光探测和光接收机.pptx

第第5 5章章光探测和光接收机光探测和光接收机 光探测原理光探测原理 光电探测器光电探测器 数字光接收机数字光接收机 接收机光信噪比（接收机光信噪比（OSNROSNR）接收机误码率和灵敏度接收机误码率和灵敏度 灵敏度下降机理灵敏度下降机理 光接收机光接收机内容要求内容要求 5.1 光探测原理v入射光子的能量入射光子的能量h h超过禁带能量超过禁带能量 E Eg g，耗尽区每次吸收，耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。PN结光电检测原理光电检测器响应度5.2 光电探测器 PINPIN光电二极管光电二极管 PIN PIN 二极管与二极管与 PN PN 二极管的主要区别是，在二极管的主要区别是，在 P P 和和 N N 层之间加入了层之间加入了一个一个 I I 层，作为耗尽层。层，作为耗尽层。I I 层的宽度较宽，约有（层的宽度较宽，约有（5 505 50）m m，可吸，可吸收绝大多数光子，使光生电流增加。收绝大多数光子，使光生电流增加。PIN光电相关参数耗尽区电容耗尽区电容漂移时间漂移时间响应波长响应波长PIN光电二极管的性能参数v量子效率量子效率 v响应度响应度 R Rv暗暗电电流流：表表示示无无光光照照时时出出现现的的反反向向电电流流，会会影影响响接接收收机的信噪比机的信噪比;v响响应应速速度度：对对光光信信号号的的反反应应能能力力，常常用用对对光光脉脉冲冲响响应应的上升或下降沿表示的上升或下降沿表示;v结电容结电容 (pF),(pF),它影响响应速度。它影响响应速度。5.2.2 雪崩光电二极管v雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APDAPD）是利用雪崩倍增效应使光电流得）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。到倍增的高灵敏度探测器。vAPDAPD的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在 PN PN 结内部形成一个高电场区。结内部形成一个高电场区。vAPDAPD能提供内部增益能提供内部增益v工作速度高，广泛应用于光通信系统中工作速度高，广泛应用于光通信系统中v光生的电子光生的电子 空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量，它们空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量，它们在高速运动中与在高速运动中与 P P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子生新的电子 空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子 空穴对，称为二次空穴对，称为二次电子电子 空穴对。空穴对。v新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。形成雪崩倍增效应。APD的技术参数v平均雪崩增益平均雪崩增益v响应带宽响应带宽v上升时间定义为输入阶跃光功率时，探测器输出光电流最大值的上升时间定义为输入阶跃光功率时，探测器输出光电流最大值的 10%10%到到 90%90%所需的时间。所需的时间。上升时间定义APD 波长响应曲线例5.2.1 PIN光电二极管的灵敏度例5.2.2 带宽例5.2.3 InGaAs APD灵敏度例5.2.4 Si APD5.3 5.3 数字光接收机组成数字光接收机组成v5.3.1 光电变换和前置放大v5.3.2 线性放大v5.3.3 数据恢复5.3 数字光接收机5.3.1 前置放大器v前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用，所前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用，所以精心设计前置放大器就显得特别重要。以精心设计前置放大器就显得特别重要。v光电二极管把光比特流转变成随时间变化的电信号。前置放大器的作用是放光电二极管把光比特流转变成随时间变化的电信号。前置放大器的作用是放大该电信号，以供主放大器进一步放大和处理。大该电信号，以供主放大器进一步放大和处理。v前置放大器的设计要求在带宽和灵敏度之间进行折衷。前置放大器的设计要求在带宽和灵敏度之间进行折衷。图5.3.2 光接收机前置放大器等效电路v负载电阻跨接到反向放大器的输入和输出端，尽管负载电阻跨接到反向放大器的输入和输出端，尽管R RL L仍然很仍然很大，但负反馈使输入阻抗减小了大，但负反馈使输入阻抗减小了G G 倍，因此带宽也比高阻抗倍，因此带宽也比高阻抗放大器的扩大了放大器的扩大了G G 倍。倍。v它的灵敏度高、频带宽。动态范围也比高阻抗前置放大器的它的灵敏度高、频带宽。动态范围也比高阻抗前置放大器的大。