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1、第五章 光检测器和光接收机,51光检测器511光检测的原理512 PIN光电二极管513 雪崩光电二极管（APD）,52光接收机 521数字光接收机的基本组成 522数字光接收机的噪声 523误码率 524灵敏度 525 动态范围,光检测器是光接收机的关键器件。功能:将接受到的光信号转化成电信号，在电路中形成随着入射光强弱变化而变化的电流。,PIN光电二极管 常用的光检测器：雪崩二极管,51光检测器,当PN结上加有反向偏压时，外加电场的方向和空间电荷区里电场的方向相同，因此在空间电荷区里载流子基本耗尽了，这个区域称为耗尽区。,一.PN结的光电效应,光电二极管（PD）是一个工作在反向偏压下的PN
2、结二极管，它的工作原理可用光电效应来解释。,511光检测的原理,当光束入射到PN结上，且光子能量大于半导体材料的禁带宽度时，价带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，结果产生一个电子-空穴对。,当连接的电路闭合时,N区过剩的电子通过外部电路流向P区，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光功率变化时，光生电流也随之线形变化，从而把光信号转化成电流信号。,如果光生的电子-空穴对在耗尽区产生，那么在电场的作用下，电子将向N区漂移，而空穴将向P区漂移。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生产生电动势，这种效应称为光电效应。,二光电二极管的波长响应,由光电效应的条件可知，对任何一种材料制作的光
3、电二极管，都有上截止波长，定义为,Si材料制作的PIN光电二极管，1.06um Ge材料制作的PIN光电二极管，1.6um,原因:当入射光波长很短时，材料的吸收系数变得很大，结果使大量的入射光子在光电二极管的表面层(如P区)就被吸收。,入射光波长太短时,光变电的转化效率也会大大下降。,光电二极管的表面层往往存在一个零电场的区域,当电子-空穴对在表面层（如P区）里产生时，少数载流子首先要扩散到耗尽层，然后才能被外电路收集。但在表面层区域，少数载流子的寿命时间很短，扩散速度又慢，电子-空穴对往往在被检测器电路收集以前就已被复合掉，从而使检测器的光电转换效率降低。,Si材料PIN光电二极管，波长响应
4、范围：0.51.0umGe和InGaAs材料PIN光电二极管,波长响应范围：1.11.6um,光电二极管的波长响应范围:,512 PIN光电二极管,为了提高光电转换效率，最好使所有的入射光落在作用区（耗尽区内），必须采取如下措施：减小入射表面的反射率；尽量减小光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区被充分吸收。PIN光电二极管就是基于此种设计思想的一种器件。,一.PIN光电二极管的结构,PN结的中间是一个接近本征，掺杂很低的N区，称为I层，I层很厚。两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示，P+层和N+层很薄。则在P+层和I层之间形成了一个耗尽层，通过调整材料
5、的掺杂浓度和加上适当的反向偏压，就可以将耗尽层拓宽到整个I层。,由于P+层和N+层都很薄，这样耗尽区几乎占据了整个PN结，光在零电场区被吸收的可能性很小，从而提高光电转换效率。,二PIN光电二极管的基本特性1.光电转换效率,响应度：定义为输出光生电流 和入射光功率 的比值。,量子效率 和响应度 取决于材料的特性和器件的结构。假设:器件表面反射率为零；P层和N层对量子效率的贡献为零；仅仅耗尽区（I区）里吸收的光子才能有效的转化成光电流。则PIN光电二极管的量子效率可近似表示为：,式中 和 分别为耗尽区（I区）的吸收系数和厚度。,可见，当 1时，所以为提高量子效率，I层的厚度 要足够大。,2.暗电
6、流,暗电流Id：是在反向偏压条件下，没有入射光时，光电二极管产生的反向电流。包括：晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流。暗电流与光电二极管的材料和结构有关 例如：Si材料的PIN，Id100 nA。,3.噪声,噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数，它直接影响光接收机的灵敏度 光电二极管的噪声:包括散粒噪声和热噪声。噪声通常用均方噪声电流(在1负载上消耗的噪声功率)来描述。,(1)散粒噪声：是由于带电粒子产生和运动的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白噪声。包括:量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声量子噪声：是由于光电子产生和收集的统计特性造成的。量子噪声电流的均方值:其中：
