共61页光探测器光探测器现在学习的是第6页，共61页前前 言言 发射机发射的光信号经光纤传输后，由第二

4、章我们知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。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。号的光电检测器。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。

5、配。用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些要用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些要求。求。现在学习的是第7页，共61页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，受激吸结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子收过程生成的电子 空穴对，在电场的作空穴对，在电场的作用下，在外电路形成光生电流。用下，在外电路形成光生电流。当入射功率变化时，光生电流也随之线性当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。变化，从而把光信号转变成电流信号。现在学习的是第8页，共61页 假如入射光子的能

6、量超过禁带能量假如入射光子的能量超过禁带能量 Eg，耗尽耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴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Ec c吸收光子后吸收光子后产生电子产生电子Ev光子光子h 输入输入(输出电流)(输出电流)现在学习的是第9页，共61页在在 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 空穴对在电场的空穴对在电场的作用下作用下,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，空穴和从区漂移，空穴和从负电极

7、进入的电子复合，电子则离开负电极进入的电子复合，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入入射射光光hvEgSiO2P+h+e-+ERIpVoutW抗抗反反射射膜膜电电极极电电极极耗耗尽尽区区Pin空空穴穴h+e-电电子子负负载载电电阻阻RIp光光生生电电流流输输出出电电压压L LL

8、LN(a)反反向向偏偏置置的的 PN 结结,当当光光入入射射时时,光光生生电电子子空空穴穴对对分分别别向向N N区区和和P P区区漂漂移移，在在外外电电路路产产生生光光生生电电流流W=m几几现在学习的是第10页，共61页光电检测器响应度光电检测器响应度现在学习的是第11页，共61页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现在学习的是第12页，共61页5.2.1 PIN光电二极管光电二极管-工作原理工作原理简单的简单的 PN 结光电二极管具有两个主结光

9、电二极管具有两个主要的缺点。要的缺点。首先，它的结电容或耗尽区电容较大，首先，它的结电容或耗尽区电容较大，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。其次，它的耗尽层宽度最大也只有几微其次，它的耗尽层宽度最大也只有几微米，此时长波长的穿透深度比耗尽层宽米，此时长波长的穿透深度比耗尽层宽度度 W 还大，所以大多数光子没有被耗尽还大，所以大多数光子没有被耗尽层吸收，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。现在学习的是第13页，共61页为了克服为了克服 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

10、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 层层，作为耗尽层。，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，可吸收绝大多数光子可吸收绝大多数光子，使光生电流增加。，使光生电流增加。图图5.2.1 PIN光电二极管光电二极管入入射射光光hvEgSiO2P+h+e-+EIpVout抗抗反反射射膜膜电电极极电电极极耗耗尽尽区区Pin输输出出电电压压RL反反向向偏偏置置的的PIN,因因耗耗尽尽区区较较宽宽,可可以以吸吸收收绝绝大大多多数数光光生生电电子子和和空空穴穴对对,使使量量子子效效率率提提高高I-SiWN+Vr

11、-RLCdIpVout空空穴穴h+e-电电子子负负载载电电阻阻RIp光光生生电电流流L LW=m550EVr/WCdP PI IN N管管分分布布电电容容WACrd0现在学习的是第14页，共61页1.PIN光电二极管的响应时间光电二极管的响应时间由光生载流子穿越耗尽层的宽度由光生载流子穿越耗尽层的宽度 W 所决所决定。增加定。增加 W 可可吸收吸收更多的光子，从而增加更多的光子，从而增加量子效率，但是载流子穿越量子效率，但是载流子穿越 W 的时间增的时间增加，响应速度变慢。载流子在加，响应速度变慢。载流子在 W 区的漂移区的漂移时间为时间为dtrVWt (5.2.2)式中式中dV是漂移速度。为

12、了减小漂移时间，是漂移速度。为了减小漂移时间，可增加施加的电压。可增加施加的电压。现在学习的是第15页，共61页2.光电二极管的响应波长光电二极管的响应波长现在学习的是第16页，共61页 光电二极管的响应波长光电二极管的响应波长响应曲线如下图所示：各种光电探测器的波长工作。，适用于长波长波段范围为光电二极管的波长响应和作；，适用于短波长波段工范围为光电二极管的波长响应响应都有一定的范围。光电二极管对光波长的因此，不同材料制成的降低。，从而使光电转换效率能有效地转换成光电流空穴对不域里产生的电子电场区域，在零电场区层里往往存在着一个零里，光电二极管的表面结的结区附近的耗尽层反向偏压主要是加在二层

