光接收机PPT讲稿.ppt

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1、光接收机光接收机1 1第1页，共43页，编辑于2022年，星期四5.1 半导体光电检测器半导体光电检测器l光电检测器是光纤通信系统中接收端光电检测器是光纤通信系统中接收端机中的第一个部件，由光纤传输来的机中的第一个部件，由光纤传输来的光信号通过它转换为电信号。它是利光信号通过它转换为电信号。它是利用材料的光电效应实现光电转换的。用材料的光电效应实现光电转换的。l目前在光纤通信系统中，常用的半导目前在光纤通信系统中，常用的半导体光电检测器有两种，一种是体光电检测器有两种，一种是PIN光光电二极管，另一种是电二极管，另一种是APD雪崩光电二雪崩光电二极管。极管。2 2第2页，共43页，编辑于202

2、2年，星期四5.1 半导体光电检测器半导体光电检测器5.1.1 半导体的光电效应半导体的光电效应5.1.2 光纤通信中常用的半导体光电检光纤通信中常用的半导体光电检测器测器5.1.3 光电检测器的特性光电检测器的特性3 3第3页，共43页，编辑于2022年，星期四5.1.1 半导体的光电效应半导体的光电效应l半导体材料的光电效应是指如下这种半导体材料的光电效应是指如下这种情况：光照射到半导体的情况：光照射到半导体的P-N结上，结上，若光子能量足够大，则半导体材料中若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光越过

3、禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电电子，在价带中出现光空穴，即光电子子空穴对，又称光生载流子。空穴对，又称光生载流子。4 4第4页，共43页，编辑于2022年，星期四5.1.1 半导体的光电效应半导体的光电效应l半导体材料的光电效应半导体材料的光电效应 5 5第5页，共43页，编辑于2022年，星期四5.1.1 半导体的光电效应半导体的光电效应l当光照射在某种材料制成的半导体光电当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时，若有光电子二极管上时，若有光电子空穴对产生，空穴对产生，显然必须满足如下关系，即显然必须满足如下关系，即 lc称为截止波长，称为截止波长，fc称为

4、截止频率。称为截止频率。6 6第6页，共43页，编辑于2022年，星期四5.1.2 光纤通信中常用的半导体光电检测光纤通信中常用的半导体光电检测器器1PIN光电二极管光电二极管 2APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管 7 7第7页，共43页，编辑于2022年，星期四1PIN光电二极管光电二极管lPIN光电二极管能带图光电二极管能带图 8 8第8页，共43页，编辑于2022年，星期四1PIN光电二极管光电二极管lPIN光电二极管结构示意图光电二极管结构示意图 9 9第9页，共43页，编辑于2022年，星期四2APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管l如果能使电信号进入放大器之前，先如果能使电信号进入放大

5、器之前，先在光电二极管内部进行放大，这就引在光电二极管内部进行放大，这就引出了一种另外类型的光电二极管，即出了一种另外类型的光电二极管，即雪崩光电二极管，又称雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche Photo Diode）。）。l它不但具有光它不但具有光/电转换作用，而且具有电转换作用，而且具有内部放大作用，其内部放大作用是靠内部放大作用，其内部放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应而完成的。管子内部的雪崩倍增效应而完成的。1010第10页，共43页，编辑于2022年，星期四2APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管（1）雪崩光电二极管的雪崩倍增效应）雪崩光电二极管的雪崩倍增效应（2）雪崩光电二

6、极管的结构及其工作原理）雪崩光电二极管的结构及其工作原理l雪崩光电二极管随使用的材料不同有几雪崩光电二极管随使用的材料不同有几种：种：SiAPD（工作在短波长区）；（工作在短波长区）；GeAPD，InGaAsAPD等（工作在等（工作在长波长区）。长波长区）。1111第11页，共43页，编辑于2022年，星期四2APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管l雪崩光电二极管的结构和能带示意图雪崩光电二极管的结构和能带示意图 1212第12页，共43页，编辑于2022年，星期四5.1.3 光电检测器的特性光电检测器的特性1响应度响应度R0和量子效率和量子效率 2响应时间响应时间 3暗电流暗电流ID 4雪崩倍增

7、因子雪崩倍增因子G5倍增噪声和过剩噪声系数倍增噪声和过剩噪声系数F（G）1313第13页，共43页，编辑于2022年，星期四1响应度响应度R0和量子效率和量子效率l响应度和量子效率都是描述这种器件光电响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的一种物理量。转换能力的一种物理量。l （A/W）l光电二极管的响应度和量子效率与入射光光电二极管的响应度和量子效率与入射光波频率有关。波频率有关。1414第14页，共43页，编辑于2022年，星期四2响应时间响应时间l响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流随入响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流随入射光信号变化快慢的状态。射光信号变化快慢的状态。

