[理學(xué)]第四章 光接收機(jī).ppt

第四章 光接收機(jī),2019/5/3,2019/5/3,4-1 概述； 4-2 半導(dǎo)體光電檢測器 ； 4-3 光接收機(jī)的前端及噪聲； 4-4 光接收機(jī)的靈敏度； 4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù) ； 本章思考題。,第四章的主要內(nèi)容,2019/5/3,4-1 概述,光接收機(jī)的作用：探測經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減、波形被展寬的微弱光信號，并進(jìn)行放大、再生，恢復(fù)原始信號。 光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)：靈敏度和動態(tài)范圍，其中最主要的是靈敏度，光檢測器是光接收機(jī)的核心部件 ；接收機(jī)理論中，中心問題就是如何降低輸入端的噪聲、提高接收靈敏度。,2019/5/3,4-1 概述,一、光纖通信對光電檢測器的要求 1. 波長響應(yīng)應(yīng)在光纖通信窗口，即對一定的光功率，能夠輸出盡可能大的光電流； 2. 響應(yīng)度要高，光電轉(zhuǎn)換效率要高，輸出電流大； 3. 噪聲要盡可能低，能接收極微弱的光信號； 4. 響應(yīng)速度要快，常用對光脈沖的響應(yīng)的上升或下降沿表示，反應(yīng)了光信號的反應(yīng)能力； 5. 性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，功耗和體積?。?6. 對工作溫度的變化不敏感； 7.具有良好的線性，保證光電轉(zhuǎn)換過程不失真。,2019/5/3,4-1 概述,二、數(shù)字光接收機(jī)的主要組成 數(shù)字光接收機(jī)可以分為圖中的8個部分，或者分為三大塊。 1. 光檢測器 完成光電轉(zhuǎn)換，然后送入前置放大器，但是光電流非常小，在nAA量級。，N， ,前端,線性通道,判決再生（數(shù)據(jù)恢復(fù)）,2019/5/3,4-1 概述,2. 前置放大器 低噪聲放大器，改善信噪比，其噪聲對整個放大器的輸出噪聲影響很大，影響光接收機(jī)的靈敏度。輸出毫伏級的電壓。 3. 主放大器 把前端輸出的信號放大到后繼電路需要的電平，即保證增益/提供足夠的增益。,2019/5/3,4-1 概述,4. 均衡濾波 減小噪聲，克服、消除放大器及其他部件(光纖)引起的信號波形失真，使噪聲及碼間干擾降到最低，對失真的信號進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出信號波形供正確判決。 5. 判決器 設(shè)置判決電平，使放大器送過來的輸入信號與判決門限電平比較。判決時刻，被判碼元的瞬時值最大，而相鄰碼元在此時刻的瞬時值為0。,2019/5/3,4-1 概述,6. 譯碼器 如果發(fā)射端進(jìn)行線路編碼、擾碼，在接收端需要有相應(yīng)的譯碼/解擾電路。 7. AGC電路 通過AGC電路實(shí)現(xiàn)自動增益控制，使輸出信號在一定范圍內(nèi)不受輸入信號變化的影響，保證主放大器的動態(tài)范圍。 8. 時鐘提取/時鐘恢復(fù) 同步脈沖提取，以供在準(zhǔn)確時刻抽樣判決。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,光電檢測器是光纖通信系統(tǒng)中接收端機(jī)中的第一個部件，由光纖傳輸來的光信號通過它轉(zhuǎn)換為電信號。它是利用材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。 目前在光纖通信系統(tǒng)中，常用的半導(dǎo)體光電檢測器有兩種，一種是PIN光電二極管，另一種是APD（雪崩）光電二極管。,2019/5/3,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,一、光電二極管的工作原理 光電二極管對應(yīng)受激吸收。在反向偏壓作用下半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)。 光電檢測器是外加反向偏壓的PN結(jié)，當(dāng)入射光作用時，若光子能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價帶的電子吸收光子的能量，從價帶越過禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，發(fā)生受激吸收產(chǎn)生光生電子-空穴對（光生載流子），在導(dǎo)帶中出現(xiàn)光電子，在價帶中出現(xiàn)光空穴，這些電子-空穴對在耗盡層內(nèi)建電場作用下形成漂移電流，同時在耗盡層兩側(cè)部分電子-空穴對由于擴(kuò)散運(yùn)動進(jìn)入耗盡層，在電場作用下形成擴(kuò)散電流，這兩部分電流之和為光生電流。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,二、光電二極管的波長響應(yīng) 由光電效應(yīng)可知，當(dāng)入射光子能量h 小于禁帶寬度Eg時，不論入射光有多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足條件hEg，即光頻c Eg /的入射光不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，對應(yīng)的波長為c=hc/Eg =1.24/Eg。