光纤通信4-光检测器与光接收机课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光 检 测 器,光 检 测 器与光接收机,第四章,主要内容,光检测器工作原理,光电二极管的工作特性,光接收机,光接收机的噪声,数字接收机的灵敏度,光电二极管（PD）,光检测器利用光电效应实现。,P,N,势 垒,耗尽层,光子进入PN结，价带的电子,受激吸收,将被激发到导带，产生一对光生载流子，受内建电场的作用，光生载流子的电子向 N区漂移，空穴向P区漂移，载流子移动到外部电路形成光电流。,4.1,光检测器工作原理,外光电效应,内光电效应,真空光电二极管,半导体光电二极管,1、半导体光电二极管,光生电流包括：,漂移电流-耗尽区的光生载流子在电场作用下运动形成的电流扩散电流,扩散电流-P区的光生载流子形成的电流,N区的光生载流子形成的电流,光检测器:检测通过光纤传来的光信号,将光功率转换为电流输出。,增加PN结的反偏,耗尽层,加偏置电压的好处：加大耗尽区的宽度，,加强漂移电流的影响，,减少扩散电流的比例，,提高响应速度。同时，,提高了电光转换效率。,但增加有限。,另一种加大耗尽层的方法是,引入本征半导体（I型半导体）,增大漂移电流的方法,2、PIN光电二极管,结构：PN结之间加了一层本征半导体（I层）,P,I,N,特点：I区的耗尽区很宽，入射光很容易产生光生电子空穴对，,形成漂移电流；提高了响应速度。另外，I区的吸收系数,小 ，因而光电转化效率高。,一、结构及特点,在p区和n区之间插入,I,区，增加了耗尽区的宽度，使得大部分的入射光在耗尽区被吸收，因此大部分的载流子也在此区域内产生。耗尽区的高电场使得电子-空穴对迅速分开并在反向偏置的结区中向两端流动，然后在边界处被收集，从而在外电路中形成电流。,吸收系数,被吸收的光功率,产生的光电流,光功率衰减,w耗尽区宽度,由于吸收系数取决于光波长，因此，特定的半导体材料只能应用在有限的波长范围内。,光吸收系数与波长的关系曲线,?,当外加的反向偏压比PIN情况下高得多时，这个电压几乎都降到P 结上。特别是在高阻的PN结附近，电场强度可高达,10,5,V/m,，已经高出碰撞电离的电场。,2,）,雪崩光电二极管(APD)的工作原理,约100V150V,高反向偏置,电场分布,入射光功率产生的电子空穴对经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使晶格中的原子电离，产生新的电子空穴对。新的电子空穴对受到同样加速运动，又与原子碰撞电离，产生电子空穴对，称为二次电子空穴对。如此重复，使强电场区域中的电子和空穴成倍的增加，载流子和反向光生,电流迅速增大，产生,雪崩现象,这个物理过程称为雪崩倍增效应。,高电场,光,一次电子,4.2 光电二极管的工作特性,光电二极管的主要特性参数包括,响应度、量子效率、响应带宽、APD的倍增系数及噪声,等。,1、量子效率,式中 e是电子电荷，h是普朗克常数。,2、响应度：响应度表征了光电二极管的能量转换效率,R的单位为AW。,波长的单位取m,响应度随波长 增加而增大。,例 InGaAs的量子效率大约为90，波长为1300nm，求响应度。,3、APD 光电二极管中所有载流子产生的倍增因子M,雪崩增益后输出电流的平均值,未倍增时的初级光电流,加在PN结的有效电压,雪崩电压,适配因子，与材料,及结构有关,m,4,、光电检测器的噪声,暗电流噪声,量子噪声,热噪声,入射光子激发的电子空穴的随机性产生的电流,PIN在反偏情况下，没有外来的光时产生的电流,电阻的热噪声,量子（散粒）噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时，光电子的产生和收集过程具有统计特性。,光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，,该统计过程服从泊松分布。,量子噪声的谱密度为常数,对于pin,对于APD,B：接收机带宽,（,1）量子噪声,PIN,M,2,(过剩)噪声系数,光检测器电阻的均方热噪声电流为：,K：玻耳兹曼常数,T：绝对温度,（3）对于光电探测器电阻的热噪声,5、检测器响应时间,P(t),I(t),当检测器受到阶跃光脉冲照射时，响应时间可以用检测器输出脉冲的上升时间 和下降时间 来表示,光电二极管光电流的响应时间主要取决于以下三个因素：,1耗尽区的光载流子的渡越时间；,2耗尽区外产生的光载流子的扩散时间；,3光电二极管以及与其相关的电路的RC时间常数。,渡越时间t由载流子漂移速度v和耗尽区宽度w决定,一般情况下，耗尽区的电场足够高，载流子都可以达到它们的散射极限速度。典型的Si光电二极管的耗尽区宽度为10um，极限响应时间为0.1ns。,光脉冲照射PD下,光电流的响应时间。