7、IP为平均光电流；e为电子电荷；f为噪声带宽。,说明：1）量子噪声伴随着入射光信号的产生而产生，随着信号的增大而增大；当入射光信号消失，量子噪声也消失。2）量子噪声是一种不可克服的本征噪声，它决定光接收机灵敏度的极限。,暗电流噪声:暗电流是器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流。它是由于PN结内电子的热扩散形成的。暗电流的均方值：其中：Id为暗电流平均值；,说明：1.偏置电流增大，暗电流增大；2.器件温度升高，暗电流增大；3.暗电流与光电二极管材料和结构有关。例:si-PIN，Id100nA。,漏电流噪声:是由于器件表面物理缺陷引起的。漏电流的均方值：其中：IL为漏电流平均值；说明
8、：漏电流和暗电流只能通过合理设计、良好的结构和严格的工艺来降低。,(2)热噪声：任何电阻都具有热噪声。只要温度高于绝对零度，电阻中大量的电子就会在热激励下作无规则运动，由此在电阻上形成无规则弱电流，形成电阻的热噪声。包括：负载电阻和后继放大器输入电阻产生的热噪声。均方热噪声电流：式中：k=1.3810-23J/K为波尔兹曼常数；T为绝对温度；R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻的并联.,PIN光电二极管的总均方噪声电流为：,513 雪崩光电二极管（APD）一APD的工作原理,随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为
9、击穿电压UB。APD就是根据这种特性设计的器件。,根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。如果反向电压增加到是电场达到200kV/cm以上，初始电子（一次电子）在高电场区获得足够的能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对，这个过程称为碰撞电离。,新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，见图。所以这种器件就被称为雪崩光电二极管（APD）。,二APD的倍增因子,由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这种效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述它的放大作用，即用倍增因子 来定义。,
10、根据经验，并考虑到器件体电阻的影响，可以表示为,式中 为APD击穿电压，为与材料特性和入射光波长有关的常数，R为APD体电阻。现有的APD的 值已达几十到上百，随反向偏压，波长和温度而变化。,三.APD的结构类型,在光通信中常用的APD有如下几中结构类型。保护环型（GAPD）短波段（0.85um）拉通型（RAPD）SAM（Separated Absorption 长波段 and multiplexing）（1.3 um1.55 um）SAGM（带隙渐变型SAM）,1.拉通型（RAPD）,当偏置电压逐渐升高时，峰值电场超过雪崩效应所需最低电压，就会发生雪崩效应。同时，耗尽区已经“拉通”到了整个
11、区。虽然 区的电场比高场区低，但也足以保证载流子有较高的漂移速度。入射光子在 区被吸收后，产生一次电子-空穴对，其中的一次电子在电场的作用下向PN结漂移，并在那里产生雪崩效应，而一次空穴在电场的作用下移向P+区，被外电路收集。,P+和N+为高掺杂低阻区，压降很小，偏置电压基本上都落在高阻的PN结上。低掺杂的本征区 很宽，电场较低，大部分入射光子在此区被吸收并建立最初的电子空穴对。当偏置电压较低时，电场分布如图中虚线所示，这时本征区也未耗尽，而且峰值电场较低，不会发生碰撞电离。,52光接收机,521数字光接收机的基本组成522数字光接收机的噪声523误码率524灵敏度525 动态范围,光接收机功