即只有波長c 的入射光，才能使這種材料產(chǎn)生光生載流子，故c 為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長，又稱為截止波長，相應(yīng)的c 稱為截止頻率。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,光電二極管除了截止波長外，當(dāng)入射光波長太短時，光電轉(zhuǎn)換效率會大大下降。 經(jīng)過x距離后光信號被吸收的光功率為 入射光波長很短時，材料的吸收系數(shù)很大，結(jié)果使大量的入射光子在光電二極管的表面層就被吸收。 半導(dǎo)體光電二極管的響應(yīng)波長：minmax。 Si光電二極管：0.51.0m；Ge和InGaAs光電二極管：1.11.6m；InGaAsP：0.81.6m。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,三、PIN光電二極管 PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、N型半導(dǎo)體之間加一層摻雜濃度非常低或不摻雜的N型本征半導(dǎo)體材料，稱為I（Intrinsic，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散后形成一個很寬的耗盡層。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,此動畫為PIN光電二極管工作原理動畫。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,1. PIN光電二極管工作原理 入射光從P側(cè)進(jìn)入（P區(qū)非常薄，對入射光幾乎是透明的），在耗盡區(qū)光吸收產(chǎn)生的光生電子-空穴對在內(nèi)建電場作用下分別向左右兩側(cè)運(yùn)動，形成光生電流。 2. PIN光電二極管的特性參數(shù) （1）光電轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)度,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,入射功率為Pin時，光生電流可以表示為 所以，光電轉(zhuǎn)換效率又可寫成 也可直接用響應(yīng)度表示光電轉(zhuǎn)換效率 那么，如何才能得到高量子效率呢？,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,得到高量子效率應(yīng)可以采取的措施： 減小入射面的反射率； 盡量減小光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)充分地被吸收。 問題解決了嗎？ 為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區(qū)的寬度，使其可以吸收大部分的光子。但是，耗盡區(qū)越寬，光生載流子漂移渡越反向偏置結(jié)的時間就越長。由于載流子的漂移時間又決定了光電二極管的響應(yīng)速度/響應(yīng)時間，所以必須在響應(yīng)速度和量子效率之間采取折衷。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,例1：一個PIN光電二極管，它的P接觸層厚1um。假設(shè)僅僅在耗盡區(qū)中（I層）吸收的光子才能有效地轉(zhuǎn)換成光電流。當(dāng)波長為0.9um時，=5104m-1，忽略反射損耗，求： 該光電二極管可以得到的最大量子效率？ 為使量子效率達(dá)到80%，耗盡區(qū)厚度最小應(yīng)為多少？ 解： ,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,（2）響應(yīng)速度/響應(yīng)時間 響應(yīng)速度：半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號變化快慢的狀態(tài)，是光電二極管的另一重要參數(shù)，用響應(yīng)時間或響應(yīng)帶寬表示。 定義： 響應(yīng)時間是光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后延由90%下降到10%，分別用脈沖上升時間r和脈沖下降時間 f表示。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,如果脈沖上升時間r和脈沖下降時間 f相同，則前后沿相同，光電二極管具有單一的時間常數(shù) 0，且接近指數(shù)函數(shù)exp(t/ 0 )或exp( -t/ 0 )，所以有 如果從頻域角度看，響應(yīng)時間即意味這個器件的帶寬，響應(yīng)時間短，則帶寬寬。 響應(yīng)帶寬定義： 探測器帶寬通常定義為輸出信號下降到功率的3dB處的頻率。簡單的估算法：,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,實(shí)際上， r f。影響響應(yīng)速度的因素有： 光電二極管和它的負(fù)載電阻的RC時間常數(shù)，結(jié)電容與耗盡區(qū)的寬度w及結(jié)區(qū)面積A有關(guān) Cj越小越好。 