第四章光检测与光接收机课件.ppt

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1、光检测器及光接收机光检测器及光接收机光纤通信第四章光纤通信第四章王立王立 湖南文理学院电信学院通信工程教研室湖南文理学院电信学院通信工程教研室湖南文理学院电信学院通信工程教研室湖南文理学院电信学院通信工程教研室光源光源调制器调制器调制器调制器驱动电路驱动电路驱动电路驱动电路放大器放大器光电二光电二极管极管判决器判决器光纤光纤光纤光纤光纤光纤光纤光纤中继器中继器中继器中继器光接收机是光纤通信系统的重要组成光接收机是光纤通信系统的重要组成光接收机是光纤通信系统的重要组成光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将光信号转换回电信部分，其作用是将光信号转换回电信部分，其作用是将光信号转换回电信部

2、分，其作用是将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号。号，恢复光载波所携带的原信号。号，恢复光载波所携带的原信号。号，恢复光载波所携带的原信号。光接收机光接收机光接收机光接收机本章重点本章重点n n两种常用光检测器的工作原理及工作特性两种常用光检测器的工作原理及工作特性n n光接收机的组成及各部分的功能光接收机的组成及各部分的功能n n光接收机的性能指标光接收机的性能指标n n光接收机的噪声分析光接收机的噪声分析4.1 光检测器光检测器4.2 光接收机光接收机4.3 光接收机的噪声分析光接收机的噪声分析4.4 光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度4.5 光接收机的性能评估光接收机的性能评估第

3、四章第四章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机n n光接收机的首要部件是光接收机的首要部件是光光检测器器n n光检测器的作用光检测器的作用是：检测出入射在其上是：检测出入射在其上面的光功率，且将光功率转化相应的电面的光功率，且将光功率转化相应的电流流n n适合通信用的光检测器适合通信用的光检测器：光电二极管：光电二极管(主主要有要有 Pin光电二极管和雪崩光电二极管光电二极管和雪崩光电二极管)4.1 光检测器光检测器4.1.1 光电二极管的作用光电二极管的作用光纤通信中对光检测器的最重要的几点要求：光纤通信中对光检测器的最重要的几点要求：n n对所用光源的波长范围内有较高的响应度或灵对所用光

4、源的波长范围内有较高的响应度或灵敏度敏度n n较小的噪声较小的噪声n n响应速度快响应速度快n n对温度变化不敏感对温度变化不敏感n n与光纤尺寸匹配与光纤尺寸匹配n n工作寿命长工作寿命长光电二极管：尺寸小、灵敏度高、响应速度快、光电二极管：尺寸小、灵敏度高、响应速度快、材料合适材料合适4.1.2 PN光电二极管光电二极管工作原理工作原理工作原理工作原理：入射光从入射光从入射光从入射光从P P侧侧侧侧进入，在耗尽区光吸收产进入，在耗尽区光吸收产进入，在耗尽区光吸收产进入，在耗尽区光吸收产生的电子空穴对在内建生的电子空穴对在内建生的电子空穴对在内建生的电子空穴对在内建电场作用下分别向左右两电场

5、作用下分别向左右两电场作用下分别向左右两电场作用下分别向左右两侧运动，产生光电流。侧运动，产生光电流。侧运动，产生光电流。侧运动，产生光电流。响应时间响应时间响应时间响应时间：由于光生电流：由于光生电流：由于光生电流：由于光生电流包含了漂移分量和扩散分包含了漂移分量和扩散分包含了漂移分量和扩散分包含了漂移分量和扩散分量，扩散的速度比漂移的量，扩散的速度比漂移的量，扩散的速度比漂移的量，扩散的速度比漂移的速度慢很多，使检测器输速度慢很多，使检测器输速度慢很多，使检测器输速度慢很多，使检测器输出的电流脉冲的拖尾延长，出的电流脉冲的拖尾延长，出的电流脉冲的拖尾延长，出的电流脉冲的拖尾延长，限制了光电