因此光接收机常使用这种结构的前放。大。因此光接收机常使用这种结构的前放。转移阻抗前置放大器5.3.2 线性放大v由主放大器、低通滤波器和自动增益控制电路组成。由主放大器、低通滤波器和自动增益控制电路组成。v有时候，为了校正和补偿前端对带宽的限制，在主放大器之前还要插入一个均衡器。有时候，为了校正和补偿前端对带宽的限制，在主放大器之前还要插入一个均衡器。v低通滤波器的作用是整形电压脉冲，减小噪声，同时避免引入更多的码间干扰。低通滤波器的作用是整形电压脉冲，减小噪声，同时避免引入更多的码间干扰。v采采用用自自动动增增益益控控制制电电路路，在在接接收收机机平平均均入入射射光光功功率率一一定定的的变变化化范范围围内内，可可以以把把放放大大器的增益自动控制在固定的输出电平上器的增益自动控制在固定的输出电平上。图5.3.3 柰奎斯特脉冲响应和升余弦均衡滤波器输出响应v我们虽不能消我们虽不能消除码间干扰及除码间干扰及相互影响相互影响v但我们能做到但我们能做到不管输入波形不管输入波形如何发生畸变，如何发生畸变，只要经过均衡只要经过均衡滤波器后，在滤波器后，在某些特定点上某些特定点上干扰为零，因干扰为零，因此可用于正确此可用于正确地判决。地判决。5.3.3 数据恢复v数数据据恢恢复复电电路路包包括括判判决决电电路路和和时时钟钟恢恢复电路。复电路。v它它的的任任务务是是把把均均衡衡器器输输出出的的升升余余弦弦信信号恢复成数字信号。号恢复成数字信号。v首首先先要要提提取取时时钟钟信信号号，在在最最佳佳的的取取样样时时间间对对升升余余弦弦信信号号进进行行取取样样，然然后后将将取取样样幅幅度度与与判判决决阈阈值值进进行行比比较较，确确定定码码元元是是“0 0”还还是是“1 1”，从从而而把把升升余余弦波形恢复再生成原传输的数字信号。弦波形恢复再生成原传输的数字信号。v最最佳佳的的判判决决时时间间应应是是升升余余弦弦波波形形的的正正负负峰峰值值点点，这这时时取取样样幅幅度度最最大大，抵抵抗抗噪声的能力最强。噪声的能力最强。选取最佳的判决时间眼图分析法v在在实实验验室室里里观观察察码码间间干干扰扰是是否否存存在在的的最最直直观观、最最简简单单的的方方法法是是眼眼图分析法。图分析法。通常误码率的典型值为通常误码率的典型值为10109 9。v将将均均衡衡滤滤波波器器输输出出的的随随机机脉脉冲冲序序列列输输入入到到示示波波器器的的 Y Y 轴轴，用用时时钟钟信号作为外触发信号，就可观察到眼图。信号作为外触发信号，就可观察到眼图。v眼眼图图的的张张开开度度受受噪噪声声和和码码间间干干扰扰的的影影响响，当当输输出出端端信信噪噪比比很很大大时时，张张开开度度主主要要受受码码间间干干扰扰的的影影响响。因因此此，观观察察眼眼图图的的张张开开度度就就可可以以估估计计出出码码间间干干扰扰的的大大小小，这这给给均均衡衡电电路路的的调调整整提提供供了了简简单单而而适适用用的观测手段。的观测手段。5.4 5.4 接收机信噪比（接收机信噪比（SNRSNR）v5.4.1 噪声机理v5.4.2 PIN光接收机v5.4.3 APD接收机v5.4.4 信噪比(SNR)和光信噪比(OSNR)的关系5.5 5.5 接收机误码率和灵敏度接收机误码率和灵敏度v5.5.1 比特误码率v5.5.2 最小平均接收光功率v5.5.3 光电探测器的量子限制5.5 接收机误码率和灵敏度5.5.1 比特误码率v图图(a)(a)表示判决电路接收到的叠加了噪声的表示判决电路接收到的叠加了噪声的 PCM PCM 比特流比特流v图图(b)(b)表表示示 “1 1”码码信信号号和和 “0 0”码码信信号号在在平平均均光光生生信信号号电电流流 I I1 1（1 1码码）和和I I0 0（0 0码码）附附近近的的高高斯斯概概率率分分布布，阴阴影影区区表示错误识别概率。表示错误识别概率。图5.5.2 误码概率计算图5.5.3 BER和Q参数的关系图5.5.4 接收机灵敏度和比特率的关系v实际光接收机的实际光接收机的灵敏度比量子极灵敏度比量子极限约低限约低20 dB;20 dB;v主要由接收机热主要由接收机热噪声和光纤色散噪声和光纤色散使灵敏度下降。使灵敏度下降。v光纤色散导致的光纤色散导致的灵敏度下降与比灵敏度下降与比特速率特速率B B和光纤长和光纤长度度L L有关，并随有关，并随BLBL乘积增加而增加，乘积增加而增加，v在较高码率下，在较高码率下，接收灵敏度的实接收灵敏度的实测值比量子极限测值比量子极限下降了下降了2530 dB2530 dB5.6 灵敏度下降机理v1.1.发射发射“0 0”码时接收光功率不为零引入的功率代价码时接收光功率不为零引入的功率代价v2.2.激光器强度噪声引入的功率代价激光器强度噪声引入的功率代价v3.3.定时抖动引起的功率代价定时抖动引起的功率代价图图5.6.1 5.6.1 功率代价与消光比的关系功率代价与消光比的关系图图5.6.2 5.6.2 功率代价和强度噪声的关系功率代价和强度噪声的关系 总总 结结作业作业5-1 5-3 5-4 5-6 5-10 5-18