載流子在耗盡區(qū)里的渡越時間d 涉及到時間和效率的問題，d作為上升時間的一部分，是因?yàn)槲展庾雍笮纬呻娏魃行枰欢螘r間。此時,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,為減小r ，可以減小耗盡層寬度，然而耗盡層的寬度過小將導(dǎo)致量子效率下降。因此，光電探測器的帶寬和響應(yīng)度/量子效率之間需要折中考慮，決定的帶寬 實(shí)際情況是，工作速率不是很高，在1Gb/s左右或以下的r和RC的典型值都是100ps。 耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子由于擴(kuò)散而產(chǎn)生的時間延遲。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,（3）暗電流 理想條件下，當(dāng)沒有光照射時，光電檢測器應(yīng)無光電流輸出。但是實(shí)際上由于熱激勵、宇宙射線或放射性物質(zhì)的激勵，在無光情況下，光電檢測器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。嚴(yán)格地說，暗電流還應(yīng)包括器件表面的漏電流。 暗電流是PIN光電二極管附加噪聲的主要來源，影響光接收機(jī)的靈敏度，所以暗電流越小越好，但是由于PIN光電二極管本身沒有光放大作用，加上其暗電流甚小，本身產(chǎn)生的附加噪聲很低，所以對光接收機(jī)靈敏度產(chǎn)生的影響并不顯著。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,（4）噪聲 噪聲是光電二極管很重要的參數(shù)，直接影響光接收機(jī)的靈敏度。噪聲包括由信號電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲（shot noise），以及由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。 噪聲的表示方法： 噪聲通常用均方噪聲電流（在1負(fù)載上消耗的噪聲功率）來描述。功率 噪聲等效功率NEP：是指產(chǎn)生等于探測器或接收機(jī)均方根噪聲的電流所需的輸入功率。定義為SNR=1時，每單位帶寬的最小光功率，并由NEP=Pin/(f)1/2表示。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,NEP是產(chǎn)生探測器平均噪聲所需的光功率，即直接將噪聲與光功率進(jìn)行比較，衡量了可探測到的最小信號功率。 均方散粒噪聲電流： 入射光功率產(chǎn)生的光電二極管電流為 I(t)=Ip+is(t) 其中，is(t)是散粒噪聲的電流起伏，與之有關(guān)的均方散粒噪聲電流為 =2eIpB，B是放大器的帶寬 當(dāng)暗電流Id的存在不可忽略時，均方散粒噪聲電流為 =2e(Ip+Id )B,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,其中， 2eIpB稱為量子噪聲，是由于入射光子所形成的電子-空穴對都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生的。只要有光信號輸入就有量子噪聲。這是一種不可克服的本征噪聲，它決定了光接收機(jī)靈敏度的極限。 2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲，暗電流與光電二極管的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，Si光電二極管的Id1nA，而Ge光電二極管的Id約為100nA幾百nA。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,均方熱噪聲電流： =4kTB/R，R是負(fù)載電阻與放大器輸入電阻的并聯(lián)（=RLRi ）。 因此，光電二極管的總均方噪聲電流為： =2e(Ip+Id )B + 4kTB/R 3. PIN光電二極管的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：噪聲小、工作電壓低（僅十幾伏）、工作壽命長，使用方便和價格便宜。 缺點(diǎn)：沒有倍增效應(yīng)。即在同樣大小入射光的作用下僅產(chǎn)生較小的光電流，所以用它做成的光接收機(jī)的靈敏度不高；PIN光電二極管只能用于較短距離的光纖通信（小容量與大容量皆可）。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,四、雪崩光電二極管(APD: avalanche photodiode) 1. 工作原理 APD的工作原理也是基于光電效應(yīng)，但是PIN光電二極管的1個光子只產(chǎn)生一對電子-空穴對，無增益；APD利用電離碰撞， 1個光子產(chǎn)生多對電子-空穴對，有增益，因此，APD不但具有光/電轉(zhuǎn)換作用，而且具有內(nèi)部放大作用，其內(nèi)部放大作用是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)而完成的。