6、转换速度。限制了光电转换速度。限制了光电转换速度。限制了光电转换速度。1)1)设法加宽耗尽层，使得照射光子尽可能被吸收，负偏设法加宽耗尽层，使得照射光子尽可能被吸收，负偏设法加宽耗尽层，使得照射光子尽可能被吸收，负偏设法加宽耗尽层，使得照射光子尽可能被吸收，负偏压有助于加宽耗尽层。由于负偏压产生的电场与内建压有助于加宽耗尽层。由于负偏压产生的电场与内建压有助于加宽耗尽层。由于负偏压产生的电场与内建压有助于加宽耗尽层。由于负偏压产生的电场与内建电场方向一致，使得耗尽层电场增强，加强了漂移运电场方向一致，使得耗尽层电场增强，加强了漂移运电场方向一致，使得耗尽层电场增强，加强了漂移运电场方向一致，使

7、得耗尽层电场增强，加强了漂移运动，动，动，动，NN区电子向正极运动并被中和，区电子向正极运动并被中和，区电子向正极运动并被中和，区电子向正极运动并被中和，P P区的空穴向负电区的空穴向负电区的空穴向负电区的空穴向负电极运动并被中和，这样耗尽层被加宽。极运动并被中和，这样耗尽层被加宽。极运动并被中和，这样耗尽层被加宽。极运动并被中和，这样耗尽层被加宽。2)2)减少减少减少减少P P区和区和区和区和NN区的厚度来减少载流子的扩散时间，减少区的厚度来减少载流子的扩散时间，减少区的厚度来减少载流子的扩散时间，减少区的厚度来减少载流子的扩散时间，减少P P区和区和区和区和NN区被收的光能区被收的光能区被

8、收的光能区被收的光能3)3)降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层。降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层。降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层。降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层。这种结构就是常用的这种结构就是常用的这种结构就是常用的这种结构就是常用的PINPIN光电二极管光电二极管光电二极管光电二极管提高响应速度采用的办法提高响应速度采用的办法4.1.3 PIN光电二极管光电二极管 一一 结构结构及及工作原理工作原理n n在在在在PNPN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以

9、增大耗尽区宽度耗尽区宽度耗尽区宽度耗尽区宽度ww，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的达到减小扩散运动的影响，提高响应度的达到减小扩散运动的影响，提高响应度的达到减小扩散运动的影响，提高响应度的要求。由于要求。由于要求。由于要求。由于PNPN结中间插入的半导体材料近似为本征半导结中间插入的半导体材料近似为本征半导结中间插入的半导体材料近似为本征半导结中间插入的半导体材料近似为本征半导体体体体(Intrinsic)(Intrinsic)，因此这种结构称为因此这种结构称为因此这种结构称为因此这种结构称为PINPIN光电二极管光电二极管光电二极管光电二极管。I I区高阻抗区高阻抗区高阻抗区高阻抗,电

10、电电电压基本都落在压基本都落在压基本都落在压基本都落在I I区区区区PINPIN光电二极管及反偏时各层的场分布光电二极管及反偏时各层的场分布光电二极管及反偏时各层的场分布光电二极管及反偏时各层的场分布二二 主要工作特性（主要工作特性（1 1）1 截止波长吸收系数截止波长吸收系数n n对一给定的探测区材料就有一个能够探测的最低对一给定的探测区材料就有一个能够探测的最低对一给定的探测区材料就有一个能够探测的最低对一给定的探测区材料就有一个能够探测的最低频率或最大波长，而对波长大于这个极限波长的频率或最大波长，而对波长大于这个极限波长的频率或最大波长，而对波长大于这个极限波长的频率或最大波长，而对波

