第四章光检测和光接收机精选文档.ppt

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1、第四章光检测和光接第四章光检测和光接收机收机本讲稿第一页，共七十四页2第四章第四章 光检测与光接收机光检测与光接收机4.1 4.1 半导体光检测器件半导体光检测器件4.2 4.2 光接收机光接收机4.3 4.3 光接收机噪声分析光接收机噪声分析4.4 4.4 光接收机的误码率光接收机的误码率4.5 4.5 接收机灵敏度接收机灵敏度4.6 4.6 光中继机光中继机本讲稿第二页，共七十四页3概述概述 光光接接收收机机是是光光纤纤通通信信系系统统的的主主要要组组成成部部分分，它它的的性性能能是是整整个个光光纤纤通通信信系系统统性性能能的的综综合合反反映映。由由光光发发送送机机发发出出的的光光信信号号

2、在在光光纤纤线线路路中中传传输输时时，不不仅仅会会受受到到损损耗耗的的影影响响而而造造成成幅幅度度衰衰减减，同同时时光光纤纤色色散散和和非非线线性性效效应应等等可可能能会会引引起起脉脉冲冲波波形形展展宽宽，由由此此造造成成的的信信号号质质量量下下降降会会增增加加接接收收机机接接收收信信号号的的难难度度，这这些些都都对对接收机的性能提出了较高的要求。接收机的性能提出了较高的要求。光光接接收收机机的的主主要要作作用用是是将将经经光光纤纤传传输输后后幅幅度度被被衰衰减减，波波形形被被展展宽宽的的微微弱弱光光信信号号转转变变为为电电信信号号，并并经经放放大大处处理理，恢恢复复为原来的信号。为原来的信号

3、。本讲稿第三页，共七十四页44.1 4.1 半导体光检测器件半导体光检测器件 光光检检测测器器的的作作用用是是将将光光纤纤输输出出的的微微弱弱光光信信号号转转变变为为电电信信号，它是影响光接收机性能的重要器件。号，它是影响光接收机性能的重要器件。光纤通信系统对光检测器的基本要求是：光纤通信系统对光检测器的基本要求是：o 波长段内响应度或灵敏度要高波长段内响应度或灵敏度要高o 具有足够的带宽和响应速度具有足够的带宽和响应速度o 由由检检测测器器引引入入的的附附加加噪噪声声必必须须最最低低，暗暗电电流流、漏漏电电流流和和并并联联电电导必须最小导必须最小o 较低的偏压或偏流，具有高可靠性和长寿命较低

4、的偏压或偏流，具有高可靠性和长寿命o 较小的几何尺寸，便于与光纤及其他电路组装较小的几何尺寸，便于与光纤及其他电路组装 本讲稿第四页，共七十四页5响应度响应度 响响应应度度是是表表示示光光检检测测器器能能量量转转换换效效率率的的一一个个参参数数，是是光光检测器的平均输出电流与平均输入光功率之比。表示为检测器的平均输出电流与平均输入光功率之比。表示为 （A/WA/W）(4-1)(4-1)式中：式中：R R0 0光检测器的响应度光检测器的响应度 I IP P光检测器的平均输出电流光检测器的平均输出电流 P P0 0入射在检测器光敏面上的平均光功率入射在检测器光敏面上的平均光功率本讲稿第五页，共七十

5、四页64.1.1 4.1.1 光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理 最最基基本本的的半半导导体体光光检检测测器器是是由由反反向向偏偏置置的的PNPN结结构构成成的的。在在半半导导体体材材料料的的PNPN结结面面上上，由由于于电电子子和和空空穴穴的的扩扩散散形形成成了了内内部部的的电电场场，称称之之为为自自建建场场。由由于于自自建建场场的的作作用用使使电电子子和和空空穴穴产产生生了了与与扩扩散散方方向向相相反反的的漂漂移移运运动动。在在PNPN结结界界面面附附近近形形成成了了高高电电场场的的耗耗尽尽区区。在在耗耗尽尽区区两两边边，电电场场基基本本为为0 0，称称为为扩扩散散区区。耗耗尽尽区区

6、和和扩扩散散区区均均为为光光子子的的吸吸收收区区，在在入入射射光光照照射射下，要吸收光能量产生光生载流子。下，要吸收光能量产生光生载流子。本讲稿第六页，共七十四页7图图4-1 PN4-1 PN结光电二极管结光电二极管 本讲稿第七页，共七十四页8图图4-2 PN4-2 PN结光电二极管工作原理结光电二极管工作原理a）PN结b）能带图漂移电流漂移电流扩散电流扩散电流本讲稿第八页，共七十四页9图图4-3 4-3 光生载流子慢扩散使响应变慢光生载流子慢扩散使响应变慢 本讲稿第九页，共七十四页10反向偏压工作的光电二极管反向偏压工作的光电二极管 为为了了克克服服由由于于光光生生载载流流子子扩扩散散速速度