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,實(shí)際上，APD可看成一個二級器件：第一級是一個PIN光電二極管，光在其中產(chǎn)生一次光生載流子；第二級是一個基于雪崩增益的內(nèi)置放大級，在高電場作用下，載流子近似雪崩（幾十200伏的偏置電壓）。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,此動畫為APD的場分布動畫：和PIN光電二極管相比，其存在一個雪崩電離的高電場區(qū)。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,此動畫為APD的場分布動畫：由于高電場區(qū)的雪崩電離，外電路形成倍增的光生電流。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,2. APD的特性參數(shù) 除了PIN的特性參數(shù)必須考慮外，還必須考慮: （1）倍增因子 雪崩增益的整個過程都是隨機(jī)的，倍增因子G是個平均量。 平均雪崩增益倍增因子：G=IM/Ip 其中，Ip是雪崩之前的初始光生電流，IM是雪崩增益后輸出的平均光生電流。 APD的倍增因子G在40100之間。PIN光電管因無雪崩倍增作用，所以G=1。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,倍增因子與反向偏壓的關(guān)系： 式中，Rs是APD串聯(lián)電阻或APD的體電阻；n是材料的結(jié)構(gòu)系數(shù)，一般為36。 對應(yīng)地，APD響應(yīng)度有,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,（2）過剩噪聲/附加噪聲 PIN光電二極管的噪聲主要是量子噪聲和暗電流噪聲，APD管還有過剩噪聲。 雪崩過程的復(fù)雜隨機(jī)性對噪聲電流同樣也起放大作用（每個光生載流子不會經(jīng)歷相同的倍增過程，具有隨機(jī)性，這將導(dǎo)致倍增增益的波動），使得總噪聲增加，這種隨機(jī)性的電流起伏將帶來附加噪聲，一般稱為過剩噪聲/附加噪聲。 過剩噪聲可以用過剩噪聲系數(shù)F(G)來描述。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,APD過剩噪聲系數(shù)的定義： 其中，符號“”表示平均值，g是每個載流子產(chǎn)生倍增的隨機(jī)倍增數(shù)，因此=G； 是均方值，表示的是功率，所以噪聲功率 =F(G)G2。 G有一個最佳值，此時信噪比最高。在工程上，為簡化計算，常用過剩噪聲指數(shù)x表示過剩噪聲系數(shù),2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,對于Si光電二極管：x=0.30.5； Ge光電二極管：x=0.81.0； InGaAs的APD：x=0.50.7。,2019/5/3,4-2 半導(dǎo)體光電檢測器,例2：已知Si-PIN光電二極管的耗盡區(qū)寬度為40um，InGaAs-PIN光電二極管的耗盡區(qū)寬度為4um，兩者的光生載流子漂移速度為105m/s，結(jié)電容為1pF，負(fù)載電阻為100。求：這兩種光電二極管的帶寬各是多少？ 解：,2019/5/3,4-3 光接收機(jī)的前端及噪聲,光接收機(jī)的前端：光檢測器 + 前置放大器 前置放大器： 低噪聲放大器，是為了改善信噪比而設(shè)計，其噪聲對整個放大器的輸出噪聲影響很大，直接關(guān)系到光接收機(jī)的靈敏度。 光接收機(jī)不是對任何微弱光信號都能正確接收的，這是因?yàn)樾盘栐跈z測和放大的過程中總會受到一些干擾，不可避免地引進(jìn)一些噪聲。,2019/5/3,4-3 光接收機(jī)的前端及噪聲,引進(jìn)的噪聲可以分為兩部分： 一部分是來自空間的無線電波以及周圍的電器設(shè)備的電磁干擾，這部分可以通過屏蔽等方法加以減弱或防止； 另外一部分噪聲是隨機(jī)的，在信號檢測和放大過程中引進(jìn)，對于這部分噪聲只能通過電路設(shè)計和制造工藝盡可能地減小。 由于噪聲的存在，限制了光接收機(jī)接收微弱信號的能力，雖然放大器的增益可以做的足夠大，但微弱信號被放大的同時，噪聲也被放大。前置放大器,2019/5/3,4-3 光接收機(jī)的前端及噪聲,一、輸入端噪聲等效模型 1. 輸入端等效電路 前置放大器：分解為理想放大器A和等效到輸入端的噪聲源(等效噪聲電流源ia和等效噪聲電壓源ea)。,2019/5/3,4-3 光接收機(jī)的前端及噪聲,輸入端等效電路的簡單說明： Rb：等于RLRb； Cb：偏置電路的雜散電容； Ra：放大器的輸入電阻； Ca：放大器的輸入電容。 電路中的噪聲： 光檢測器等效為電流源ip和并聯(lián)的散粒噪聲電流源is(t)； 帶有熱噪聲的電阻等效為一個無噪聲的電阻和一個并聯(lián)的噪聲電流源iT(t) ； 放大器有源器件（三極管或場效應(yīng)管）也會引起噪聲。將有源器件的各種噪聲都等效到輸入端，等效為輸入端并聯(lián)的噪聲電流源ia(t)以及輸入端串聯(lián)的噪聲電壓源ea(t) 。,2019/5/3,4-3 光接收機(jī)的前端及噪聲,所以，光接收機(jī)前端的噪聲源有： 散粒噪聲is(t) ； 熱噪聲iT(t) ； 放大器的噪聲ia(t)和ea(t)。 二、光接收機(jī)的噪聲與信噪比 噪聲是光電二極管的重要參數(shù)，直接影響光接收機(jī)的靈敏度。 1. 