11、长大于这个极限波长的光波就不能被探测到。光波就不能被探测到。光波就不能被探测到。光波就不能被探测到。n n光子能量光子能量光子能量光子能量h h 大于半导体材料的禁带宽度大于半导体材料的禁带宽度大于半导体材料的禁带宽度大于半导体材料的禁带宽度E Eg g时，价时，价时，价时，价带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，否则不带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，否则不带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，否则不带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，否则不论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任论入射光多强，光电效应都不会

12、发生。所以，任何一种材料制作的光电二极管都有上何一种材料制作的光电二极管都有上何一种材料制作的光电二极管都有上何一种材料制作的光电二极管都有上截止波长截止波长截止波长截止波长 CC：在在在在短波长段，材料的短波长段，材料的短波长段，材料的短波长段，材料的吸收吸收吸收吸收吸收系数吸收系数吸收系数吸收系数变得很大，因此变得很大，因此变得很大，因此变得很大，因此光子在接近光检测器的表光子在接近光检测器的表光子在接近光检测器的表光子在接近光检测器的表面就被吸收了，电子空面就被吸收了，电子空面就被吸收了，电子空面就被吸收了，电子空穴对的寿命极短，结果载穴对的寿命极短，结果载穴对的寿命极短，结果载穴对的寿

13、命极短，结果载流子在由光检测器电路收流子在由光检测器电路收流子在由光检测器电路收流子在由光检测器电路收集以前就已经复合了。集以前就已经复合了。集以前就已经复合了。集以前就已经复合了。SiSi：C C=1.06=1.06 mm，使用范围：使用范围：使用范围：使用范围：0.51.0 0.51.0 mmGeGe：C C=1.6=1.6 mm，使用范围：使用范围：使用范围：使用范围：1.11.6 1.11.6 mmInGaAsInGaAs：C C=1.6=1.6 mm，使用范围：使用范围：使用范围：使用范围：1.11.6 1.11.6 mm二二 主要工作特性主要工作特性（2）2 量子效率和响应度量子效

14、率和响应度n n入射光功率入射光功率入射光功率入射光功率Pin中含有大量光子，能转换为光电流的光子中含有大量光子，能转换为光电流的光子中含有大量光子，能转换为光电流的光子中含有大量光子，能转换为光电流的光子数和入射总光子数之比称为数和入射总光子数之比称为数和入射总光子数之比称为数和入射总光子数之比称为量子效率量子效率量子效率量子效率.n n光生电流光生电流光生电流光生电流I I0 0与入射光功率与入射光功率与入射光功率与入射光功率P Pinin之比称为之比称为之比称为之比称为响应度响应度响应度响应度n n RR0 0=I=I0 0/P/Pininnn响应度与量子效率的关系响应度与量子效率的关系

15、产生的电子空穴对的个数产生的电子空穴对的个数产生的电子空穴对的个数产生的电子空穴对的个数入射的光子数入射的光子数入射的光子数入射的光子数二二 主要工作特性主要工作特性3 3）为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得使得使得使得可以吸收大部分的光子。可以吸收大部分的光子。可以吸收大部分的光子。可以吸收大部分的光子。3 响应时间响应时间 响应时间响应时间响应时间响应时间：由光功率输入转化为光电流输出，有由光功率输入转化为光电流输出，有由光功率输入转化为

16、光电流输出，有由光功率输入转化为光电流输出，有一定时间迟后，其值取决与光检器电路的上升时一定时间迟后，其值取决与光检器电路的上升时一定时间迟后，其值取决与光检器电路的上升时一定时间迟后，其值取决与光检器电路的上升时间、载流子通过耗尽区的间、载流子通过耗尽区的间、载流子通过耗尽区的间、载流子通过耗尽区的渡越时间、载流子扩散渡越时间、载流子扩散渡越时间、载流子扩散渡越时间、载流子扩散时间时间时间时间。主要决定于载流子通过耗尽区的主要决定于载流子通过耗尽区的主要决定于载流子通过耗尽区的主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间。渡越时间。渡越时间。渡越时间。由渡越时间限制的上截止频率由渡越时间限制的上截止