13、里被吸收。面光子在光电二极管的表大，结果使大量的入射对光的吸收系数变得很射光波长很短时，材料数是波长的函数。当入因为材料对光的吸收系一：会大大下降。原因有二太短时，光电转换效率波长。当入射光波长止波长外，还有下截止光电二极管除了有上截mInGaAsGemSiPN6.11.10.15.0-.现在学习的是第17页，共61页图图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6008001000120014001600180000.20.40.60.81.090%70%50%30%10%InGaAsPGeInGaAsSi(nm)波长波长()R响响应应度度量子效率量子效率现在学习的是

14、第18页，共61页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 暗电流暗电流 ，表示无光照时出现的反向电，表示无光照时出现的反向电流，它影响接收机的信噪比流，它影响接收机的信噪比;响应速度响应速度,它表示对光信号的反应能力，它表示对光信号的反应能力，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。RqhvhvPqIinP24.1hvqRdIdC现在学习的是第19页，共61页例题例题 PIN光电二极管的灵敏度光电二极管的灵敏度现在学习的是第20页，共61页5.2.2 雪崩光电二

15、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。PN现在学习的是第21页，共

16、61页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，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它们在高速运动中与 P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，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，称为二空穴对，称为二次电子次电子 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

17、，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SiO2P+h+e-ERIpVout电极电极电电极极耗尽区耗尽区入射光入射光hvEgL L(a)雪崩光电二雪崩光电二极管（APD极管（APD）的结构）的结构WN+Vr-P E()x0 0各区电场分布,各区电场分布,雪崩发生在P区，雪崩发生在P区，吸收发生在 区吸收发生在 区(b)x吸收区吸收区雪崩区雪崩区 EN+Ph+e-雪崩区雪崩区(a)离子碰撞过程释放电子空穴对，离子碰撞过程释放电子空穴对，导致雪崩导致雪崩晶格晶格现在学习的是第22页，共61页2.平均雪崩增益平

18、均雪崩增益通常用通常用平均雪崩增益平均雪崩增益 M 来表示来表示 APD 的的倍增大小，倍增大小，M定义为定义为PMIIM(5.2.4)式中式中PI是初始的光生电流是初始的光生电流，MI是倍增后的是倍增后的总输出电流的平均值。总输出电流的平均值。M也与结上所加的也与结上所加的反向偏压有关。反向偏压有关。现在学习的是第23页，共61页5.2.3 响应带宽响应带宽现在学习的是第24页，共61页光电二极管响应带宽定义光电二极管响应带宽定义光发光发射机射机LD光纤光纤t光接光接收机收机PD 频率为 的频率为 的正弦电信号正弦电信号f调制频率调制频率 f正弦信号正弦信号 f=(a)传输模拟信号的光纤线路

19、(a)传输模拟信号的光纤线路0ff3dB el频率频率Phig f/Plow f1.00.5电带宽电带宽(b)光电二极管(b)光电二极管 响应带宽 响应带宽现在学习的是第25页，共61页 上升时间定义为输入阶跃光功率时，探测器输上升时间定义为输入阶跃光功率时，探测器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090%10%Tr=0.7 00.90.1tVoutTr01.0tVin线线性性系系统统RCVinVouti(a)阶跃脉冲作用于线性系统阶跃脉冲作用于线性系统(b)方波作用于方波作用于 线性系统线性系统现在学习的是第26页，共61页

20、受受 RC 时间常数限制的带宽时间常数限制的带宽现在学习的是第27页，共61页35.035.022.22.2)9(33333dBrdBrdBdBrdBrrrfTfTffTfTRCCRRCRCInTRCfT成反比关系，与即的关系为与带宽该系统的上升时间电路的电阻和电容值。分别是和式中的上升时间为下，该电路电路，在阶跃脉冲作用对于一个成反比。与系统带宽上升时间成反比与系统带宽上升时间fTr现在学习的是第28页，共61页图图5.2.2 APD 波长响应曲线波长响应曲线6008001000 1200140016001800124710010357050403020InGaAsGeSi(nm)波长波长(