光接收機(jī)的噪聲 （1）散粒噪聲is(t) 均方散粒噪聲電流：,2019/5/3,4-3 光接收機(jī)的前端及噪聲,所以， 當(dāng)暗電流Id的存在不可忽略時， （2）熱噪聲iT(t) 熱噪聲也是用均方噪聲電流（即功率）表示：,2019/5/3,4-3 光接收機(jī)的前端及噪聲,（3）放大器的熱噪聲 放大器的熱噪聲用放大器噪聲指數(shù)Fn表示： 因此，前端的總噪聲為 2. 光接收機(jī)的信噪比 電功率與電流的平方成正比。,2019/5/3,4-3 光接收機(jī)的前端及噪聲,（1）對PIN光電二極管 當(dāng)光功率很小時，光接收機(jī)是熱噪聲限制光接收機(jī)噪聲主要是熱噪聲T，s2 T 2，此時有,2019/5/3,4-3 光接收機(jī)的前端及噪聲,（2）對APD光電二極管 當(dāng)光功率很小時，光接收機(jī)是熱噪聲限制光接收機(jī)噪聲主要是熱噪聲T，s2 T 2 。(PIN),2019/5/3,4-3 光接收機(jī)的前端及噪聲,三、前置放大器的設(shè)計問題 前置放大器是典型的小信號放大器。由前端噪聲與SNR的分析可知，輸入端的電阻越大，SNR越好，但輸入電阻的加大勢必造成輸入端RC時間常數(shù)加大，3dB帶寬減小。 前置放大器主要的三種類型： 1. 低阻型前置放大器 這種前置放大器從頻帶角度出發(fā)，選擇偏置電阻。 3dB帶寬=1/(2RC) 通過減小偏置電阻設(shè)計前置放大器，從而保證接收機(jī)的帶寬。,2019/5/3,4-3 光接收機(jī)的前端及噪聲,優(yōu)點(diǎn)：帶寬大，電路簡單，不需要或只需要很少的均衡，動態(tài)范圍較大； 缺點(diǎn)：靈敏度低，噪聲較高，SNR較低。 低阻型前置放大器在高碼速光通信中用得多，低碼速中一般不采用，而是采用高阻型前置放大器。,低阻抗前端,2019/5/3,4-3 光接收機(jī)的前端及噪聲,2. 高阻型前置放大器 這種前置放大器的設(shè)計思想是盡量加大偏置電阻，盡可能提高信噪比。 通過增加偏置電阻設(shè)計前置放大器，從而保證接收機(jī)的信噪比。SNR雖很好，但是帶寬較小，只適用于低速率通信系統(tǒng)中。 優(yōu)點(diǎn)：噪聲較低； 缺點(diǎn)：動態(tài)范圍小、高頻分量損失太大,對均衡電路提出很高要求。,高阻抗前端,2019/5/3,4-3 光接收機(jī)的前端及噪聲,3. 跨阻型前置放大器 這種前置放大器的設(shè)計宗旨是光接收機(jī)具有好的信噪比和足夠的帶寬。它實(shí)際上是電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器(電流電壓轉(zhuǎn)換器)。 3dB帶寬=1/(2RiCt)，Ct是輸入端的總電容；Ri是跨阻型前置放大器等效到輸入端的電阻。,跨阻抗前端,2019/5/3,4-3 光接收機(jī)的前端及噪聲,式中，A是放大器的增益，也就是說跨阻型的輸入電阻很小，f很寬。 跨阻型的Rb(有時也可以忽略，直接用反饋電阻做偏置)和負(fù)反饋電阻Rf都取得很大，從而使熱噪聲大大減小，提高信噪比。 優(yōu)點(diǎn)： 寬頻帶(等效輸入電阻很小)、低噪聲(高SNR)、靈敏度高、動態(tài)范圍大等綜合優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用。,2019/5/3,4-3 光接收機(jī)的前端及噪聲,因此，跨阻型前置放大器具有高阻放大器的低噪聲，又具有低阻放大器的寬帶寬f 。 跨阻型前置放大器的設(shè)計問題： 跨阻型前置放大器適合高碼速通信系統(tǒng)（從數(shù)Gb/s到幾十Gb/s的高速系統(tǒng)），其設(shè)計問題是反饋環(huán)路的穩(wěn)定性。,2019/5/3,4-4 光接收機(jī)的靈敏度,靈敏度是光接收機(jī)最重要的性能參數(shù)！靈敏度的概念和誤碼率聯(lián)系在一起。（判決電路） 信號再生： （判決電路） 判決是通過時鐘信號的上升沿在最佳時刻對接收的數(shù)字信號進(jìn)行采樣，然后將取樣值與判決閾值進(jìn)行比較，若取樣幅度大于判決閾值，則判為“1”，反之判為“0”，從而使信號得到再生。 一、靈敏度的定義 在限定的誤碼率條件下（在保證達(dá)到給定的誤碼率條件下），光接收機(jī)所需要輸入的最小平均光功率min，單位是W或dBm（分貝毫瓦）， Pr=10lg (min /1mW) 。,2019/5/3,4-4 光接收機(jī)的靈敏度,二、誤碼率BER (bit error rate) 為什么會產(chǎn)生誤碼？ 如果有噪聲，則可能導(dǎo)致對碼元“1”或“0”的誤判，要確定誤碼率BER，那么必須知道噪聲的概率分布。 SNR決定BER。 噪聲的概率分布很復(fù)雜，一般假設(shè)噪聲電流/噪聲電壓瞬時值服從高斯分布(近似計算)，其概率密度函數(shù)為 式中，x是噪聲隨機(jī)變量的取值，平均值為0；2是均方差。,2019/5/3,4-4 光接收機(jī)的靈敏度,為什么會要采用高斯近似計算？ 利用數(shù)值計算技術(shù)求得誤碼率的方法非常費(fèi)時，而且不能對光接收機(jī)的設(shè)計提供多少幫助。所以，為了簡化計算，一般均將概率密度函數(shù)近似成高斯函數(shù)來進(jìn)行相應(yīng)的分析。 光接收機(jī)靈敏度的精確計算： 從光電檢測過程實(shí)際的概率密度函數(shù)出發(fā)，通過放大器和光電檢測器概率密度函數(shù)的卷積計算求出總噪聲的概率密度函數(shù)，進(jìn)而計算接收機(jī)的靈敏度。