17、频率由渡越时间限制的上截止频率由渡越时间限制的上截止频率二二 主要工作特性（主要工作特性（4 4）二二 主要工作特性（主要工作特性（5 5）4 线性饱和线性饱和n n当入射光功率太大时，光生电流与光功率不成正当入射光功率太大时，光生电流与光功率不成正当入射光功率太大时，光生电流与光功率不成正当入射光功率太大时，光生电流与光功率不成正比，产生非线性失真。比，产生非线性失真。比，产生非线性失真。比，产生非线性失真。5 暗电流暗电流n n在无光照射时仍有电流流过，这部分电流称为暗在无光照射时仍有电流流过，这部分电流称为暗在无光照射时仍有电流流过，这部分电流称为暗在无光照射时仍有电流流过，这部分电流称

18、为暗电流电流电流电流.反向电压越大，暗电流越大。反向电压越大，暗电流越大。反向电压越大，暗电流越大。反向电压越大，暗电流越大。4.1.4 雪崩雪崩光电二极管光电二极管APD PIN:PIN:1 1个光子最多产生一对电子个光子最多产生一对电子个光子最多产生一对电子个光子最多产生一对电子-空穴对空穴对空穴对空穴对,无增益无增益无增益无增益 APD:APD:利用电离碰撞利用电离碰撞利用电离碰撞利用电离碰撞,1 1个光子产生多对电子个光子产生多对电子个光子产生多对电子个光子产生多对电子-空穴对空穴对空穴对空穴对,有增益有增益有增益有增益 工作过程：工作过程：工作过程：工作过程：入射光入射光入射光入射光

19、-一对一对一对一对电子电子电子电子-空穴对空穴对空穴对空穴对(一次光生电流一次光生电流一次光生电流一次光生电流)-)-与晶格碰撞电离与晶格碰撞电离与晶格碰撞电离与晶格碰撞电离-多多多多对对对对电子电子电子电子-空穴对空穴对空穴对空穴对(二次光生电流）二次光生电流）二次光生电流）二次光生电流）吸收吸收吸收吸收外电场加速外电场加速外电场加速外电场加速增加了一个附加增加了一个附加增加了一个附加增加了一个附加层，倍增区或增层，倍增区或增层，倍增区或增层，倍增区或增益区，以实现碰益区，以实现碰益区，以实现碰益区，以实现碰撞电离产生二次撞电离产生二次撞电离产生二次撞电离产生二次电子空穴对。电子空穴对。电子

20、空穴对。电子空穴对。耗尽层仍为耗尽层仍为耗尽层仍为耗尽层仍为I I层，起产生一层，起产生一层，起产生一层，起产生一次电子空穴次电子空穴次电子空穴次电子空穴对的作用。对的作用。对的作用。对的作用。1 1、倍增系数、倍增系数、倍增系数、倍增系数 GG=I Ip p /I/I0 0 I IP P-平均输出电流，平均输出电流，平均输出电流，平均输出电流，I I0 0-一次光生电流一次光生电流一次光生电流一次光生电流 I IP P GG I I0 0 GGRPRPinin 倍增系数倍增系数倍增系数倍增系数GG与外加偏压、波长、温度有关。与外加偏压、波长、温度有关。与外加偏压、波长、温度有关。与外加偏压、

21、波长、温度有关。2 2、过剩噪声因子、过剩噪声因子、过剩噪声因子、过剩噪声因子F F 在在在在APDAPD中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外的倍增噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子的倍增噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子的倍增噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子的倍增

22、噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子F F来表征这来表征这来表征这来表征这种倍增噪声。种倍增噪声。种倍增噪声。种倍增噪声。F F又可近似表为：又可近似表为：又可近似表为：又可近似表为：F FGGx x x x被称为被称为被称为被称为过剩噪声指数。过剩噪声指数。过剩噪声指数。过剩噪声指数。二二 APD的工作特性（的工作特性（1）二二 APD的工作特性（的工作特性（2）3、响应度和量子效率响应度和量子效率 响应度提高响应度提高G倍，量子效率与倍增无关倍，量子效率与倍增无关4、暗电流、暗电流 随倍增因子随倍增因子G的增大而增大的增大而增大5、线性饱和、线性饱和 主要是由于反向偏压不能保持恒定主要是由于