8、l一般用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。一般用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。l一个快速响应的光电检测器，它的响应时间一定一个快速响应的光电检测器，它的响应时间一定是短的。是短的。l上面讨论的响应时间是从时域角度来看的，若从上面讨论的响应时间是从时域角度来看的，若从频域角度看，短的响应时间即意味这个器件的带频域角度看，短的响应时间即意味这个器件的带宽宽。宽宽。1515第15页，共43页，编辑于2022年，星期四3暗电流暗电流ID l理想条件下，当没有光照射时，光电检理想条件下，当没有光照射时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由于测器应无光电流输出。但是实际上由于热激励、宇宙射线

9、或放射性物质的激励，热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光情况下，光电检测器仍有电流输在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。出，这种电流称为暗电流。1616第16页，共43页，编辑于2022年，星期四3暗电流暗电流ID l严格地说，暗电流还应包括器件表面的严格地说，暗电流还应包括器件表面的漏电流。漏电流。l由理论研究可知，暗电流将引起光接收由理论研究可知，暗电流将引起光接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。越好。1717第17页，共43页，编辑于2022年，星期四4雪崩倍增因子雪崩倍增因子Gl雪崩光电二极管还有一个与雪崩倍增效应对

10、应雪崩光电二极管还有一个与雪崩倍增效应对应的参量的参量雪崩倍增因子。雪崩倍增因子。l在忽略暗电流影响条件下，它定义为在忽略暗电流影响条件下，它定义为l一般一般APD的倍增因子的倍增因子G在在40100之间。之间。PIN光电管因无雪崩倍增作用，所以光电管因无雪崩倍增作用，所以G=1。1818第18页，共43页，编辑于2022年，星期四5倍增噪声和过剩噪声系数倍增噪声和过剩噪声系数F（G）l从物理概念上容易理解，雪崩光电二极管从物理概念上容易理解，雪崩光电二极管的倍增是具有随机性的。的倍增是具有随机性的。l这种随机性的电流起伏将带来附加噪声，这种随机性的电流起伏将带来附加噪声，一般称为倍增噪声。一

11、般称为倍增噪声。l倍增噪声可以用过剩噪声系数倍增噪声可以用过剩噪声系数F（G）来描）来描述为述为1919第19页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机2020第20页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机 光电检测器光电检测器l光电检测器的作用是将由发送光端机光电检测器的作用是将由发送光端机经光纤传过来的光信号转变为电信号，经光纤传过来的光信号转变为电信号，即具有光即具有光/电转换功能。电转换功能。l目前广泛使用的光电检波管是目前广泛使用的光电检波管是PIN管管和雪崩光电二极管，前者称为半导体和雪崩光电二极管，前者称为半导体光电二极管后者又称为光电二极管

12、后者又称为APD管。后者管。后者具有信号放大的作用。具有信号放大的作用。2121第21页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2 光接收机光接收机 前置放大器前置放大器l由于这个放大器与光电检测器紧紧相连，故称由于这个放大器与光电检测器紧紧相连，故称前置放大器。前置放大器。l对多数放大器的前级提出特别的要求是非常必要对多数放大器的前级提出特别的要求是非常必要的，它应具有低噪声、高增益的特性，这样才能的，它应具有低噪声、高增益的特性，这样才能得到较大的信噪比。得到较大的信噪比。l由于跨阻型前置放大器不仅具有宽频带、低噪声由于跨阻型前置放大器不仅具有宽频带、低噪声的优点，而且其动态范围也比高阻型

13、前置放大器的优点，而且其动态范围也比高阻型前置放大器改善很多，因此在光纤通信中得到广泛的使用。改善很多，因此在光纤通信中得到广泛的使用。2222第22页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机l1319型高速光纤接收组件型高速光纤接收组件 2323第23页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机 放大器放大器l主放大器的作用有下述两个方面。主放大器的作用有下述两个方面。l将前置放大器输出的信号放大到判将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。决电路所需要的信号电平。l它还是一个增益可调节的放大器。它还是一个增益可调节的放大器。l一般主放大器的峰一

14、般主放大器的峰峰值输出是几伏峰值输出是几伏数量级。数量级。2424第24页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机 均衡器均衡器l拖尾现象拖尾现象l采用均衡器来使经过其后的波形，在本码判决采用均衡器来使经过其后的波形，在本码判决时刻，其瞬时值应为最大值；而这个本码波形时刻，其瞬时值应为最大值；而这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零。的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零。l这样，即使经过均衡后的输出波形仍有拖尾，这样，即使经过均衡后的输出波形仍有拖尾，但是这个拖尾在邻码判决的这个关键时刻为但是这个拖尾在邻码判决的这个关键时刻为零，从而不干扰对邻码的判决。零，从而不干扰对