,2019/5/3,4-4 光接收機(jī)的靈敏度,P(01),P(10),P/概率密度,圖中的I1：“1”碼的電流； ID：判決閾值的電流（類似比較器）； I0：“0”碼的電流。,2019/5/3,4-4 光接收機(jī)的靈敏度,如果忽略暗電流的影響，“0”碼時平均噪聲功率為02，當(dāng)I0超過ID時有可能發(fā)生碼元誤判，此時把“0”碼判為“1”碼的概率為 “1”碼時平均噪聲功率為12，噪聲電流為(I-I1)，當(dāng)(I-I1) (ID-I1)時 ，把“1”碼判為“0”碼的概率為,2019/5/3,4-4 光接收機(jī)的靈敏度,“0”碼和“1”碼的誤碼率BER一般是不相等的，但對于PCM編碼而言，“1”碼出現(xiàn)的概率P(1)等于“0”碼出現(xiàn)的概率P(0)，總BER=P(01)+ P(01)/2，通常認(rèn)為P(01)=P(01)時可以使BER達(dá)到最小，總的誤碼率可以表示為（Q值和BER的關(guān)系）,2019/5/3,4-4 光接收機(jī)的靈敏度,式中，要使誤碼率達(dá)到最小，則要求P(01)=P(01)，使Q=ID/0=(I1-ID)/1；或者Q=I1/(0+ 1) 。 Q參數(shù)，含有信噪比SNR的信息，知道系統(tǒng)的Q參數(shù)，就可求出其誤碼率。,Q參數(shù)被廣泛用來說明接收機(jī)的特性;Q=6，BER=10-9，Q7，BER10-12,通常：2.5Gb/s系統(tǒng)的接收靈敏度對應(yīng)于BER=10-9；10Gb/s系統(tǒng)的接收靈敏度對應(yīng)于BER=10-10。,2019/5/3,4-4 光接收機(jī)的靈敏度,2019/5/3,4-4 光接收機(jī)的靈敏度,三、靈敏度 靈敏度表示光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時，能夠接收微弱光信號的能力。Pr，則光接收機(jī)能夠接收更微弱的光信號。 1. 理想光接收機(jī)的靈敏度 理想光接收機(jī)：暗電流為0，放大器沒有噪聲，系統(tǒng)可以檢測出單個光子形成的電子-空穴對所產(chǎn)生的光電流。 理想光接收機(jī)的靈敏度只受到光檢測器量子噪聲（本征噪聲）的限制。,2019/5/3,4-4 光接收機(jī)的靈敏度,2. 實(shí)際光接收機(jī)的靈敏度（高斯近似計算） 假設(shè)EXT=0，“0”碼時，入射信號光功率P0=0，輸出光電流I0=0；“1”碼時，入射信號的光功率P1和光電流Ip的關(guān)系為 式中，in=(P1+P0)/2。 放大器輸出端“1”碼的電流I1=IpA，A是放大器的增益，所以根據(jù)Q參數(shù)有,2019/5/3,4-4 光接收機(jī)的靈敏度,因此，對于一給定Q值，便可得到限定誤碼率的最小平均接收光功率： 對于PIN-PD，s2T2， s2可忽略，此時 f，碼速越高，靈敏度越低。,2019/5/3,4-4 光接收機(jī)的靈敏度,3. 靈敏度下降機(jī)理 以上對于靈敏度的分析，只考慮了接收機(jī)噪聲的情況，并且假定是理想的接收，即“1”碼為恒定能量的光脈沖，“0”碼的能量為零。 但實(shí)際上，光發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號偏離理想情況，可能導(dǎo)致最小接收平均光功率的增加，這種增加稱為“功率代價”。 （1）發(fā)射“0”碼時接收光功率不為零引入的功率代價 假定發(fā)射“0”碼時，接收光功率P0=0，所以對于理想情況有 消光比：EXT=P0/P1=0,2019/5/3,4-4 光接收機(jī)的靈敏度,實(shí)際上，P0取決于偏置電流Ib和閾值電流Ith（假設(shè)Ib Ith ，則P0P1）， P0 0，所以引起功率代價。 對于光接收機(jī)，功率代價為 實(shí)際情況，通常PIN-PD的EXT0.05，功率代價小于0.4dB，可以忽略；但是對于APD，功率代價是PIN-PD的3倍，不能忽略。,2019/5/3,4-4 光接收機(jī)的靈敏度,（2）激光器強(qiáng)度噪聲引入的功率代價 噪聲分析中，假定入射到接收機(jī)的光功率代價沒有波動，實(shí)際上，任何光發(fā)射機(jī)均有功率波動，光接收機(jī)把這種功率的波動轉(zhuǎn)換成電流的起伏，這就是強(qiáng)度噪聲，其值為 引起的功率代價： 對于數(shù)字光接收機(jī)，通常I0.01，I0.02dB，可忽略；但是對于模擬光纖系統(tǒng)，I是一個限制因素。,2019/5/3,4-4 光接收機(jī)的靈敏度,（3）光源、光纖系統(tǒng)噪聲引起的功率代價 模式噪聲（多模光纖系統(tǒng)）、色散引起脈沖展寬、LD的頻率啁啾、反射噪聲都將引起功率代價。 （4）時鐘抖動引起的功率代價 靈敏度的計算是假定在電壓脈沖峰值對信號取樣，時鐘的抖動會使取樣偏離最佳時間，增加誤碼率，引入功率代價。,2019/5/3,4-4 光接收機(jī)的靈敏度,（5）輸入和輸出信號波形的影響 在光纖通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)接收到的光信號波形是被光纖線路展寬了的信號波形，這種波形將會存在碼間干擾。 為了減少碼間干擾的影響，必須對接收的信號波形進(jìn)行濾波均衡，變成沒有碼間干擾的信號波形(實(shí)際中多采用升余弦波)。,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),一、線性通道 提供足夠增益的主放，同時保證光接收機(jī)的動態(tài)范圍； 均衡濾波器，減小噪聲，降低碼間干擾。 