23、反向偏压不能保持恒定三三 光检测器的比较（光检测器的比较（1）参数参数参数参数符号符号符号符号单位单位单位单位SiSiGeGeInGaAsInGaAs波长范围波长范围波长范围波长范围 nmnm40011004001100800165080016501100170011001700响应度响应度响应度响应度R RA/WA/W0.40.60.40.60.40.50.40.50.750.950.750.95暗电流暗电流暗电流暗电流I ID DnAnA11011050500505000.52.00.52.0上升时间上升时间上升时间上升时间 r rnsns0.51.00.51.00.10.50.10.50

24、.050.50.050.5带宽带宽带宽带宽B BGHzGHz0.30.70.30.70.53.00.53.01.02.01.02.0偏置电压偏置电压偏置电压偏置电压V VB BV V5 55105105 5SiSi、GeGe、InGaAsInGaAs pinpin光电二极管的通用工作特性参数光电二极管的通用工作特性参数光电二极管的通用工作特性参数光电二极管的通用工作特性参数光检测器的比较（光检测器的比较（2）参数参数参数参数符号符号符号符号单位单位单位单位SiSiGeGeInGaAsInGaAs波长范围波长范围波长范围波长范围 nmnm40011004001100800165080016501

25、100170011001700雪崩增益雪崩增益雪崩增益雪崩增益MM2040020400502005020010401040暗电流暗电流暗电流暗电流I ID DnAnA0.110.11505005050010501050M=10M=10上升时间上升时间上升时间上升时间 r rnsns0.120.120.50.80.50.80.10.50.10.5增益带宽积增益带宽积增益带宽积增益带宽积MM B BGHzGHz1004001004002102102025020250偏置电压偏置电压偏置电压偏置电压V VB BV V1504001504002040204020302030SiSi、GeGe、InGa

26、AsInGaAs 雪崩光电二极管的通用工作特性参数雪崩光电二极管的通用工作特性参数雪崩光电二极管的通用工作特性参数雪崩光电二极管的通用工作特性参数光检测器的比较（光检测器的比较（3）n n在短距离的应用中，工作在在短距离的应用中，工作在在短距离的应用中，工作在在短距离的应用中，工作在850nm850nm的的的的SiSi器件对器件对器件对器件对于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。n n在长距离的链路常常需要工作在在长距离的链路常常需要工作在在长距离的链路常常需要工作在在长距

27、离的链路常常需要工作在1330nm1330nm和和和和1550nm1550nm窗口，所以常用基于窗口，所以常用基于窗口，所以常用基于窗口，所以常用基于InGaAsInGaAs的器件。的器件。的器件。的器件。n nAPDAPD检测器与检测器与检测器与检测器与PINPIN检测器相比，具有载流子倍增检测器相比，具有载流子倍增检测器相比，具有载流子倍增检测器相比，具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置效应，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。要视具体应用场合而选定。电压和温度补偿电

28、路。要视具体应用场合而选定。电压和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。电压和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。4.1 光检测器光检测器4.2 光接收机光接收机4.3 光接收机的噪声特性光接收机的噪声特性4.4 光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度4.5 光接收机的性能评估光接收机的性能评估第四章第四章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机4.2 数字光接收机数字光接收机光信号光信号光信号光信号光电光电光电光电变换变换变换变换前置前置前置前置放大放大放大放大主放主放主放主放大器大器大器大器均衡均衡均衡均衡滤波滤波滤波滤波判判判判决决决决器器器器时钟恢复时钟恢复时钟恢复时钟恢复电信号输出电信号输