,如果光电二极管的,电容较大,，那它的响应时间就会受到负载电阻R,L,和光电二极管结电容所构成的RC时间常数所限制。,如果,耗尽区宽度太窄,，则非耗尽材料产生的任何载流子在被吸收之前不得不扩散到耗尽区。所以窄耗尽区的器件会有明显不同的慢速和快速响应分量。,低电容、耗尽区宽度 的光电二极管对矩形输入脉冲的响应的上升与下降时间与输入脉冲比较一致。,Si、Ge、InGaAs pin光电二极管的通用工作特性参数,参数,符号,单位,Si,Ge,InGaAs,波长范围,响应度,暗电流,上升时间,带宽,偏置电压,nm,A/W,nA,ns,GHz,V,4001100,0.40.6,110,0.51.0,0.30.7,5,8001650,0.40.5,50500,0.10.5,0.53.0,510,11001700,0.750.95,0.52.0,0.050.5,1.02.0,5,Si、Ge、InGaAs 雪崩光电二极管的通用工作特性参数,M,B,参数,符号,单位,Si,Ge,InGaAs,波长范围,雪崩增益,暗电流,上升时间,增益带宽积,偏置电压,nm,nA,ns,GHz,V,4001100,20400,0.11,0.12,100400,150400,8001650,50200,50500,0.50.8,210,2040,11001700,1040,1050,0.10.5,20250,2030,M,4.3,光接收机,光接收机的任务：,从接收到带有,附加噪声及失真的,微弱光信号中恢复出携带的信息。,光纤通信系统有模拟和数字两大类,光接收机也有数字接收机和模拟接收机两种形式。,光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。,1、数字光接收机组成,光检测器,前置放大器,主放大器,均衡器,数字信号,恢复、时钟,线路译码,接口,偏置电路,自动增益,控制,线性通道,线性通道主要完成对信号的线性放大，以满足判决电平的要求。,接收机的前端包括反向偏压下的光电二极管和前置放大器。,数字信号和时钟恢复电路。,2、光接收机前端,接收机前端等效电路：,放大电路的输入电容为Ca,输入电阻为Ra,光电二极管的串联电阻Rs，,总电容Cd,作用：是将光纤线路末端耦合到光电二极管的光比特流转换为时变电,流，然后进行预放大，以便后级作进一步处理。,要求：一台性能优良的光接收机，应具有无失真地检测和恢复微弱信,号的能力，这首先要求光接收机具有：,前端应有低噪声；,高灵敏度；,足够的带宽。,前端的设计有3种不同的方案,低阻抗前端,高阻抗前端,跨阻抗前端,低（高）阻抗前端,跨阻抗前端,低阻抗前端从频带要求出发选择光检测器的负载电阻RL，使其满足,f为码速率所要求的前端带宽；,Ct=Cj+Cs+Ca；,Cj-为光电二极管的结电容；,Cs-为光电二极管和前置放大器引线的,杂散电容；,Ca-为前置放大器的输入电容。,低阻抗前端优点：,电路简单，不需要或只需要很少的均衡，前置级的动态范围也较大。,低阻抗前端缺点：,灵敏度较低，噪声比较高。,（2）高阻抗前端,高阻抗前端优点：,噪声低，灵敏度高。,高阻抗前端缺点：,带宽窄，需要增加均衡网络，对频响特性进行补偿，电路结构复杂，动态范围小。,（3）跨(互)阻抗前端,这种前端将负载电阻连接为反相放大器的反馈电阻，因而又称互阻抗前端。,互阻抗前端,是一个性能优良的电流电压转换器，即使R,L,很高，而负反馈使有效输入阻抗降低了G倍，G是前置放大器增益，从而使其带宽比高阻抗前端增加了G倍.,优点：,动态范围大，频带宽、噪声低、灵敏度高。,3、光接收机的线性通道,光接收机的线性通道由,一个高增益放大器和,一个低通滤波器（或均衡器,）组成。,自动增益控制(AGC),放大器：,将放大器的平均输出电压限制在固定电平,而不随输入平均光功率而变。,低通滤波器,（或均衡器,）：,使电压脉冲整形，降低噪声，控制可能出,现的码间串扰(ISI)。,接收机噪声正比于接收机带宽，为降低噪声，采用带宽f小于比特率B的低通滤波器。在接收机设计中其他部件的带宽均大于滤波器带宽，因此接收机带宽主要由线性通道的低通滤波器决定。,当fB时，电脉冲展宽超过了规定的比特时隙，将可能干扰相邻比特时隙的检测，引起码间串扰，滤波器设计时应避免产生这种现象。,均衡器的作用是消除放大器、光纤等部件引起的信号波形失真，经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形，使码间干扰减小到最小。,经过均衡以后的波形，在本码判决时刻，波形的瞬时值应为最大值。,而这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零。,信道特性均衡,多级网络的噪声,噪声系数,放大器的噪声系数,4、数据恢复电路,光接收机的数据恢复部分的任务是把线性通道输出的模拟信号恢复成数字信号。