7、度慢慢于于漂漂移移速速度度而而引引起起的的响响应应变变慢慢现现象象，对对光光电电二二极极管管采采用用反反向向偏压。偏压。反反向向偏偏压压增增加加了了耗耗尽尽区区的的宽宽度度，从从而而减减少少了了光光生生电电流流中中的的扩扩散散分分量量，同同时时增增强强的的电电场场也也会会加加快快光光生生载载流流子子的的漂漂移移速速度度，有有利利于于加加快快光光生生载载流流子子的的响响应时间。应时间。其他增加耗尽区的宽度的方法。其他增加耗尽区的宽度的方法。本讲稿第十页，共七十四页114.1.2.4.1.2.光电二极管光电二极管PINPIN本讲稿第十一页，共七十四页124.1.2.4.1.2.光电二极管光电二极管

8、PINPIN 在在上上述述的的光光电电二二极极管管的的PNPN结结中中间间掺掺入入一一层层浓浓度度很很低低的的N N型型半半导导体体，就就可可以以增增大大耗耗尽尽区区的的宽宽度度，达达到到减减小小扩扩散散运运动动的的影影响响，提提高高响响应应速速度度的的目目的的。由由于于这这一一掺掺入入层层的的掺掺杂杂浓浓度度低低，近近乎乎本本征征（IntrinsicIntrinsic）半半导导体体，故故称称I I层层。因因此此这这种种结结构构称称为为PINPIN光光电电二二极极管管。I I层层较较厚厚，几几乎乎占占尽尽了了整整个个耗耗尽尽区区。绝绝大大部部分分的的入入射射光光在在I I层层内内被被吸吸收收并

9、并产产生生大大量量的的电电子子-空空穴穴对对。在在I I层层两两侧侧是是掺掺杂杂浓浓度度很很高高的的P P型型和和N N型型半半导导体体，P P层层和和N N层层很很薄薄，吸吸收收入入射射光光的的比比例例很很小小。因因而而光光生生电电流流中中漂漂移移分分量量占占了了主主导导地地位位，这这就就大大大大加加快快了了响响应应速度。速度。本讲稿第十二页，共七十四页13图图4-4 PIN4-4 PIN光电二极管结构及各层电场分布光电二极管结构及各层电场分布本讲稿第十三页，共七十四页14PINPIN光电二极管的主要特性光电二极管的主要特性 o 截止波长和吸收系数截止波长和吸收系数 o 响应度和量子效率响应

10、度和量子效率 o 响应速度响应速度 o 线性饱和线性饱和 o 暗电流暗电流 o 噪声噪声 本讲稿第十四页，共七十四页15截止波长和吸收系数截止波长和吸收系数 只只有有入入射射光光子子的的能能量量hfhf大大于于半半导导体体材材料料的的禁禁带带宽宽度度E Eg g，才才能能产产生生光光电电效效应应。因因此此对对一一种种特特定定材材料料的的检检测测器器存存在在着着一一个个下下限限频频率率f fc c和相应的上限光波长和相应的上限光波长 c c。或写成或写成 式式中中h h为为普普朗朗克克常常数数，c c为为光光速速，波波长长 c c单单位位为为微微米米，禁禁带带宽宽度度E Eg g单位为电子伏特。

11、单位为电子伏特。由由式式可可见见，只只有有波波长长小小于于 c c的的光光才才能能用用由由这这种种材材料料做做成成的的器器件检测。件检测。c c称为器件的截止波长。称为器件的截止波长。本讲稿第十五页，共七十四页16穿透效应穿透效应 半半导导体体的的吸吸收收作作用用随随光光波波长长的的减减小小而而迅迅速速增增强强。即即随随光光波波长长减减小小而而变变大大。因因此此光光波波长长很很短短时时，光光在在半半导导体体表表面面就就被被吸吸收收殆殆尽尽，使使得得光光电电转转换换效效率率很很低低。这这限限制制了了半半导导体体检检测测器器在在较短波长上的应用。较短波长上的应用。由由上上分分析析可可见见：要要检检

12、测测某某波波长长的的入入射射光光，必必须须要要选选择择由由适适当当材材料料做做成成的的检检测测器器。一一方方面面由由其其禁禁带带宽宽度度决决定定的的截截止止波波长长要要大大于于入入射射光光波波长长，否否则则材材料料对对光光透透明明，不不能能进进行行光光电电转转换。另一方面，吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。换。另一方面，吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。本讲稿第十六页，共七十四页17响应度和量子效率响应度和量子效率 响应度和量子效率是表示光电二极管能量转换效率的参数。响应度和量子效率是表示光电二极管能量转换效率的参数。若入射光功率为若入射光功率为P P0 0时产生的光电流为时产生的

13、光电流为I Ip p，则响应度，则响应度R R0 0定义为：定义为：（A/wA/w）（4-34-3）量子效率定义为量子效率定义为 （4-44-4）由由4-34-3、4-44-4可知：可知：（A/WA/W）（4-54-5）式中式中e e为电子电量，为电子电量，为光波长，为光波长，h h为普朗克常数，为普朗克常数，c c为光速。为光速。本讲稿第十七页，共七十四页18图图4-5 4-5 几种材料的几种材料的PINPIN管管R R0 0，的关系的关系曲线曲线本讲稿第十八页，共七十四页19响应速度响应速度 PIN PIN 光光电电二二极极管管的的响响应应速速度度可可以以用用响响应应时时间间或或截止频率来