29、出电信号输出电信号输出AGCAGC电路电路电路电路性能指标性能指标性能指标性能指标:接收灵敏度、接收灵敏度、接收灵敏度、接收灵敏度、误码率和动态范围误码率和动态范围误码率和动态范围误码率和动态范围前端前端前端前端线性通道线性通道线性通道线性通道时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生（CDRCDR）对对对对信号进行高增益放大与整形，信号进行高增益放大与整形，信号进行高增益放大与整形，信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。提高信噪比，减少误码率。提高信噪比，减少误码率。提高信噪比，减少误码率。4.2.1 光接收机的前端光接收机的前端(1)n n前端：前

30、端：前端：前端：由光电二极管和前置放大器组成。由光电二极管和前置放大器组成。由光电二极管和前置放大器组成。由光电二极管和前置放大器组成。n n作用：作用：作用：作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变将耦合入光电检测器的光信号转换为时变将耦合入光电检测器的光信号转换为时变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），以便电流，然后进行预放大（电流电压转换），以便电流，然后进行预放大（电流电压转换），以便电流，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。后级作进一步处理。是光接收机的核心。后级作进一步处理。是光接收机的核心。后级作进一步处

31、理。是光接收机的核心。n n要求：要求：要求：要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽低噪声、高灵敏度、足够的带宽低噪声、高灵敏度、足够的带宽低噪声、高灵敏度、足够的带宽电信号电信号电信号电信号光信号光信号光信号光信号光电光电光电光电变换变换变换变换前置前置前置前置放大放大放大放大4.2.1 光接收机的前端光接收机的前端(2)n n光检测器的选择：光检测器的选择：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。要视具体应用场合而定。要视具体应用场合而定。n nPINPIN光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要光电二极管具有良好

32、的光电转换线性度，不需要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。高的工作电压，响应速度快。高的工作电压，响应速度快。高的工作电压，响应速度快。n nAPDAPD最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵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。敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。n n从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用从简

33、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从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用PINPIN光电二极管作光探测器。光电二极管作光探测器。光电二极管作光探测器。光电二极管作光探测器。n n前置放大器前置放大器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的主要作用是保持探测的电信号不失的主要作用是保持探测的电信号不失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真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管管管管(FET)(FET)。PIN

34、/FETPIN/FET和和和和APD/FETAPD/FET。4.2.1 光接收机的前端光接收机的前端(3)n n根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：n n低阻抗前端低阻抗前端低阻抗前端低阻抗前端n n高阻抗前端高阻抗前端高阻抗前端高阻抗前端n n跨（互）阻抗前端跨（互）阻抗前端跨（互）阻抗前端跨（互）阻抗前端光接收机前端的等效电路光接收机前端的等效电路光接收机前端的等效电路光接收机前端的等效电路低低低低阻抗前端阻抗前端阻抗前端阻抗前端从频带

35、要求出发选择从频带要求出发选择从频带要求出发选择从频带要求出发选择偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻RRL L优点：优点：优点：优点：电路简单，不电路简单，不电路简单，不电路简单，不需要或只需要很少的需要或只需要很少的需要或只需要很少的需要或只需要很少的均衡，动态范围较大均衡，动态范围较大均衡，动态范围较大均衡，动态范围较大缺点：缺点：缺点：缺点：灵敏度低，噪灵敏度低，噪灵敏度低，噪灵敏度低，噪声较高声较高声较高声较高4.2.1 光接收机的前端光接收机的前端(4)高阻抗前端高阻抗前端高阻抗前端高阻抗前端尽量加大偏置电阻，把噪声尽量加大偏置电阻，把噪声尽量加大偏置电阻，把噪声尽量加大偏置电阻，把噪

