-光探测及光接收机.ppt

第五章光探测及光接收机光发射机发射的光信号经光纤传输
损耗：信号幅度衰减
色散：信号波形展宽
光接收机作用
检测微弱光信号、放大、整形、还原成为输入信号
器件
光电检测器：利用光电效应把光信号转变为电信号
光电二极管：PIN管，雪崩二极管APD
基本要求
灵敏度高、响应快、成本低、可靠性高、耦合性能好

5.1数字光接收机光电检测器：光信号转换成电信号
PIN－－半导体光电二极管
APD－－雪崩光电二极管
2.前置放大器：
低噪声放大器
减弱或防止电磁干扰
抑制噪声（热噪声和散粒噪声）
放大信号
（1）带宽和灵敏度：接收机中心问题（降低输入噪声，提高灵敏度）
高输入阻抗前置放大器：高输入阻抗可减小热噪声，提高接收机灵敏度，但降低带宽。
（2）带宽与均衡滤波：均衡滤波技术消除码间干扰，扩大带宽。
主放大器：
（1）提供足够大的增益，达到判决电路所需的信号电平；
（2)增益受AGC电路控制。
4.均衡滤波:虑除波形展宽，消除码间干扰。
5.判决器/时钟恢复：对信号进行再生，包括调谐放大、限幅、整形、移相。
6.解复用器:若发射端复用,则接收端需解复用。
译码/码型变换器：
（1）若发射端进行了扰码，需要译码；
（2）HDB3、CMI码等解码。5.2光电检测过程的基本原理光电效应必须满足条件：hf>Eg
光电二极管：PIN
PIN二极管：
在P+和N-之间加入一个Si中掺杂较少的I层，作为耗尽层，I层较宽，约有5um～50um，可吸收绝大部分光子。响应时间由光生载流子穿越耗尽层的宽度W所决定。增加W会使更多的光子被吸收，从而增加量子效率，但是载流子穿越W的时间增加，响应速变慢。响应波长——（截止波长）
任何一种材料制作的光电二极管，都有
性能参数
量子效率ηη=(hf/q)R
q:电荷

响应度R
光电检测器的响应度。
暗电流Id，表示无光照时出现的反向电流，影响接收机的信噪比。
响应速度：对光信号的反应速度。
结电容Cd（pF）：影响响应速度。雪崩光电二极管
APD:Avalanchephotodiode
(1)速度高，增益大，广泛应用于光通信系统中。
(2)能承受高的反向偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区，电子－空穴对经过电场区时被加速，又可能碰到其他原子，多次碰撞电离的结构，使载流子迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪崩倍增效应。APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器
平均雪崩效应，经验公式

新型APD
(1)采用InP材料作增益区的异质结——分别吸收和倍增APD:SAMAPD(SeparateAbsorptionandMultiplicationAPD),目的是使工作波长在1.3um～1.6um波长波段上。
(2)分别吸收、渐变、倍增APD：SAGMAPD(SeparateAbsorptionGradingandMultiplicationAPD),在InCaAs、InP之间增加一层带隙介于两者之间的半导体材料，克服SAMAPD响应时间长的缺点。
(3)多量子阱MQWAPD：MultipleQuantumWell,利用InCaAs、InP交替变化的结构，从而形成高低带隙交替变化的半导体层.MSM光探测器：金属－半导体－金属光探测器（Metal－Semiconductor－Metal），基本原理一样，入射光子产生电子－空穴对，电子－空穴对的波动产生光电流
集成光学光电探测器
为适应光电子集成电路（OEIC）的要求，研究适用于单片集成的各种光波探测器，光波导探测器，不采用光压电方式，采用光电导和雪崩方式(1)外延生长InGaAs探测器
采用外延生长的方式制作，通过控制材料中In的含量，可使器件在0.85～5.3um光波长范围内工作;通过适当选择InGaAs中的掺杂浓度，使耗尽层厚度正好等于波导厚度，并使InCaAs的横截面大于波导的横截面，有可能达到100%的量子效率。
(2)电吸收光波导探测器
入射光频姐姐禁带宽度时，光吸收的大小主要取决于外加电场的大小，电吸收效应
(3)离子注入探测器
在CaAs衬底中注入高能离子，形成光波导。5.3光接收机的性能
5.3.1信噪比
产生噪声原因
（1）散粒噪声：由检测器本身引起
入射光功率产生的光电流：
热噪声：电子在光电二极管负载电阻上的随机热运动，即使外加电压为零，也产生电流的随机起伏。

PIN光接收机：只对信号进行光电转换，而无放大功能。APD光接收机
APD的内部增益使产生的电流扩大了M倍，即：

散粒噪声
.5.3.2光接收机的灵敏度
灵敏度是光接收机最重要的指标之一，指保证完成一定通信质量条件下所需要接收的最小信号功率Ps。Ps越小越好，受噪声限制。
影响光接收机灵敏度的因素：
暗电流。
倍增失调使灵敏度下降:(自动增益控制)。