14、表示。截止频率来表示。响响应应时时间间取取决决于于光光检检测测电电路路的的上上升升时时间间、载载流流子子在在耗耗尽尽层层中中的的渡渡越越时时间间和和耗耗尽尽区区外外载载流流子子的的扩扩散散时间。时间。(p90-91)(p90-91)本讲稿第十九页，共七十四页20线性饱和线性饱和 光光检检测测器器电电路路有有一一定定的的光光功功率率检检测测范范围围。当当入入射射光光功功率率太太大大时时，光光电电流流和和光光功功率率将将不不成成正正比比，从从而产生非线性失真。而产生非线性失真。随随着着输输入入光光功功率率和和输输出出电电流流的的增增大大，检检测测电电路路中中负负载载电电阻阻上上的的压压降降增增大大

15、，光光电电管管上上实实际际压压降降减减小小，耗耗尽尽区区内内电电场场减减弱弱，继继而而会会引引起起单单位位光光功功率率产产生生的的光光电电流流变变小小。此此时时光光电电转转换换不不再再满满足足线线性性关关系系，称称为线性饱和。为线性饱和。(小于小于mWmW级级)本讲稿第二十页，共七十四页21暗电流暗电流 处处处处于于于于反反反反向向向向偏偏偏偏压压压压下下下下的的的的半半半半导导导导体体体体光光光光电电电电二二二二极极极极管管管管，在在在在无无无无光光光光照照照照时时时时仍仍仍仍有有有有电电电电流流流流流流流流过过过过，这这这这部部部部分分分分电电电电流流流流称称称称为为为为暗暗暗暗电电电电流

16、流流流。光光光光电电电电二二二二极极极极管管管管的的的的暗暗暗暗电电电电流流流流分分分分为为为为两两两两部部部部分分分分：一一一一部部部部分分分分为为为为反反反反向向向向偏偏偏偏压压压压下下下下二二二二极极极极管管管管的的的的反反反反向向向向饱饱饱饱和和和和电电电电流流流流，称称称称为为为为体体体体暗暗暗暗电电电电流流流流，是是是是由由由由载载载载流流流流子子子子的的的的热热热热扩扩扩扩散散散散形形形形成成成成的的的的，体体体体暗暗暗暗电电电电流流流流由由由由半半半半导导导导体体体体材材材材料料料料及及及及掺掺掺掺杂杂杂杂浓浓浓浓度度度度决决决决定定定定。另另另另一一一一部部部部分分分分是是是

17、是由由由由半半半半导导导导体体体体表表表表面面面面缺缺缺缺陷引起的表面漏电流，称为陷引起的表面漏电流，称为陷引起的表面漏电流，称为陷引起的表面漏电流，称为表面暗电流表面暗电流表面暗电流表面暗电流。暗暗暗暗电电电电流流流流与与与与器器器器件件件件的的的的结结结结面面面面积积积积成成成成正正正正比比比比。故故故故常常常常用用用用单单单单位位位位面面面面积积积积上上上上的的的的暗暗暗暗电电电电流流流流（称称称称为为为为暗暗暗暗电电电电流流流流密密密密度度度度）来来来来衡衡衡衡量量量量。暗暗暗暗电电电电流流流流随随随随器器器器件件件件温温温温度度度度的的的的升升升升高高高高而而而而增增增增大大大大。暗

18、暗暗暗电电电电流流流流的的的的存存存存在在在在限限限限制制制制了了了了光光光光电电电电二二二二极极极极管管管管所所所所能能能能检检检检测测测测的的的的最最最最小小小小光光光光功功功功率率率率，也就是也就是也就是也就是降低了接收机的灵敏度降低了接收机的灵敏度降低了接收机的灵敏度降低了接收机的灵敏度。本讲稿第二十一页，共七十四页22噪声噪声 噪噪声声是是光光电电二二极极管管的的一一个个重重要要参参数数。噪噪声声的的存存在在同同样样也也限限制制了了光光电电二二极极管管所所能能检检测测的的最最小小光光功功率率，直直接接影影响响了了接接收收灵灵敏敏度度(以以信信噪噪比比来来衡衡量量)。光光电电二二极极管

19、管的的噪噪声声包包括括散散粒粒噪噪声声（又又称称量量子子噪噪声声）和和热热噪噪声声。噪声通常用均方噪声电流（在噪声通常用均方噪声电流（在1 1负载上消耗的噪声功率）来描述。负载上消耗的噪声功率）来描述。(详见详见4.3)4.3)本讲稿第二十二页，共七十四页234.1.3 4.1.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管APDAPD 光光接接收收机机的的灵灵敏敏度度主主要要由由接接收收机机的的信信噪噪比比决决定定。采采用用减减小小噪声或增大信号电流的方法可以提高接收机的灵敏度。噪声或增大信号电流的方法可以提高接收机的灵敏度。采采用用PIN光光电电二二极极管管为为检检测测器器的的光光接接收收机机的的噪噪声