21、)R响响应应度度现在学习的是第29页，共61页例题例题 带宽带宽现在学习的是第30页，共61页例题例题 InGaAs APD响应度响应度现在学习的是第31页，共61页例题例题 Si APD现在学习的是第32页，共61页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

22、，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。现在学习的是第33页，共61页图图5.2.5 MSM光电探测器结构光电探测器结构+_ _有源区有源区金属电极金属电极 m1现在学习的是第34页，共61页MSM光电光电探测器原理探测器原理+_ _有有源源区区金属金属电极电极 象手指状的平面金属电极沉淀在半导体的表面，这些电极交替象手指状的平面金属电极沉淀在半导体的表面，这些电极交替地施加电压，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。光子撞击电极间的半导体材料，产生电子光子撞击电极间的半导体材料，产生电子-空穴对，然后电子被正极

23、吸引空穴对，然后电子被正极吸引过去，而空穴被负极吸引过去，于是就产生了光生电流。过去，而空穴被负极吸引过去，于是就产生了光生电流。与与PIN和和APD探测器相比，这种结构的结电容小，所以它的带宽大，探测器相比，这种结构的结电容小，所以它的带宽大，这种器件很有可能工作在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。但缺点是灵敏度低（但缺点是灵敏度低（0.4 0.7A/W），），因为半导体材料的一部分面因为半导体材料的一部分面积被金属电极占据了，所以有源区的面积减小了。积被金属电极占据了，所以有源区的面积减小了。现在学习的是第35页，共61页5.3 数字光接收机数字光

24、接收机 接收机的设计很大程度上取决于发射机使用接收机的设计很大程度上取决于发射机使用的调制方式，特别是与传输信号的种类，即的调制方式，特别是与传输信号的种类，即模拟或数字信号有关。模拟或数字信号有关。因为大多数光波系统使用数字调制方式，所因为大多数光波系统使用数字调制方式，所以在本章中，我们集中讨论数字光接收机。以在本章中，我们集中讨论数字光接收机。关于模拟接收机的设计，我们将在第六章和关于模拟接收机的设计，我们将在第六章和第八章中讨论。第八章中讨论。数字光接收机最主要的性能指标是接收光的数字光接收机最主要的性能指标是接收光的灵敏度和光的动态范围。灵敏度和光的动态范围。现在学习的是第36页，共

25、61页图图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均衡均衡滤波滤波信号光信号光光探光探测器测器电压电压供给供给光电变换和前放光电变换和前放前放前放主放主放自动增自动增益控制益控制线性放大线性放大判决判决电路电路时钟时钟恢复恢复数据恢复数据恢复数据数据输出输出现在学习的是第37页，共61页 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

26、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。现在学习的是第38页，共61页信号光信号光光探光探测器测器电压电压供给供给光电变换和前放光电变换和前放前放前放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。

27、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。现在学习的是第39页，共61页图图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前前放放GID RLCT高高阻阻型型前前放放G RLIDCT 转转移移阻阻抗抗型型现在学习的是第40页，共61页 负载电阻跨接到反向放负载电阻跨接到反向放大器的输入和输出端，大器的输入和输出端，尽管尽管RL仍然很大，但负反仍然很大，但负反馈使输入阻抗减小了馈使输入阻抗减小了G 倍倍，因此带宽也比高阻抗放，因此带宽也比高阻抗放大器的扩大了大器的扩大了G 倍。倍。它的灵敏度高、频带

28、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。前放前放G RLIDCT 转移阻抗型转移阻抗型转移阻抗前置放大器转移阻抗前置放大器现在学习的是第41页，共61页滤滤波波主放主放自动增自动增益控制益控制均均衡衡5.3.2 线性放大线性放大由主放大器、低通滤波器和自动由主放大器、低通滤波器和自动增益控制电路组成。增益控制电路组成。有时候，为了校正和补偿前端有时候，为了校正和补偿前端对带宽的限制，在主放大器之对带宽的限制，在主放大器之前还要插入一个均衡器。前还要插入一个均衡器。低通滤波器的