36、声减至尽可能小的值减至尽可能小的值减至尽可能小的值减至尽可能小的值优点优点优点优点：噪声较低：噪声较低：噪声较低：噪声较低缺点缺点缺点缺点：动态范围小、高频分：动态范围小、高频分：动态范围小、高频分：动态范围小、高频分量损失太大量损失太大量损失太大量损失太大,对均衡电路提出对均衡电路提出对均衡电路提出对均衡电路提出很高要求很高要求很高要求很高要求.多用于低速系统多用于低速系统多用于低速系统多用于低速系统.跨跨跨跨阻抗前端阻抗前端阻抗前端阻抗前端电压并联负反馈放大器（电电压并联负反馈放大器（电电压并联负反馈放大器（电电压并联负反馈放大器（电流流流流-电压转换器）电压转换器）电压转换器）电压转换器

37、）优点：优点：优点：优点：宽频带（等效输入电宽频带（等效输入电宽频带（等效输入电宽频带（等效输入电阻很小）、低噪声（反馈电阻很小）、低噪声（反馈电阻很小）、低噪声（反馈电阻很小）、低噪声（反馈电阻可以取得很大）、灵敏度阻可以取得很大）、灵敏度阻可以取得很大）、灵敏度阻可以取得很大）、灵敏度高、动态范围大等综合优点，高、动态范围大等综合优点，高、动态范围大等综合优点，高、动态范围大等综合优点，被广泛采用。被广泛采用。被广泛采用。被广泛采用。4.2.2 光接收机的线性通道光接收机的线性通道对主放输出的失对主放输出的失对主放输出的失对主放输出的失真数字脉冲进行真数字脉冲进行真数字脉冲进行真数字脉冲进

38、行整形，使之成为整形，使之成为整形，使之成为整形，使之成为有利于判决码间有利于判决码间有利于判决码间有利于判决码间干扰最小的升余干扰最小的升余干扰最小的升余干扰最小的升余弦波形。弦波形。弦波形。弦波形。可根据输入信号（平均值）大小自动调整放可根据输入信号（平均值）大小自动调整放可根据输入信号（平均值）大小自动调整放可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收机的动态范围。接收机的动态范围。接收机的动态范围。接收机的动态范围。提供高的增提供高的增提

39、供高的增提供高的增益，放大到益，放大到益，放大到益，放大到适合于判决适合于判决适合于判决适合于判决电路的电平。电路的电平。电路的电平。电路的电平。主放主放主放主放大器大器大器大器均衡均衡均衡均衡滤波滤波滤波滤波AGCAGC电路电路电路电路l均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形4.2.3 判决再生与时钟提取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任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号为为为为确定是确定是确定是确定是“1”1”1”1”或是或是或是或是“0”0

40、”0”0”，需要对某时隙，需要对某时隙，需要对某时隙，需要对某时隙的码元作出判决。若的码元作出判决。若的码元作出判决。若的码元作出判决。若判决结果为判决结果为判决结果为判决结果为“1”1”1”1”，则，则，则，则由再生电路产生一个由再生电路产生一个由再生电路产生一个由再生电路产生一个矩形矩形矩形矩形“1”1”1”1”脉冲；若判脉冲；若判脉冲；若判脉冲；若判决结果为决结果为决结果为决结果为“0”0”0”0”，则由，则由，则由，则由再生电路重新输入一再生电路重新输入一再生电路重新输入一再生电路重新输入一个个个个“0”0”0”0”。为了精确地确定为了精确地确定为了精确地确定为了精确地确定“判决时刻判

41、决时刻判决时刻判决时刻”，需要从信号码流中提取，需要从信号码流中提取，需要从信号码流中提取，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，准确的时钟信息作为标定，准确的时钟信息作为标定，准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致。以保证与发送端一致。以保证与发送端一致。以保证与发送端一致。判判判判决决决决器器器器时钟恢复时钟恢复时钟恢复时钟恢复输出输出输出输出 判决、再生过程判决、再生过程均衡器输均衡器输均衡器输均衡器输出波形出波形出波形出波形时钟时钟时钟时钟再生后再生后再生后再生后的信号的信号的信号的信号判决电压判决电压判决电压判决电压最佳取样时间相应于最佳取样时间相应于最佳取样时间相应于最佳