20、声主主要要由由负负载电载电阻和后阻和后级级放大器决定。放大器决定。如如果果采采用用自自身身对对光光生生电电流流具具有有放放大大作作用用的的光光检检测测器器，即即使使检检测测器器在在电电流流放放大大过过程程中中会会产产生生附附加加噪噪声声，但但只只要要附附加加噪噪声声小小于于负负载载电电阻阻和和后后级级放放大大器器的的噪噪声声，则则这这样样的的检检测测器器必必定定会会改改善善接接收收机机的的信信噪比，从而提高接收机的灵敏度。噪比，从而提高接收机的灵敏度。雪雪崩崩光光电电二二极极管管（APD，Avalanche Photo Diode）就就是是这这样样的的一种具有内部一种具有内部电电流增益的光流增

21、益的光电转换电转换器件。器件。本讲稿第二十三页，共七十四页APDAPD的工作原理的工作原理雪崩倍增效应雪崩倍增效应处处于于反反向向偏偏置置的的耗耗尽尽层层光光电电二二极极管管，当当外外加加的的反反向向偏偏压压不不断断增增强强时时，耗耗尽尽层层内内产产生生的的光光生生载载流流子子在在强强电电场场作作用用下下得得到到加加速速，获获得很大的动能。得很大的动能。高高能能的的载载流流子子与与半半导导体体晶晶体体内内的的原原子子相相碰碰撞撞，将将束束缚缚在在价价带带中中的的电电子子激激发发到到导导带带，从从而而在在耗耗尽尽层层内内产产生生新新的的电电子子-空空穴穴对对，这这种现象称为种现象称为碰撞电离碰撞

22、电离。碰碰撞撞电电离离的的第第二二代代载载流流子子在在耗耗尽尽层层的的强强电电场场的的加加速速下下再再次次引引起起碰碰撞撞电电离离而而产产生生第第三三代代载载流流子子。碰碰撞撞电电离离的的反反复复循循环环使使耗耗尽尽层层内内的的载载流流子子数数雪雪崩崩似似的的急急剧剧增增加加，通通过过二二极极管管的的电电流流也也就就猛猛增增，这这就就是是雪雪崩崩倍增效应倍增效应。24本讲稿第二十四页，共七十四页25APDAPD的工作原理的工作原理雪雪崩崩光光电电二二极极管管（APDAPD）就就是是利利用用雪雪崩崩倍倍增增效效应应实实现现内内部部电电流增益的半导体光电转换器件。流增益的半导体光电转换器件。APD

23、APD有有多多种种结结构构形形式式，图图4-94-9是是一一种种N N+-P-I-P-P-I-P+结结构构，这这种种结构的结构的APDAPD称为拉通型雪崩光电二极管（称为拉通型雪崩光电二极管（RAPDRAPD）。）。该该结结构构外外侧侧分分别别为为高高掺掺杂杂的的P P型型、N N型型半半导导体体层层，中中间间是是较较窄的窄的P P型半导体层和很宽的型半导体层和很宽的I I层（即轻掺杂的层（即轻掺杂的P P型半导体）。型半导体）。本讲稿第二十五页，共七十四页26图图4-9 APD4-9 APD光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理本讲稿第二十六页，共七十四页27APDAPD倍增因子倍增因子g

24、 g和平均倍增和平均倍增 倍倍增增因因子子是是APDAPD内内部部的的电电流流增增益益系系数数。倍倍增增因因子子g g定定义义为为APDAPD雪雪崩崩放放大大后后的输出电流的输出电流IMIM和初始光生电流和初始光生电流I Ip p的比值。的比值。（4-144-14）雪雪崩崩倍倍增增过过程程是是一一个个随随机机过过程程，即即每每一一电电子子-空空穴穴对对与与半半导导体体晶晶体体内内的的原原子子碰碰撞撞电电离离产产生生的的初初始始电电子子-空空穴穴对对的的数数目目是是随随机机的的，因因而而倍倍增增因因子子g g也也是是随随机机变化的。一般所称的变化的。一般所称的倍增因子倍增因子是指平均倍增（电流增

25、益系数）是指平均倍增（电流增益系数）G G。（4-154-15）式中式中 是表示随机量是表示随机量g g的平均值。的平均值。本讲稿第二十七页，共七十四页28图图4-10 4-10 电流增益偏压、温度关系电流增益偏压、温度关系本讲稿第二十八页，共七十四页29过剩噪声过剩噪声 当当雪雪崩崩光光电电二二极极管管的的雪雪崩崩增增益益为为G G时时，它它的的信信号号电电流流比比无无倍倍增增时时增增大大了了G G倍倍，信信号号功功率率增增大大了了G G2 2倍倍。由由式式(4-18)(4-18)可可以以看看出出噪噪声声功功率率增增大大了了G G2 2F F倍倍。由由于于F F2 2，所所以以噪噪声声功功率