12、能:,把从光纤线路输出，产生畸变和衰减的微弱光信号转为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号主要组成部分：光检测器（核心）,521数字光接收机的基本组成,1光检测器：实现电/光转换的关键器件。即对光进行解调。2放大器：包括前置放大器和主放大器：前置放大器：低噪声、高增益和足够的带宽特性，以获得较大的信噪比。它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大 输出一般为毫伏数量级。,主放大器：作用：是提供足够的增益，将前置放大器输出的信号电平放大到判决电路所需要的信号电平。一般是多级放大器;是一个增益可调节的放大器。它的增益受AGC电路（自动增益控制电路）的控制，以使输出的电信号的幅度在一定范围内不受输入
13、光信号幅度的影响。,3、均衡器：（1）没有均衡器出现的问题：从接收机主放大器输出的脉冲形状将不会再是矩形了，将可能出现很长的拖尾。这种拖尾现象将会使前、后码元的波形重叠产生码间干扰对于一个实际的传输系统（包括信道，放大器，滤波器等），其频带总是受限的，结果使输出波形有很大的拖尾，使前后码元在波形上相互重叠，而产生码间干扰。,（2）均衡器作用：使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形。在本码判决时刻波形的瞬时值应为最大值；这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为0。一般用具有升余弦频谱的码元脉冲波形,4、再生电路：包括判决器和时钟提取电路-作用：将均衡器输出的升余弦波形信号，恢复为原发送“
14、0”或“1”的数字信号。再生过程：为了能从均衡器的输出信号判决出是“0”还是“1”码，首先要确定判决的时刻，这就要从升余弦波形中提取准确的时钟信号。时钟信号经过适当的移相后，在最佳的取样时刻对升余弦波形进行取样，然后将取样幅度与判决阈值进行比较，确定码元是“0”还是“1”，从而把升余弦波形恢复再生成原传输的数字信号。,522数字光接收机的噪声,一光接收机噪声的分类二噪声分析的一般方法三光接收机的噪声等效模型四放大器噪声的计算五前置放大器的类型,一光接收机噪声的分类,光接收机的噪声有两部分：外部噪声和内部噪声。外部噪声：由外部电磁干扰产生的。可以通过屏蔽或滤波来消除。内部噪声：是在信号检测和放大
15、过程中引入的随机噪声。主要包括：光检测器的噪声、前置放大器的噪声和热噪声。,光检测器的噪声：如量子噪声，暗电流噪声，漏电流噪声，APD的倍增噪声前置放大器的噪声：放大器的噪声主要由前置放大器噪声决定。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比影响很大。热噪声：负载电阻上的热噪声和放大电路中产生的热噪声。,二噪声分析的一般方法,噪声是一种随机过程，它的值并不能预先确定，在不同的时刻测量噪声时所得的结果也常常是不一样的，因此，对噪声的分析应采用随机过程的分析方法。,3平稳随机过程的功率谱密度,设有时间函数x（t），-t+，假设x（t）满足荻氏条件，且绝对可积，那么x（t）的傅立叶变换为x（t）
16、和FX（w）之间有以下的巴塞伐（parseval）等式成立 等式左边的积分表示x（t）在（-，+）上的总能量。,把函数x（t）限制在（-T，T）时间间隔内的可得到：上式的左边表示平均功率：函数x（t）的双边平均功率谱密度（简称功率谱密度）为：,4.线形系统对随机输入的响应,线形系统在这里指时不变线形系统。系统的脉冲响应函数：当系统的输入是单位脉冲时（t）时，相应的系统的输出称为系统的脉冲响应函数，记作HT（t）。频率响应函数（或传递函数）：HT（t）的傅氏变换HT（w）称为系统的频率响应函数（或传递函数）。,若对此线形系统输入信号x(t)，则输出信号的波形和频谱为：线形系统在平稳输入的条件下，
17、其输出也是平稳的。系统的输出谱密度等于输入谱密度乘以系统的功率增益因子|HT(w)|2,即,三光接收机的噪声等效模型,把所有的噪声源都等效到光接收机的输入端，光接收机的输入端的噪声等效模型如图。,说明：光检测器等效为电流源，：光检测器的量子噪声的均方噪声电流，功率谱密度分别为Sq：光检测器的暗电流噪声的均方噪声电流（等效噪声功率），功率谱密度为Sd。R为偏置电阻，C为电容（结电容和其他电容），ib为偏置电阻的热噪声电流。放大器:分解为理想放大器和等效电流源和电压源，其功率谱密度分别为SI和SE。Rin是放大器的输入电阻。,光检测器的噪声特性参见512 节PIN光电二极管的基本特性。偏置电阻的热