1. 主放大器：高增益放大器和AGC 作用：（1） 提供足夠的增益A； （2） 保證動態(tài)范圍的AGC電路。 （1）主放大器的增益A 放大器輸出端“1”碼的電流I1=IpA,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),（2）動態(tài)范圍 光接收機(jī)能適應(yīng)輸入信號在一定范圍內(nèi)變化的能力稱為光接收機(jī)的動態(tài)范圍。 為什么要設(shè)計AGC來滿足光接收機(jī)的動態(tài)范圍？ 中繼距離較短時，光接收機(jī)的輸入功率會增加； 新建線路，新器件和系統(tǒng)設(shè)計時考慮了富余量，這也將使光接收機(jī)的輸入功率增加； 其他原因?qū)е碌墓饨邮諜C(jī)輸入功率的增加。,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù), 動態(tài)范圍的定義 在限定誤碼率的條件下，光接收機(jī)所能承受的最大信號平均接收光功率max和所需要最小信號平均接收光功率min的比值，表示為 對于我國，動態(tài)范圍要求DR18dB，設(shè)計時動態(tài)范圍的考慮：,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),式中，LP光源可能超過設(shè)計要求的光功率，一般在 12dB； Mc光纖線路每公里的富余度，它應(yīng)考慮在線路的設(shè)計壽命時間內(nèi)，因維修增加接頭的損耗、因環(huán)境條件變化增加的損耗、以及因連接器增加的損耗，一般在0.020.4dB/km取值; lmax光纖線路最大的中繼距離； ME設(shè)備的富余度，它應(yīng)考慮在設(shè)計壽命時間內(nèi)接收機(jī)靈敏度降低和光源發(fā)送光功率的減小等因素的影響，一般在36dB。,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù), 動態(tài)范圍的實(shí)現(xiàn)：AGC PIN-PD光接收機(jī)，PD無倍增，AGC只控制主放大器的放大倍數(shù)，電路實(shí)現(xiàn)較簡單。 APD光接收機(jī)，AGC通過對APD倍增因子（即控制APD的偏壓）和主放大器增益的控制來擴(kuò)大光接收機(jī)的動態(tài)范圍。,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),APD光接收機(jī)模塊電路： 峰值檢波輸出的直流信號送到AGC放大器進(jìn)行比較放大產(chǎn)生一個AGC電壓，該電壓控制APD的反向偏置電壓和主放的工作點(diǎn)（目的是控制主放的增益），從而使均衡器輸出幅度是穩(wěn)定的升余弦波。,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),高壓偏置電路實(shí)際上是一個直流變壓器，將AGC輸出的直流電壓變換成100200V的直流高壓，供APD做直流偏壓，直流變壓器的輸出電壓可調(diào)節(jié)，從而控制APD增益的目的。,2019/5/3,實(shí)際設(shè)備中，可采用分級控制的方法。當(dāng)輸入光功率增加時，先控制APD的倍增因子，使放大器的放大倍數(shù)保持不變，當(dāng)倍增因子降低到最小時，使之保持最小值，而后對主放的放大倍數(shù)進(jìn)行控制，最終使之適合正確判決。APD的G的最小值一般不低于3。,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),2019/5/3,在某些特殊的情況下，如果光接收機(jī)的輸入信號超過它的動態(tài)范圍時，此時AGC不能解決問題，必須在通信線路中加光衰減器才能使系統(tǒng)正常工作。,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),2. 均衡濾波 低通濾波器，減小噪聲、降低碼間干擾。 通信系統(tǒng)是頻率受限系統(tǒng)（即帶寬不是無窮的），它的時域響應(yīng)將是無限的，也就是說它的輸出波形在時域上有很長的拖尾，使前后碼元在波形上互相重疊而產(chǎn)生碼間干擾，影響接收機(jī)的靈敏度。 光纖通信中，輸出波形常常被均衡成升余弦頻譜（相頻特性為線性）。均衡低通濾波器的作用就是將主放輸出的失真數(shù)字脈沖進(jìn)行整形，使之均衡成有利于判決的升余弦頻譜函數(shù)特性的波形，做到判決時無碼間干擾/碼間干擾最小。,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),(1) 升余弦頻譜函數(shù) 式中，濾波器帶寬f=w/2，取值為0.60.8B，B是比特率。 對頻譜函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，得到時域上的信號：,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),均衡器后的輸出波形(當(dāng)t=m/B時，hout(t)=0)： hout(t)的時域圖對應(yīng)著判決電路接收到的電壓脈沖Vout(t)形狀。在t=0時刻，信號最大，在t=m/B（m為整數(shù)）時， hout(t)=0。t=m/B對應(yīng)相鄰碼元的判決時刻，此時電壓脈沖不會對其他碼元造成干擾。