26、率增增大大的的速速率率大大于于信信号号功功率率增大的速率增大的速率*。*此处分析过程请参阅教材此处分析过程请参阅教材 本讲稿第二十九页，共七十四页30APDAPD响应度和量子效率响应度和量子效率 由由于于在在APDAPD中中光光生生电电流流被被倍倍增增了了G G倍倍，所所以以它它的的响应度比响应度比PINPIN管提高了管提高了G G倍倍。因因为为量量子子效效率率只只与与初初始始载载流流子子数数目目有有关关，与与倍倍增增无无关，所以不管是关，所以不管是PINPIN还是还是APDAPD，量子效率总是小于量子效率总是小于1 1。本讲稿第三十页，共七十四页31APD APD 线性饱和和暗电流线性饱和和

27、暗电流 APD APD 适适宜宜检检测测微微弱弱的的光光信信号号，当当输输入入光光功功率率较较强强时时，入入射射光光功功率率和和输输出出电电流流之之间间的的线线性性关关系系会会被被破坏。破坏。APD APD 中中产产生生非非线线性性光光电电变变换换的的原原因因是是器器件件上上的的偏偏压压不不能能保保持持恒恒定定，继继而而会会引引起起雪雪崩崩区区的的变变窄窄和和倍倍增因子的下降。增因子的下降。APD APD 暗电流随倍增因子的增大而增大。暗电流随倍增因子的增大而增大。本讲稿第三十一页，共七十四页32第四章第四章 光检测与光接收机光检测与光接收机4.1 4.1 半导体光检测器件半导体光检测器件4.

28、2 4.2 光接收机光接收机4.3 4.3 光接收机噪声分析光接收机噪声分析4.4 4.4 光接收机的误码率光接收机的误码率4.5 4.5 接收机灵敏度接收机灵敏度4.6 4.6 光中继机光中继机本讲稿第三十二页，共七十四页334.2 4.2 光接收机光接收机 直直接接检检测测数数字字光光接接收收机机主主要要由由光光接接收收电电路路和和输输出接口电路组成。接收机的组成框图如图出接口电路组成。接收机的组成框图如图4-114-11所示。所示。本讲稿第三十三页，共七十四页34图图4-11 4-11 直接检测数字光接收机框图直接检测数字光接收机框图本讲稿第三十四页，共七十四页35光接收机原理光接收机原

29、理 在在接接收收机机中中，首首先先由由光光电电检检测测器器光光信信号号转转变变为为电电信信号号。光光电电检检测测器器的的输输出出信信号号电电流流很很小小，必必须须由由低低噪噪声声、宽宽频频带带的的前前置置放放大大器器进进行行放放大大。光光电电检检测测器器和和前前置置放放大大器器构构成成前前端端接接收收机机，其其噪噪声声性性能能是是决决定定接接收收灵灵敏敏度度的的主主要要因因素。素。主主放放大大器器与与均均衡衡器器对对信信号号进进行行高高增增益益的的放放大大并并对对经经传传输输和和放放大大后后的的失失真真信信号号进进行行补补偿偿，整整形形，提提高高信信噪噪比比，减减少少误误码码率率，使使输输出出

30、的的脉脉冲冲适适合合判决的要求。判决的要求。基基线线处处理理是是将将信信号号的的基基线线（低低电电平平）固固定定在在某某一一电电平平上上，解解决决信信号号的的基基线线漂移，以便于判决。漂移，以便于判决。定定时时判判决决与与时时钟钟提提取取电电路路作作用用是是从从收收到到的的带带有有噪噪声声和和畸畸变变的的波波形形中中识识别别信信码码“1”1”和和“0”0”。然后由再生电路重新产生和发端一样的数字脉冲序列。然后由再生电路重新产生和发端一样的数字脉冲序列。从从判判决决电电路路输输出出的的数数字字信信号号送送至至接接口口的的译译码码电电路路进进行行码码型型反反变变换换，恢恢复复原原来的码型。来的码型

31、。本讲稿第三十五页，共七十四页36光接收机主要性能指标光接收机主要性能指标o 接收灵敏度接收灵敏度反映了接收机检测微弱信号的能力反映了接收机检测微弱信号的能力o 误码率或信噪比误码率或信噪比o 动态范围动态范围反映了接收机适应输入信号变化的能力反映了接收机适应输入信号变化的能力本讲稿第三十六页，共七十四页374.2.1 4.2.1 光接收电路光接收电路 光光接接收收电电路路由由检检测测器器、前前置置放放大大器器、主主放放大大器器、自自动动增增益益控控制制和和均均衡衡电电路路组组成成。它它将将光光信信号号变变换换成成一一定定幅幅度度的的、波波形形好好的的电电信信号号，供供后后续续电电路路进进行行