18、噪声：偏置电阻具有热噪声，只要温度大于绝对温度，电阻中大量的电子就会在热激励下作不规则的运动，结果在电阻上形成不规则变化的微弱电流，形成电阻的热噪声。,1.带有热噪声的电阻等效方式,可以有两种等效方式：一种是等效为一个无噪声的电阻和一个噪声电流源并联。（上图中就是这样等效的。并联电流噪声源的功率谱密度为：式中：k为玻耳兹曼常数，k=1.3810-23J/K；K为绝对温度。上式表明，电阻的热噪声随温度的升高而加大。,另一种是等效为一个无噪声的电阻和一个噪声电压源的串联。串联噪声电压源的功率谱密度为：,四放大器噪声的计算,1放大器输入端的噪声源（1）放大器的噪声包括电阻的热噪声及有源器件（双极型晶
19、体管或场效应管）的散粒噪声。将所有噪声源都等效到输入端。（2）放大器中各个噪声源都可以认为是高斯分布的平稳随机过程。放大器噪声的概率密度函数可以表示为高斯函数：,（3）均值为0的高斯噪声的方差2实际就代表噪声电压或（电流）的平方的平均值，即为噪声平均功率。（4）概率密度为高斯函数的各个随机噪声，它们之和的概率密度仍是高斯函数，而且总噪声的方差等于各个噪声源的方差之和。（5）计算放大器的输出噪声应求得各个噪声源的方差，然后求和得到输出端总噪声电压的方差。,2放大器输出噪声电压的计算方法,(1)用输入端各噪声源的功率谱密度乘以放大器的功率功率增益因子，可得到输出端的功率谱密度。其中：|ZT(w)|
20、2 是放大器的功率增益因子ZT(w)是放大器的传递函数，它表示输入电流和输出电压之间的传递关系，实为转移阻抗。,（2）输出端功率谱密度SY（w）对w积分，得到输出端的各噪声电压的方差（或称为噪声功率）（3）由于放大器的各噪声源的概率分布函数均为高斯函数，所以输出端总噪声电压的方差等于各噪声源方差之和。,说明：计算时，输入端的串联电压噪声源首先要乘以输入导纳（1/Rt+iwC）的绝对值的平方，转换成电流源，然后再乘以功率增益因子|ZT(w)|2。式中Rt=RRin。根据根据上述的步骤，可以算出放大器的总噪声电压的方差为：,五前置放大器的类型,放大器的噪声特性取决于所采用的前置放大器的类型。1.前
21、置放大器的分类：双极型晶体管前置放大器场效应管前置放大器跨阻型前置放大器,2三种类型前置放大器的比较：,双极型晶体管前置放大器：输入阻抗低，线路简单；接收机不需要或只需要很少的均衡，码间干扰小；适用于高速率传输系统。场效应管前置放大器：输入阻抗高，噪声小；高频特性差，适用于低速率传输系统。跨阻型前置放大器：是一个性能优良的电流-电压转换器；具有宽频率低噪声的优点；根据目前已报导的Gbit/s速率的光接收机的情况看，前置放大器有采用跨阻型也有采用低阻型的。,523误码率,一.误码的产生:在数字光纤通信系统中，接收端的光信号经检测，放大，均衡后，进行判决，再生。判决,再生的过程:见下图,判决是通过
22、时钟信号的上升沿在最佳的时刻对接收的数字信号进行取样。然后将取样值与判决阈值进行比较，若取样幅度大于判决阈值，则判为“1”，若取样幅度小于判决阈值，则判为“0”，从而使信号得到再生。由于噪声的存在，接收信号就有被误判的可能性。,误码率：接收码元被错误判决的概率，称为误码率。（在二元制的情况下，等于误比特率，BER）BER错误码元数/传输总的码元数,光接收机输出的噪声的特性：光接收机输出的噪声的特性概率分布十分复杂，包括放大器引入的噪声和光检测器的噪声。前面分析过放大起引入的噪声，是高斯分布的平稳随机过程，其概率密度函数为高斯函数。光电检测过程，尤其是雪崩光电检测过程是一个非常复杂的随机过程，它
23、的概率密度函数是非高斯型的。,假设：一般假设噪声电流（或电压）的瞬时值服从高斯分布，其概率密度函数为式中：x是代表噪声这一高斯随机变量的取值，均值E（x）=0，方差D（x）=2NA为前置放大器的平均噪声功率；ND为光检测器的平均噪声功率；N0为总的平均噪声功率。,（1）发“0”码时 平均噪声功率N0=NA，NA为前置发达器的平均噪声功率；这时没有光信号输入，光检测器的平均噪声功率ND=0（略去暗电流）。发“0”码条件下噪声的概率密度函数：注：均值为0的高斯噪声的方差2就是平均噪声功率N0,把“0”码误判为“1”码的概率：等于I0D的概率,（2）发“1”码时：平均噪声功率：N1=NA+ND；ND
24、为光检测器的平均噪声功率；噪声电流幅度：I1-Im；判决条件：I1-Im Im-D(即I1D),把“1”码误判为“0”码的概率：等于I1-Im Im-D(即I1D)的概率。,（3）总误码率“0”码和“1”码的误码率一般是不相同的，但对于“0”码和“1”码等概率而言，一般认为Pe，01=Pe，10时可使误码率达到最小。,超扰比Q：,说明：只要知道Q值，就可以根据总误码率的计算公式求出误码率，结果如图。,例：Q=6，BER10-9；Q=7，BER10-12。,数字通信要求，如果误比特率小于10-6，则基本上可以恢复原来的数字信号。如果误比特率大于10-3，则基本上不能进行正常的电话通信。一般要求系
