光纤通信系统 第四章 检测器与光接收机

第四章检测器与光接收机光接收机组成框图把接收到的光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复原传输的信号。适用于数字系统也适用于模拟系统。光检测器前置放大器主放大器均衡器滤波器光信号电信号对光检测器的基本要求1）在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；2）具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；3）具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；4）具有良好的线性关系，保证信号转换过程中的不失真；5）具有较小的体积、较长的工作寿命等。主要内容一、光检测器原理二、PIN三、APD四、数字光接收机半导体光检测器光纤通信用光检测器有PIN和APD。核心是半导体PN结以PN结的光电效应为基础PN结的光电效应当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近载流子基本上耗尽形成耗尽区。当光束入射到PN结上，且光子能量hv大于半导体材料的带隙Eg时，价带电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子空穴对。在耗尽区，电子在内建电场的作用下向N区漂移，空穴向P区漂移，如果PN结外电路构成回路，就会形成光电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电流信号。光电效应的产生条件当入射光子能量小于Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即光电效应必须满足hvEg截止波长：产生光电效应的入射光的最大波长。lc=hc/EgSi为材料的光电二极管lc=1.06mmGe为材料的光电二极管lc=1.60mm利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极管。但简单结构，无法减低暗电流和提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合做光纤通信的检测器。PIN光电二极管（P-Intrinsic－N）设计核心：1、设计了轻度掺杂或不掺杂的本征半导体。①展宽耗尽层，增多了可产生的电载流子的掺杂②I层吸收系数小，大幅度提高光电转换效率。③将吸收集中在本征区，避免PN结P区吸收光时的慢响应。2、P区N区为重掺杂，宽度窄，厚度薄。设计思想：耗尽区漂移运动快，是光生电流的主要因素；扩散区，场分布趋于零，扩散速度慢。为保证检测器快的响应速度和高的效率，应设法减小零电场P区N区厚度而增加耗尽区厚度，并尽量避免光生电子-空穴对在零电场区里产生PIN的缺点：①由于耗尽区加宽接近吸收区，反向偏压又不能很高，使载流子的漂移时间拉长，影响响应速度的进一步提高。②光生电流微弱，必须进行多次放大，不可避免引入放大器噪声，从而使接收机信噪比降低。APD光电二极管（Avalanchephotodiode）设计思想：改进PIN管，使光生电流在其内部进行放大。实现方法：增加附加层，应用光生载流子在耗尽层内高电场作用下的高速碰撞电离效应而获得光生电流的雪崩倍增。目的：使信号功率增加，又在一定范围减小了噪声功率的增加。APD的雪崩效应APD的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了能量；越过禁带到导带，产生了新的电子—空穴对；新产生的电子—空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子—空穴对……如此循环下去，形成雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增。APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。APD的结构目前APD结构型式，有保护环型和拉通（又称通达）型。保护环型在制作时淀积一层环形N型材料，以防止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。拉通型雪崩光电二极管（RAPD）的结构示意图和电场分布如下图所示。图（a）所示的是纵向剖面的结构示意图。图（b）所示的是将纵向剖面顺时针转90°的示意图。图（c）所示的是它的电场强度随位置变化的分布图。APD随使用的材料不同有几种：Si-APD（工作在短波长区）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在长波长区）等。图RAPD的结构图和能带示意图PIN光电检测器的特性响应波长响应度量子效率响应速度噪声特性响应波长波长响应范围：光检测器只可以对一定波长范围的光信号进行有效的光电转换上限波长：即截止波长下限波长：当波长很短时，材料的吸收系数很大。光在半导体材料表层即被吸收殆尽。在表层产生的光生载流子要扩散到耗尽层才能产生光生电流，而在表层为零电场扩散区，扩散速度很慢，在光生载流子还没有到达耗尽层时就大量被复合掉了，使得光电转换效率在波长很短时大大下降。材料的吸收系数随波长的变化半导体的吸收作用随波长减小而迅速增强总结检测某波长的光时要选择适当材料的光检测器。材料的带隙决定的截止波长要大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。Si—PIN光电二极管的波长响应范围为0.5～1mm，Ge—PIN和InGaAs—PIN光电二极管的波长响应范围约为1—1.7mrn。响应度描述光检测器能量转换效率的一个参量Pin为入射到光电二极管上的光功率，Ip为所产生的光电流。它的单位为A/W。inpPIR量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比。ehfRhfPeIinP//入射光子数子空穴对数光电转换产生的有效电241.lhfeR响应速度用响应时间（上升时间和下降时间）来表示tt光脉冲检波输出RLhnhnRLRsRACACd输出输出影响响应速度的主要因素完整的响应过程：从输入光信号开始到转换成的电信号被检测1）载流子漂移通过耗尽区的渡越时间：与电场强度有关，电场强度较低时，漂移速度正比与电场强度，当电场强度达到某一值后，漂移速度不再变化。