32、再再生判决。生判决。本讲稿第三十七页，共七十四页381.1.光检测和前置放大器光检测和前置放大器 光光电电检检测测器器完完成成光光电电转转换换。由由发发送送端端发发出出的的光光信信号号经经过过光光纤纤线线路路传传输输后后，到到达达接接收收端端已已经经很很微微弱弱。检检测测器器输输出出的的电电流流仅仅在在nAnA数数量量级级。所所以以必必须须采采用用多多级级放放大大将将微微弱弱的的电电信信号号放放大大至判决电路才能正确识别。至判决电路才能正确识别。由由于于信信号号微微弱弱又又带带有有噪噪声声，如如果果采采用用一一般般的的放放大大器器进进行行放放大大，放放大大器器本本身身就就会会将将前前一一级级放

33、放大大器器所所引引入入的的噪噪声声也也进进行行放放大大，信信噪噪比比并并没没有有得得到到改改善善。因因此此多多级级放放大大器器的的前前级级必必须须满满足足低低噪噪声、高增益的要求，才能得到较大的信噪比。声、高增益的要求，才能得到较大的信噪比。本讲稿第三十八页，共七十四页392.2.主放和均放主放和均放 信信号号经经前前置置放放大大器器输输出出仍仍然然比比较较微微弱弱，不不能能满满足足幅幅度度判判决决的的要要求求，因因此此还还必必须须加加以以放放大大。由由于于光光接接收收机机的的入入射射光光功功率率有有一一个个可可变变化化的的动动态态范范围围，因因此此放放大大器器增增益益也也应应随随入入射射光光

34、功功率率的的变变化化得得到到相相应应的的调调整整，以以适适应应在在不不同同输输入入信信号号情情况况下下仍仍能能保保持持输输出出电电平平稳稳定定。即即实实现现自自动动增增益益控控制制。在在光光接接收收机机中中，把实现自动增益控制的放大级称为主放大器。把实现自动增益控制的放大级称为主放大器。均均放放电电路路的的主主要要作作用用是是对对接接收收到到的的信信号号进进行行均均衡以利于定时判决。衡以利于定时判决。本讲稿第三十九页，共七十四页40图图4-13 4-13 主放和均放构成框图主放和均放构成框图(p97)(p97)去监测盘去监测盘信号信号输输入入告警告警AGC1AGC监测监测光电检测光电检测前置放

35、大前置放大均衡滤波均衡滤波AGC宽放宽放宽放宽放1压控衰减压控衰减宽放宽放2直流放大直流放大峰值检波峰值检波AGC2眼图眼图监测监测去再生电去再生电路路去再生电路去再生电路去监测盘去监测盘本讲稿第四十页，共七十四页413.3.基线处理与定时再生基线处理与定时再生 由由于于传传输输线线路路上上所所传传送送的的码码流流中中“0”0”、“1”1”分分布布并并不不均均匀匀，并并不不可可避避免免地地有有连连续续的的“0”0”或或连连续续的的“1”1”出出现现，使使得得信信号号中中的的直直流流成成分分有有起起伏伏变变化化，这这种种信信号号在在接接收收机机中中处处理理时时，因因各各级级间间的的耦耦合合均均为

36、为交交流流耦耦合合，即即RCRC耦耦合合，这这会会使使信信号号的的基基线线随随直直流流成成分的变化而漂移。分的变化而漂移。这这种种漂漂移移严严重重时时，会会使使判判决决产产生生误误码码。在在发发送送端端虽虽已已进进行行了了线线路路码码型型变变换换，以以使使码码流流中中的的“0”0”、“1”1”分分布布尽尽可可能能均均匀匀使使信信号号中中的的直直流流分分量量尽尽可可能能恒恒定定，但但是是由由于于种种种种原原因因，难难以以达达到到理理想想程程度度。因因此此在在定定时时再再生生电电路路中中，首首先先要要对对基基线线漂漂移移进行处理，即将信号的基线（低电平）固定在某一电平上。进行处理，即将信号的基线（

37、低电平）固定在某一电平上。本讲稿第四十一页，共七十四页42基线处理基线处理移相移相定时判决定时判决眼图眼图信信号号非线性处理非线性处理时钟提取时钟提取时钟时钟码再生码再生幅度判决幅度判决图图4-16 4-16 基线处理与定时再生框图基线处理与定时再生框图本讲稿第四十二页，共七十四页43定时再生定时再生 经经过过基基线线处处理理的的信信号号，首首先先要要进进行行幅幅度度判判决决，然然后后再再经经过过时时钟钟提提取取，还还原原出出幅幅度度和和时时钟钟准准确确的的再再生信号。生信号。本讲稿第四十三页，共七十四页444.2.2 4.2.2 输出电路输出电路 输输出出电电路路是是光光端端机机接接收收部部