29、作用是整形电低通滤波器的作用是整形电压脉冲，减小噪声，同时避压脉冲，减小噪声，同时避免引入更多的码间干扰。免引入更多的码间干扰。采用自动增益控制电路，在接采用自动增益控制电路，在接收机平均入射光功率一定的变收机平均入射光功率一定的变化范围内，可以把放大器的增化范围内，可以把放大器的增益自动控制在固定的输出电平益自动控制在固定的输出电平上上。现在学习的是第42页，共61页判决判决电路电路时钟时钟恢复恢复数据恢复数据恢复数据数据输出输出5.3.3 数据恢复数据恢复 数据恢复电路包括判决电路和时数据恢复电路包括判决电路和时钟恢复电路。钟恢复电路。它的任务是把均衡器输出的升它的任务是把均衡器输出的升余

30、弦信号恢复成数字信号。余弦信号恢复成数字信号。首先要提取时钟信号，在最佳的首先要提取时钟信号，在最佳的取样时间对升余弦信号进行取样取样时间对升余弦信号进行取样，然后将取样幅度与判决阈值进，然后将取样幅度与判决阈值进行比较，确定码元是行比较，确定码元是“0”还是还是“1”，从而把升余弦波形恢复再，从而把升余弦波形恢复再生成原传输的数字信号。生成原传输的数字信号。最佳的判决时间应是升余弦波形最佳的判决时间应是升余弦波形的正负峰值点，这时取样幅度最的正负峰值点，这时取样幅度最大，抵抗噪声的能力最强。大，抵抗噪声的能力最强。现在学习的是第43页，共61页选取最佳的判决时间选取最佳的判决时间 01010

31、100 01011010 P tt发射信号发射信号误码误码判决判决时刻时刻判决判决门限门限噪声噪声(a)在接收端探测到的在接收端探测到的带有噪声的信号带有噪声的信号 Str(b)(c)tDtDtDtDtDtDtDtD由于噪声叠加由于噪声叠加,“0 0”码，”码，在判决时刻变成在判决时刻变成使“1”码使“1”码经判决电路后产生了一个误码。经判决电路后产生了一个误码。IDI取样值取样值判决判决时刻时刻现在学习的是第44页，共61页5.3.4 眼图分析法眼图分析法 在实验室里观察码间干扰是否存在的最直观、最在实验室里观察码间干扰是否存在的最直观、最简单的方法是眼图分析法。简单的方法是眼图分析法。通常

32、误码率的典型值通常误码率的典型值为为109。将均衡滤波器输出的随机脉冲序列输入到示波器的将均衡滤波器输出的随机脉冲序列输入到示波器的 Y 轴，用时钟信号作为外触发信号，就可观察到眼图轴，用时钟信号作为外触发信号，就可观察到眼图。眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响，当输出端信噪眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响，当输出端信噪比很大时，张开度主要受码间干扰的影响。因此，观察比很大时，张开度主要受码间干扰的影响。因此，观察眼图的张开度就可以估计出码间干扰的大小，这给均衡眼图的张开度就可以估计出码间干扰的大小，这给均衡电路的调整提供了简单而适用的观测手段。电路的调整提供了简单而适用的观测手段。现在学习

33、的是第45页，共61页NRZ码数字光接收机眼图码数字光接收机眼图 现在学习的是第46页，共61页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 光接收机使用光电二极管，将入射光功率光接收机使用光电二极管，将入射光功率转换为电流转换为电流 当入射光功率不变时，两种基本的噪声，当入射光功率不变时，两种基本的噪声，散粒噪声和热噪声也会引起光生电流的起散粒噪声和热噪声也会引起光生电流的起伏伏 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 本节回顾噪声机理，并讨论光接收机的信本节回顾噪声机理，并讨论光接收机的信噪比

34、噪比(SNR)现在学习的是第47页，共61页5.4.1 PIN光接收机光接收机 SNR现在学习的是第48页，共61页 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，且变化，且增加负载电阻也可以提高增加负载电阻也可以提高SNR。这就是为什么大多。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道理。数接收机使用高阻或转移阻抗前置放大器的道理。sT2