2）耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟3）检测器和它的负载的RC时间常数：对检测器来说，就要尽可能降低结电容噪声特性包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声以及负载电阻的热噪声。除负载电阻的热噪声以外，其它都为散弹噪声。散弹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。量子噪声是由于光电子产生和收集的统计特性造成的，与平均光电流Ip成正比。来自噪声电流的均方值可表示为暗电流噪声是当没有入射光时流过器件偏置电路的电流，它是由于PN结内热效应产生的电子空穴对形成的，是PIN的主要噪声源。暗电流的均方值可表示为feIidd22feIips22表面漏电流是由于器件表面物理特性的不完善，如表面缺陷、不清洁、表面积大小和加有偏置电压而引起的。漏电流的均方值可表示为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，造成电阻的热噪声。均方热噪声电流为feIiLL22RfkTiT42APD光电检测器的特性也包括波长响应范围、量子效率、响应度、响应速度等。除此之外，由于APD中存在雪崩倍增效应，APD的特性还包括雪崩倍增特性、倍增噪声、温度特性等。倍增因子g：APD输出光电流Io和一次光生电流Ip的比值。随反向偏压、波长和温度而变化。现在g值已达到几十甚至上百。poIIg噪声特性：除了量子噪声、暗电流、漏电流噪声之外，还有附加的倍增噪声。①雪崩倍增效应不仅对信号电流有放大作用，而且对噪声电流也有放大作用。②雪崩效应产生的载流子也是随机的，会引入新的噪声成分。附加噪声因子F=gx描述雪崩效应的随机性能够引起的噪声增加的倍数。x：附加噪声指数，Si：x=0.3~0.5；Ge：x=0.6~1.0；InGaAsP：x=0.5~0.7。APD中表面漏电流不被倍增，热噪声与PIN的特性相同。量子噪声为暗电流噪声为FfgeIips222FfgeIidd222温度特性：当温度变化时，原子的热运动状态发生变化，从而引起电子、空穴电离系数的变化，使得APD的增益也随温度而变化。随着温度的升高，倍增增益下降。为保持稳定的增益，需要在温度变化的情况下进行温度补偿。数字光接收机光检测器前置放大器主放大器均衡器判决器光信号再生码流AGC电路时钟提取前置放大器、主放大器前置放大器是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型。主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。均衡、判决、再生均衡的目的是对经光纤传输、光／电转换和放大后已产生畸变（失真）的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决（一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形），以消除码间干扰，减小误码率。再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。数字光接收机的噪声源影响接收机灵敏度的主要因素是信号检测和放大系统中的各种噪声。各种噪声可分为散弹噪声和热噪声两大类。散弹噪声包括光检测器的量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD的倍增噪声；热噪声包括负载电阻上的热噪声和放大电路中产生的噪声。方值形式类似于PIN噪声特性中的各种表示。光检测器放大器偏置电阻入射光子●量子噪声●暗电流噪声●漏电流噪声●APD倍增噪声●热噪声●放大器噪声~isidCPNRLiLCsiaRaCaea光检偏置前置主放均衡滤波测器电路放大器大器器器A1A2EF输出数字光接收机的噪声特性的分析方法噪声是一种随机过程，应采取随机过程的分析方法。用概率密度和概率分布函数来表示随机过程的统计特性。接收机可以等效为叠加有噪声的理想电路。根据输入（包括噪声）利用各部分的响应函数就可以获得系统的输出，获得系统输出由于各种噪声影响的统计平均特性。确定系统的噪声特性后，就可以进行灵敏度的计算。前置放大器由于前置放大器的噪声特性是影响光接收机的灵敏度的主要因素之一，所以前置放大器必须有良好的噪声特性，同时还必须考虑带宽特性。有三类前置放大器电路，即低阻抗前置放大器电路、高阻抗前置放大器电路和互阻抗前置放大器电路。低阻抗前置放大器高阻抗前置放大器互阻抗前置放大器数字光接收机的灵敏度灵敏度是指在给定误码率条件下，能够检测到的最小信号光功率，通常用dBm表示。表示接收机检测微弱信号的能力。是光接收机最重要的性能指标。影响光接收机的灵敏度的主要因素是光检测器和前置放大器的噪声特性。根据要达到的误码率，利用噪声特性，确定入射光功率，从而确定灵敏度。)()(lg)(mWmWPdBmP110动态范围实际中，光接收机的输入光脉冲信号的功率由于中继距离的不同、线路衰减随温度的变化及发送光功率的变化等会发生不同程度的变化。光接收机要保证可以在不同输入条件下都可以正常工作光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最低输入光功率（dBm）和最大允许输入光功率（dBm）之差（dB）。即minmaxlg)(PPdBD10由于噪声的存在，使接收机可能出现误码，将“1”码误判为“0”码、“0”码误判为“1”码。“0”码误判为“1”码的概率为“1”码误判为“0”码的概率为总误码率BER为f0(x)、f1(x)：“1”码、“0”码取值的概率密度P(0)、P(1)：码流中“0”、“1”码出现的概率D：判决电平DdxxfE)(001DdxxfE)(110100110EPEPBER)()(光接收机的误码率“0”码“1”码f1(x)f0(x)E01E10V0DV1V自动增益控制（AGC）接收机放大器输出的信号，还需要经过定时再生处理，要求光接收机在不同的输入光功率信号下，经过放大器自动增益控制，使输出信号幅度恒定不变，即大的光信号功率输入时，减小其放大器的增益，反之增大放大的增益，使输出达到恒定，以利于后续电路的处理。