38、分分在在定定时时再再生生之之后后的的信信号号处处理理部部分分。通通常常包包括括线线路路码码型型反反变变换换、输输出出接接口口两两大大部部分分。低低中中速速率率的的光光端端机机，则则将将这这两两部部分分安安装装在在一一块块机机盘盘中中，称称为为输输出出盘盘。在在“光光电电合合架架”设设备备中中，取取消消了了输输出出接接口口电电路路，则则码码型型反反变变换换部部分分和和光接收电路装在同一块机盘中。光接收电路装在同一块机盘中。本讲稿第四十四页，共七十四页454.2.3 4.2.3 其他电路其他电路o 告警电路告警电路o 倒换电路倒换电路o 公务电路公务电路o 电源电路电源电路本讲稿第四十五页，共七十

39、四页46第四章第四章 光检测与光接收机光检测与光接收机4.1 4.1 半导体光检测器件半导体光检测器件4.2 4.2 光接收机光接收机4.3 4.3 光接收机噪声分析光接收机噪声分析4.4 4.4 光接收机的误码率光接收机的误码率4.5 4.5 接收机灵敏度接收机灵敏度4.6 4.6 光中继机光中继机本讲稿第四十六页，共七十四页474.3 4.3 光接收机噪声分析光接收机噪声分析 光光接接收收机机的的作作用用是是将将接接收收到到的的微微弱弱的的数数字字光光信信号号通通过过光光电电二二极极管管转转换换为为光光电电流流，并并经经放放大大、整整形形、判决等信号处理，完成信号的准确检测。判决等信号处理

40、，完成信号的准确检测。一一个个性性能能优优良良的的光光接接收收机机应应具具有有尽尽可可能能高高的的接接收收灵灵敏敏度度。但但灵灵敏敏度度的的提提高高受受到到了了接接收收机机中中存存在在的的噪声的影响。噪声的存在将会降低接收机的灵敏度。噪声的影响。噪声的存在将会降低接收机的灵敏度。本讲稿第四十七页，共七十四页484.3.1 4.3.1 光接收机的主要噪声光接收机的主要噪声 光光接接收收机机中中存存在在各各种种噪噪声声源源，根根据据噪噪声声产产生生的的不同机理，噪声可分为两类：散粒噪声和热噪声。不同机理，噪声可分为两类：散粒噪声和热噪声。接收机中的噪声源及其引入部位如图接收机中的噪声源及其引入部位

41、如图4-204-20所示。所示。本讲稿第四十八页，共七十四页49图图4-20 4-20 接收机噪声及其分布接收机噪声及其分布本讲稿第四十九页，共七十四页50光接收机的主要噪声光接收机的主要噪声 接接收收机机中中的的噪噪声声源源及及其其引引入入部部位位如如图图4-204-20所所示示。其中其中 散散粒粒噪噪声声包包括括光光检检测测器器的的量量子子噪噪声声、暗暗电电流流噪噪声、漏电流噪声和声、漏电流噪声和APDAPD倍增噪声；倍增噪声；热噪声热噪声主要指负载电阻产生的热噪声；主要指负载电阻产生的热噪声；放放大大器器噪噪声声（主主要要是是前前置置放放大大器器噪噪声声）中中，既既有热噪声，又有散粒噪声

42、。有热噪声，又有散粒噪声。本讲稿第五十页，共七十四页514.3.2 4.3.2 光检测器的噪声分析光检测器的噪声分析 对对于于光光检检测测器器的的噪噪声声，采采用用的的主主要要方方法法是是从从建建立立噪噪声声的的数数学学模模型型着着手手进行分析。（进行分析。（此处推导过程不作要求此处推导过程不作要求）如果规定误码率指标为不超过如果规定误码率指标为不超过P Pe e1010-9-9，则最小必须接收的光脉冲能量应为，则最小必须接收的光脉冲能量应为 （4-264-26）如如果果量量子子效效率率1 1，则则最最小小检检测测的的光光脉脉冲冲能能量量必必须须等等于于21hf21hf，也也就就是是说说最最小

43、小必必须须接接收收2121个个光光子子，才才能能保保证证误误码码率率不不大大于于1010-9-9。如如发发送送端端发发出出的的“1”1”码码和和“0”0”码码等等概概率率出出现现（数数目目相相等等）每每位位码码持持续续时时间间为为T T，那那么么平平均均检检测测光光功功率率必须至少为必须至少为 （4-274-27）这就是接收机灵敏度对规定误码率这就是接收机灵敏度对规定误码率P Pe e1010-9-9的基本极限，即所谓的基本极限，即所谓量子极限量子极限。本讲稿第五十一页，共七十四页52第四章第四章 光检测与光接收机光检测与光接收机4.1 4.1 半导体光检测器件半导体光检测器件4.2 4.2

44、光接收机光接收机4.3 4.3 光接收机噪声分析光接收机噪声分析4.4 4.4 光接收机的误码率光接收机的误码率4.5 4.5 接收机灵敏度接收机灵敏度4.6 4.6 光中继机光中继机本讲稿第五十二页，共七十四页53导入导入:图图4-20 4-20 接收机噪声及其分布接收机噪声及其分布本讲稿第五十三页，共七十四页544.4 4.4 光接收机的误码率光接收机的误码率*光光接接收收机机的的误误码码主主要要由由散散粒粒噪噪声声、倍倍增增噪噪声声、热热噪噪声声等等综综合的合的总噪声总噪声引起。引起。误误码码的的多多少少及及分分布布不不仅仅和和总总噪噪声声的的大大小小有有关关，还还与与总总噪声的噪声的分