15、邻码的判决。2525第25页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机l未经均衡出现的脉冲拖尾现象未经均衡出现的脉冲拖尾现象 2626第26页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机l单个脉冲均衡前后波形的比较单个脉冲均衡前后波形的比较 2727第27页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机 判决器和时钟恢复电路判决器和时钟恢复电路l判决器由判决电路和码形成电路构成。判决器由判决电路和码形成电路构成。l判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电路。再生电路。l脉冲再生电路的作用是将均衡器输出的脉冲再生电路的作

16、用是将均衡器输出的信号恢复成理想的数字信号信号恢复成理想的数字信号 2828第28页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机l信号再生示意图信号再生示意图 2929第29页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机l时钟恢复电路方框图时钟恢复电路方框图 3030第30页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机l时钟恢复电路波形图时钟恢复电路波形图 3131第31页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机lNRZ码的功率谱密度分布图码的功率谱密度分布图 3232第32页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机

17、lRZ码功率谱密度分布图码功率谱密度分布图 3333第33页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机l一种非线性处理电路一种非线性处理电路 3434第34页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机l非线性处理电路中的波形图非线性处理电路中的波形图 3535第35页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机 判决器和时钟恢复电路判决器和时钟恢复电路l调谐放大调谐放大它的作用是用非线性处理后的波形来激它的作用是用非线性处理后的波形来激励调谐放大器，然后在它的谐振回路中选出时钟频励调谐放大器，然后在它的谐振回路中选出时钟频率率fb的简谐波，经调谐放

18、大后的波形如图的简谐波，经调谐放大后的波形如图(d)所示。所示。l限幅限幅经过限幅，可将上述简谐信号波形变为如图经过限幅，可将上述简谐信号波形变为如图(e)所示的波形。所示的波形。l整形、移相整形、移相整形电路将经限幅后的波形变为矩形脉整形电路将经限幅后的波形变为矩形脉冲；移相网络再将此矩形脉冲串的相位调整到最佳判决冲；移相网络再将此矩形脉冲串的相位调整到最佳判决时所需要的相位，最后得到如图时所需要的相位，最后得到如图(f)所示的时钟信号。所示的时钟信号。3636第36页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机 判决器和时钟恢复电路判决器和时钟恢复电路l判决电路和码形成电路可

19、由与非门电判决电路和码形成电路可由与非门电路和路和R-S(复位复位位置位置)触发器来构成。触发器来构成。3737第37页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机l脉冲再生电路原理方框图脉冲再生电路原理方框图 3838第38页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机 光接收机的动态范围和自动增益控制光接收机的动态范围和自动增益控制l光接收机的动态范围光接收机的动态范围D是在保证系统的误码率是在保证系统的误码率指标要求下，光接收机的最低输入光功率指标要求下，光接收机的最低输入光功率(用用dBm来描述来描述)和最大允许输入光功率和最大允许输入光功率(用用dBm描描

20、述述)之差，其单位为之差，其单位为dB。l它表示光接收机正常工作时，光信号应有一个它表示光接收机正常工作时，光信号应有一个范围，这个范围就是光接收机的动态范围。范围，这个范围就是光接收机的动态范围。3939第39页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机 光接收机的动态范围和自动增益控制光接收机的动态范围和自动增益控制l光接收机的自动增益控制光接收机的自动增益控制(AGC)就是用反就是用反馈环路来控制主放大器的增益，在采用雪馈环路来控制主放大器的增益，在采用雪崩管的光接收机中还通过控制雪崩管的高崩管的光接收机中还通过控制雪崩管的高压来控制雪崩管的雪崩增益。压来控制雪崩管的雪崩

21、增益。4040第40页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机l自动增益控制工作原理方框图自动增益控制工作原理方框图 4141第41页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机 解扰、解复用和码型变换电路解扰、解复用和码型变换电路l在光发射机中首先进行码型变换。在光发射机中首先进行码型变换。l在光发射机中对数字码流进行扰码处理。在光发射机中对数字码流进行扰码处理。l还需将判决器输出的信号进行解扰码和码型变还需将判决器输出的信号进行解扰码和码型变换处理以恢复原码流。换处理以恢复原码流。l发送端根据所输入信号的性质不同，将会采用不发送端根据所输入信号的性质不同，将会采用不同的复用方式以提高信道的利用率，因而接收端同的复用方式以提高信道的利用率，因而接收端则需进行相反的操作，即解复用。则需进行相反的操作，即解复用。4242第42页，共43页，编辑于2022年，星期四5.2光接收机光接收机 辅助电路辅助电路l辅助电路包括箝位电路、温度补偿电辅助电路包括箝位电路、温度补偿电路和告警电路等。路和告警电路等。4343第43页，共43页，编辑于2022年，星期四