因此，雖不能消除碼間干擾及相互影響，但可以做到不管輸入波形如何變化，只要經(jīng)過均衡濾波器后，在某些特定點(diǎn)上干擾為零，故可用于正確判決。,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),未經(jīng)均衡濾波器出現(xiàn)的脈沖拖尾現(xiàn)象： 圖中，TB=1/B 。,hout(t),2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),單個脈沖均衡前后波形的比較： 所以，如果信號具有升余弦頻譜，碼間干擾最小，理論上可達(dá)到零。故對主放輸出的信號進(jìn)行變換，升余弦頻譜。,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),對于均衡濾波器，設(shè)計時須考慮線性通道的傳遞函數(shù)HT(f)： Hout(f) 和Hin(f)分別是與輸出和輸入脈沖形狀有關(guān)的傅立葉變換標(biāo)準(zhǔn)頻譜函數(shù)。 均衡電路的設(shè)計，原則上是一個均衡網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，實(shí)際工程中很少完全按理論上設(shè)計，通常是選取一個特性近似的網(wǎng)絡(luò)代替，再通過實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行調(diào)整。,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),二、數(shù)據(jù)恢復(fù)（將均衡器輸出的信號恢復(fù)成理想的數(shù)字信號） 帶選通的比較器，與判決門限電平進(jìn) 行比較 選通時刻由同步脈沖提取。 鎖相電路 聲表面波濾波器,時鐘提取：,判決器：,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),數(shù)據(jù)恢復(fù)的結(jié)果在實(shí)驗(yàn)室里觀察最簡單、最直觀的方法是眼圖分析法。（觀察碼間干擾） 一、獲得眼圖的方法 將均衡濾波器輸出的隨機(jī)脈沖序列輸入到示波器的y軸，用時鐘信號作為外觸發(fā)信號，使與其碼元周期同步，示波器上將顯示隨機(jī)信號在反復(fù)掃描過程中疊加在一起的綜合、像人眼的圖形，即眼圖。,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),1. 眼圖的形成,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),眼圖測量是判斷數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中有無碼間干擾、接收機(jī)性能好壞的最直觀最簡單的方法，誤碼率是最終結(jié)果，眼圖可用于分析形成誤碼的原因； 如果接收的信號沒有碼間干擾及波形畸變，各段波形完全重合，恰似張開的眼睛，示波器既細(xì)又清晰；如果碼間有干擾、波形畸變和噪聲時，掃描示波線不能完全重合，眼圖線跡將變得既不細(xì)又不清晰，眼圖睜開也將減小。,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),2. 顯示基本測量參數(shù)的眼圖的一般結(jié)構(gòu),2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),二、眼圖分析法 模型化眼圖 過門限失真：信號剛過門限電平時產(chǎn)生的抖動失真； 峰值干擾：采樣時刻的失真（噪聲）； t2：可進(jìn)行信號采樣的時間。,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),眼圖分析的結(jié)果： 1. 眼睛睜開最大處為最佳判決時刻； 2. 眼睛睜開度（垂直張開度）表征噪聲容限：E=V1/V2，表示系統(tǒng)抵抗噪聲的能力，也稱為SNR邊際； 3. 眼睛展開度（水平張開度）減小表征過門限失真量的大?。篍/=t1/t2， E/減小表示時鐘抖動增加； 4. 眼皮厚度體現(xiàn)噪聲大小及碼間干擾； 5. 眼圖斜率：體現(xiàn)系統(tǒng)對定時誤差的敏感性，斜率愈大愈敏感； 6. 非線性傳輸特性會產(chǎn)生眼圖的不對稱性。,2019/5/3,4-5 光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù),眼圖的張開度受噪聲和碼間干擾的影響。當(dāng)輸出端SNR很大時，張開度主要受碼間干擾的影響，因此，觀測眼圖的張開度就可以估計碼間干擾的大小，這給均衡濾波電路的調(diào)整提供了簡單而適用的觀測手段。,2019/5/3,電子載流子（UTC）光接收機(jī),2信道雙PD芯片(4 PD陣列)平衡接收模塊,電子載流子（UTC）光電探測器，利用它的芯片制造技術(shù)，人們已開發(fā)出43 Gb/s DQPSK系統(tǒng)用的2信道平衡接收模塊,2019/5/3,陣列波導(dǎo)光柵(AWG)PIC多信道光接收機(jī),單片集成了AWG路由（WGR）波長解復(fù)用器和陣列PIN光電探測器 并且在PIN之后又集成了異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）作為前置放大器,2019/5/3,平面波導(dǎo)集成電路（PIC） 多信道光接收機(jī),1010 Gb/s的WDM光信號由