45、布有关分布有关。入入射射光光子子在在PINPIN内内产产生生的的电电子子或或在在APDAPD内内产产生生的的一一次次电电子子通通常常服服从从泊泊松松分分布布。但但经经过过电电子子倍倍增增(在在APDAPD中中)，再再经经放放大大、均均衡衡后后，噪噪声声分分布布变变得得很很复复杂杂。所所以以要要精精确确计计算算误误码码率率及及灵敏度就比较困难。灵敏度就比较困难。*详见教材理论分析详见教材理论分析本讲稿第五十四页，共七十四页55图图4-30 4-30 误码率和误码率和Q Q值的关系值的关系Q Q值值表表示示判判决决点点门门限限值值与与噪噪声声电电压压（电电流流）有有效效值值的的比比值值，称称为为超

46、超扰扰比比，含含有有信信噪噪比比的的概概念念。不不同同的的Q Q值值对对应不同的误码率值。应不同的误码率值。本讲稿第五十五页，共七十四页56第四章第四章 光检测与光接收机光检测与光接收机4.1 4.1 半导体光检测器件半导体光检测器件4.2 4.2 光接收机光接收机4.3 4.3 光接收机噪声分析光接收机噪声分析4.4 4.4 光接收机的误码率光接收机的误码率4.5 4.5 接收机灵敏度接收机灵敏度4.6 4.6 光中继机光中继机本讲稿第五十六页，共七十四页574.5 4.5 接收机灵敏度接收机灵敏度 接接收收机机灵灵敏敏度度是是光光接接收收机机最最主主要要的的性性能能指指标标之之一一，可可以

47、以直直观观地地衡衡量量接接收收机机在在一一定定条条件件下下接接收收微微弱弱信号的能力。信号的能力。本讲稿第五十七页，共七十四页584.5.1 4.5.1 灵敏度定义和表示方法灵敏度定义和表示方法 光光接接收收机机灵灵敏敏度度是是表表征征光光接接收收机机调调整整到到最最佳佳状状态态时时，接接收收微微弱弱光光信信号号的的能能力力。它它可可用用下下列列三三种种物物理量表示理量表示。在在保保证证达达到到所所要要求求的的误误码码率率（或或信信噪噪比比）条条件件下，接收机所需的：下，接收机所需的：o输输入的最小平均光功率入的最小平均光功率PR；o每个光脉冲的最低平均光子数每个光脉冲的最低平均光子数n0；o

48、每个光脉冲的最低平均能量每个光脉冲的最低平均能量Ed。本讲稿第五十八页，共七十四页59三种表示方法之间的关系三种表示方法之间的关系 （4-61）式中：式中：T 为为脉冲脉冲码码元元时时隙，隙，T=1/fb hf 是一个光子能量是一个光子能量PR 的的单单位位为为W，常常用用mW。若若用用dBm来来表表示示灵灵敏敏度度Sr，则则可可写写为为：（4-62）本讲稿第五十九页，共七十四页60灵敏度换算示例灵敏度换算示例 例例如如，某某接接收收机机在在保保证证误误码码率率P Pe e=10=10-9-9的的条条件件下下，所所需需接接收的最小光功率为收的最小光功率为15.8nW15.8nW，则灵敏度为：，

49、则灵敏度为：（4-634-63）对于不同的误码率要求，接收机的灵敏度也不同。对于不同的误码率要求，接收机的灵敏度也不同。产产生生误误码码的的主主要要原原因因是是噪噪声声。光光信信号号通通过过接接收收机机时时，受受到到各各种种噪噪声声影影响响，降降低低接接收收机机的的灵灵敏敏度度。因因此此，对对接接收收机机噪噪声声的的研究分析是光接收机的主要课题。研究分析是光接收机的主要课题。本讲稿第六十页，共七十四页61接收机的动态范围接收机的动态范围 定定义义:动动态态范范围围表表征征的的是是光光接接收收机机适适应应输输入入信信号号变变化化的的能能力，也即光接收机灵敏度和过载功率之间的差值。力，也即光接收机

50、灵敏度和过载功率之间的差值。即即 如如对对于于某某接接收收机机在在保保证证P Pe e=10=10-9-9的的条条件件下下，所所需需接接受受的的最最小小光光功功率率为为15.815.8nWnW，而而正正常常工工作作时时最最大大接接收收功功率率为为1 1WW，则则其其动态范围动态范围本讲稿第六十一页，共七十四页62长波长接收机的典型动态范围长波长接收机的典型动态范围本讲稿第六十二页，共七十四页634.5.2 4.5.2 灵敏度计算灵敏度计算 理想接收机灵敏度理想接收机灵敏度 所所谓谓理理想想光光纤纤通通信信系系统统，即即是是假假设设系系统统的的频频带带无无限限宽宽，系系统统无无噪噪声声。对对这这