25、统的误比特率小于10-9，即10亿个脉冲中只容许发生一个误码。,524灵敏度,一.灵敏度的一般计算方法二理想光接收机的灵敏度,灵敏度是光接收机的最重要的性能指标。灵敏度：是指保证达到给定的误码率(或信噪比）的条件下，光接收机需要输入的最小平均接收光功率min。或者说在一定误码率条件下光接收机所能接收到的最小光功率。可用三种物理量表示：最小平均光功率Pmin每个光脉冲的最低平均能量Ed每个光脉冲的最低平均光子数n0,接收灵敏度一般用dBm（毫瓦分贝）来表示，它是以lmW光功率为基础的绝对功率。说明：灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光信号的能力，提高灵敏度意味着可以接收更微弱的光信
26、号。影响灵敏度的主要因素是光检测器和放大器引入的噪声。,一.灵敏度的一般计算方法,(1)计算灵敏度，必须先求出光接收机输出端总噪声的概率密度函数(2)再根据噪声的概率密度函数计算出总误码率。(3)根据所要达到的误码率求灵敏度。,灵敏度计算的近似方法：光接收机输出的噪声的特性概率分布十分复杂,它的概率密度函数是非高斯型的。所以精确计算光接收机的总噪声的概率分布密度是十分困难的，常用一些近似方法计算。一些常用的近似方法：1）重要性取样法 2）切若夫界限法 3）高斯近似法：CCITT推荐使用的方法。参见：光纤通信系统顾畹仪，李国瑞，北京邮电大学出版社,二理想光接收机的灵敏度,理想光接收机的定义：假设
27、光检测器的暗电流为0；放大器无噪声；只要光电二极管输出一个电子-空穴对所产生的光电流，判决器就能判决出来。结论：理想光接收机的灵敏度只受光检测器的量子噪声的限制，因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要有光信号的输入，就有量子噪声。,1误码率的计算,（1）发“0”码时的误码率：光检测器没有光输入，由于光电二极管暗电流为0，放大器无噪声，所以光电二极管不输出电子-空穴对，放大器也无信号输出；因此“0”码误码为“1”码的概率为0，即,（2）发“1”码时的误码率：产生误码的唯一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有产生光电流，放大器没有电流输出。假设在时间L内有一个能量为 E 的光脉冲落在光检测器
28、上，在时间L内产生的电子空穴对的均值为：,而L内实际产生的电子个数m,由光子计数过程决定：,则“1”码误判为“0”码的概率为：,（3）总误码率当“0”码和“1”码等概率出现时，总误码率为：,2理想光接收机的灵敏度的计算,对于数字光纤通信系统，一般要求误码率Pe10-9，根据式（4.15）可得到n21说明：即当要求误码率Pe10-9时,每个入射“1”码脉冲至少应有21个光子的能量,或者说每个“1”码脉冲含有的平均光子数至少为21个,这是光接收机可能达到的最高灵敏度,这个极限值由量子噪声决定的,所以称为量子极限。,525 接收机动态范围,1.定义：光接收机在限定的误码率条件下，所能接收的最大平均光
29、功率max与所需最小平均光功率min的比值，用db表示。它表示光接收机接收强光的能力。,太弱：造成过大的误码率；太强：使接收机放大器过载，造成失真。2、参考值：实际中一般为1620dB由于输入光接收机的光信号大小要发生变化，采用AGC（自动增益控制）实现宽动态范围。,复习题,1.何谓暗电流,当光检测器的偏置电流增大和温度升高时,它的值会如何变化?2.试述雪崩光电二极管（APD）的工作原理 3.一光电二极管,当=1.3um时,响应度为0.6A/W,计算它的量子效率?4.一个GaAs PIN光电二极管平均每三个入射光子，产生一个电子-空穴对。假设所有的电子都被收集。GaAs材料的Eg=1.43eV。（1）计算该器件的量子效率；（2）计算这个光电二极管的长波长截止点c（超过此波长光电子二极管将不工作）。,5.在数字光接收机中，设置均衡器的目的是什么？6.光接收机中的噪声包括哪些?7.何谓接收机灵敏度？灵敏度怎么表示？8.何谓动态范围？动态范围是越大越好吗？9.在保证误码率为10-9的条件下，测得接收机所需输入光功率的范围为：Pmax=0.2uw,Pmin=13.6nw,求该接收机的动态范围和灵敏度的值.,