35、2)4(innBLPfTFkRRSNR2inPinP现在学习的是第49页，共61页散粒噪声受限散粒噪声受限 SNR现在学习的是第50页，共61页5.4.2 APD 接收机接收机现在学习的是第51页，共61页fFRTkfIRPFqMMRPISNRSNRAPDxAPDInGaAsGexAPDSiAPDxMFAPDFfIRPFqMfFRTkPINAPDnLBdinAinTsPxAAdinAsnLBT)/4()(2)(17.0/5.03.0.)(2)4(22222222为接收机的对于等有关的指数。器件的材料及结构类型是与的过剩噪声指数，是式中了附加的倍增噪声：雪崩增益的影响，包含而散粒噪声却受到平均相

36、同，即接收机的热噪声与现在学习的是第52页，共61页。就体现不出大的优越性倍，接收机的是接收机相比，此时的与与量子效率关系）与响应度关系）中，散粒噪声限制的接收机在大入射功率时，即受有很大的优越性。大大提高，性能使得，因此在小入射光功率时倍。的的是的与前相比，噪声限制接收机中，在小入射功率时，即热AAinAinTsinnBLsTFPINSNRPINfhvFPfqFRPSNRSNRAPDMSNRPINSNRAPDPMfTFkRRSNR1(2(2)4(2222现在学习的是第53页，共61页)(9.12565.19log10565.19105.1110225103.8102.3)1015()(103

37、.8101105003001038.144)(102.31050010)515(106.12)(23001,1520,500,51181818182922218662321869192dBSNRdBISNRARfTkAfIIqKTFSNRnAInWPMHzfnAIMRPINInGaAsTsPLBTdPsnPindL数表示用热噪声散粒噪声常温下即解：放大器没有噪声，。信噪比计算接收机的产生平均光电流噪声，入射光功率假如放大器没有前置放大器带宽二极管暗电流，光电光电二极管，负载电阻例：接收机使用现在学习的是第54页，共61页5.5 接收机误码率和灵敏度接收机误码率和灵敏度现在学习的是第55页，共6

38、1页 图图5.5.1 比特误码率比特误码率SrPtSD发射信号发射信号接收信号接收信号TXAMP噪声噪声光源光源探测器探测器判决判决 01010100 01011010 P tt发射信号发射信号误码误码判决判决时刻时刻判决判决门限门限噪声噪声(a)(b)在接收端探测到的在接收端探测到的带有噪声的信号带有噪声的信号 Str(c)(d)tDtDtDtDtDtDtDtD由于噪声叠加由于噪声叠加,“0 0”码，”码，在判决时刻变成在判决时刻变成使“1”码使“1”码经判决电路后产生了一个误码。经判决电路后产生了一个误码。系统构成系统构成IDI取样值取样值判决判决时刻时刻现在学习的是第56页，共61页 比

39、特误码率比特误码率现在学习的是第57页，共61页 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)表示表示“1”码信号和码信号和“0”码信号在平均光生信号电流码信号在平均光生信号电流 I1（1码）和码）和I0（0码）附近的高斯概率分布，阴影区表示错误识别概率码）附近的高斯概率分布，阴影区表示错误识别概率。图图5.5.2 误码概率计算误码概率计算tD信信号号时间时间判决时刻判决时刻I1IDI0P(0/1)P(1/0)信号信号概率概率判决门限判决门限(a)(a)(b)(b)现在学习的是第58页，共61页现在学习的是第59页，共61页图图5.

40、5.3 BER和和Q参数的关系参数的关系10-110-310-510-710-910-1110-1310-15234567815182022241221.6QBER比比特特误误码码率率SNR(pk/rms)(dB)信噪比信噪比热噪声限制系统热噪声限制系统现在学习的是第60页，共61页SNR 和 Q 的关系在在受受热热噪噪声声限限制制的的接接收收机机中中,01，使使用用I00，式式(5.5.10)变变为为QI112，22112121424SNRQII，于于是是我我们们得得到到了了信信噪噪比比与与Q的的简简单单表表达达式式。因因为为910BER时时，Q 6，所所以以 SNR 必必须须至至少少要要 144 或或 21.6dB。在在散散粒粒噪噪声声受受限限的的系系统统中中，00，假假如如暗暗电电流流的的影影响响可可以以忽忽略略,“0”码码的的散散粒粒噪噪声声也也可可以以忽忽略略，此此时时2111SNR/IQ，2SNRQ为为了了使使910BER，36SNR 或或 15.6dB 就就足足够够了了。现在学习的是第61页，共61页