42、取样时间相应于“1”1”和和和和“0”0”信号电信号电信号电信号电平相差最大的位置，可有眼图决定。平相差最大的位置，可有眼图决定。平相差最大的位置，可有眼图决定。平相差最大的位置，可有眼图决定。4.1 光检测器光检测器4.2 光接收机光接收机4.3 光接收机的噪声分析光接收机的噪声分析4.4 光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度4.5 光接收机的性能评估光接收机的性能评估第四章第四章 光检测器及光接收机光检测器及光接收机4.3 光接收机的噪声分析光接收机的噪声分析n n光接收机的噪声将影响信噪比光接收机的噪声将影响信噪比SNR和通信质量。和通信质量。主要来自光电探测器和前置放大器的噪声。分主要来自

43、光电探测器和前置放大器的噪声。分为两类：为两类：散粒噪声和热噪声。散粒噪声和热噪声。光检测器光检测器光检测器光检测器放大器放大器放大器放大器偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻光子流光子流光子流光子流h h R RL L 量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声 暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声 漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声 APDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声 热噪热噪热噪热噪声声声声 放大器噪声放大器噪声放大器噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：散粒噪声散粒噪声散粒噪声散粒噪声光检测器光检测器光检测器光检测器

44、放大器放大器放大器放大器偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻光子流光子流光子流光子流h h R RL L 量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声 暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声 漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声 APDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声 热噪热噪热噪热噪声声声声 放大器噪声放大器噪声放大器噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时，的产生是由于光信号入射到光检测器上时，的产生是由于光信号入射到光检测器上时，的产生是由于光信号入射到光检测器上

45、时，光电子的产生和收集过程具有统计特性光电子的产生和收集过程具有统计特性光电子的产生和收集过程具有统计特性光电子的产生和收集过程具有统计特性(泊松分布泊松分布泊松分布泊松分布)。光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光检测过程的基本特性，从而使当其他条件都达到光检测过程的基本特性，从而使当其他条件都达到光检测过程的基本特性，从而使当其他条件都达到光检测过程的基本特性，从而使当其他条件都达到最佳化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。最佳化时，接收机灵敏度具有一个

46、最低极限。最佳化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。最佳化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。光检测器光检测器光检测器光检测器放大器放大器放大器放大器偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻光子流光子流光子流光子流h h R RL L 量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声 暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声 漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声 APDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声 热噪热噪热噪热噪声声声声 放大器噪声放大器噪声放大器噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声：当没有光信号照射

47、光检测器时，外界的一：当没有光信号照射光检测器时，外界的一：当没有光信号照射光检测器时，外界的一：当没有光信号照射光检测器时，外界的一些杂散光或热运动也会产生一些电子些杂散光或热运动也会产生一些电子些杂散光或热运动也会产生一些电子些杂散光或热运动也会产生一些电子空穴对，光检空穴对，光检空穴对，光检空穴对，光检测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。光检测器光检测器光检测器光检测器放大器放大器放大器放大器偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻光子流光子流光子流

48、光子流h h R RL L 量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声 暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声 漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声 APDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声 热噪热噪热噪热噪声声声声 放大器噪声放大器噪声放大器噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电压时，会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非置电压时，会引

49、起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非置电压时，会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非置电压时，会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构和严格的工艺降低。和严格的工艺降低。和严格的工艺降低。和严格的工艺降低。光检测器光检测器光检测器光检测器放大器放大器放大器放大器偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻光子流光子流光子流光子流h h R RL L 量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声 暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪

50、声 漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声 APDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声 热噪热噪热噪热噪声声声声 放大器噪声放大器噪声放大器噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：APDAPDAPDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的随机特性产生附加的噪声。随机特性产生附加的噪声。随机特性产生附加的噪声。随机特性产生附加的噪声。光检测器光检测器光检测器光检测器放大器放大器放大器放大器偏