,由三部分组成：,时钟提取电路,取样判决电路,数字信号波形成型电路,取样判决电路,为了重建数字信号，则要判定每个码元是“0”还是“1”，这首先要确定判决时刻。,为此，要从升余弦信号中提取准确的时钟信号，并经过适当移相后，在最佳时刻对升余弦信号取样，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重建成原传输的数字信号。,最佳取样时间相应于在“1”和“0”信号电平相差最大的位置，可由眼图决定，它由不同比特电脉冲顶部叠加而成。,非归零码(NRZ)数字光接收的眼图,噪声和时间抖动导致的半张半闭退化眼图，最佳取样时间相应于眼睛睁开最大处的时间。,理想眼图,4.4 光接收机的信噪比,在光纤通信系统中，通常要求光电二极管能检测出微弱的光信号。,为了得到较高的信噪比，可以采取以下措施：,为了检测到最小可能的信号，必须对光检测器和它随后的放大器电路进行最优化设计，以此来保证一定的信噪比。,光接收机输出端的信噪比S/N定义为,光检测器必须要有很高的量子效率，以产生较大的信号功率；,使光检测器和放大器噪声保持尽可能低的值。,放大器输入端的信噪比为：,光检测器,前置放大器,主放大器,均衡器,数字信号,恢复、时钟,线路译码,接口,取样判决器输入端的信噪比,放大器,增益G,噪声系数N,F,取样判决器,放大器,增益G,噪声系数N,F,=1,取样判决器,取样判决器输入端的噪声功率,取样判决器输入端的噪声功率,4.5 数字接收机的灵敏度,数字接收机的灵敏度是指,当数字接收机的输出信号质量-误码率达到质量要求时，数字接收机接收的最小光功率,灵敏度和误码率有关,误码率和信号的失真和信号中的噪声有关,误码率（BER：bit error）:,误码率=传输中的误码/所传输的总码数,是衡量通信系统传输数据精确性的指标。,误码率与通话质量,误码率,通话质量,10,6,感觉不到干扰,10,5,在低话音电平范围内感觉轻微干扰,10,4,在低话音电平范围内有个别“咯咯”声,10,3,在低话音电平范围内都感觉有干扰,10,2,强烈干扰，听懂程度明显下降,0.5,几乎听不懂,“1”码出现的概率为P(1);,“0”码出现的概率为P(0);,接收机把“0”码误判为“1”码的概率为P(1/0);,接收机把“1”码误判为“0”码的概率为P(0/1);,那么误码率为：,BER=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1),经过线路编码，数字信号序列中“0”码和“1”码出现的概率各为1/2,一、接收机误码率,BER=P(1/0)+P(0/1)/2,设光纤通信系统传输的数字序列中，,1,0,0,BER=P(1/0)+P(0/1)/2,P(1/0)?P(0/1)?,理想无噪声时：,实际有噪声时：,如果“0”码出现时，信号电流的概率密度为,如果“1”码出现时，信号电流的概率密度为,设判决门限电流为,BER=P(1/0)+P(0/1)/2,对于噪声方差为 ，均值为 的,高斯,白噪声,，概率密度函数为,误差函数,BER=P(1/0)+P(0/1)/2,1,0,0,一般“0”信号对应于,二、灵敏度,例：一光接收机采用PIN-PD,要使误码率,求灵敏度。,解：,Q=6,例：一光接收机采用PIN-PD,数字信号速率,只考虑热噪声，求灵敏度。,要使误码率,解：,Q=6.5,灵敏度的量子极限,在这样的条件下，数字系统对于特定误码率有一个最小接收光功率要求，这个最小接收功率值就是,量子极限,。,灵敏度的理论最小值,假设：,没有暗电流,没有光子输入时，也不会有电子产生。,由于因为我们假定所有系统参数都是理想的，所以系统性能就仅仅受限于光检测过程中具有统计特性的,量子噪声,。,如果有一个电子产生，就认为是1。,设照射到光电检测器的光功率为,在时间内照射带光电检测器中的光能量是,在时间内光电检测器产生的,平均电子空穴数对,是,光电二极管产生的初始光电流是一个时变的,泊松过程,实际产生的电子空穴对的值 是关于于平均值起伏的泊松分布：,是在时间间隔 内发射 个电子的概率。,假设在 时间段内有一个能量为E的光脉冲落在光检测器上，,如果光脉冲出现时没有电子空穴对产生则被接收机判断为0脉冲。,该时间段内发射0个电子的概率为：,.,例：一个传输速率为10Mb/s的系统，BER要求达到10,9,，试求光检测器上的最小入射光功率。如果检测器的量子效率为1，（假定0和1脉冲的个数相等，是数据速率B的一半），850nm。,解：,主要内容,光检测器工作原理,光电二极管的工作特性,光接收机,光接收机的信噪比,数字接收机的灵敏度,由于 通常称为,均方根噪声,，,故 也就是,峰值均方根信噪比,设,例：一光接收机采用PIN-PD,要使误码率,求灵敏度。,解：,Q=6,例：一光接收机采用PIN-PD,数字信号速率,只考虑热噪声，求灵敏度。,要使误码率,解：,Q=6.5,