光纤通信第03章概要

第三章光接收机3.1光接收机简介3.2光电检测器3.3放大电路及其噪声3.4光接收机灵敏度的计算3.5光接收机的组成模块3.1光接收机简介3.1.1光接收机的组成光接收机分为直接检测接收机和相干检测接收机直接检测接收机分为模拟和数字光接收机两种数字光接收机框图输入电脉冲激光发送机光脉冲衰减和畸变的光脉冲光纤Pin或雪崩光电二极管包含光检测器噪声的电流脉冲放大器和滤波器电压脉冲和放大器噪声判决电路和脉冲再生器再生的输出电压脉冲信号处理设备3.1.2光接收机的性能指标光接收机主要的性能指标是误码率（BER）、灵敏度以及动态范围。误码率是码元被错误判决的概率，可以用在一定的时间间隔内，发生差错的码元数和在这个时间间隔内传输的总码元数之比来表示。接收机灵敏度的定义为：在满足给定能的误码率指标条件下，最低接收的平均光功率Pmin。在工程上常用dBm来表示，即min10-310lg10rPS3.1.2光接收机的性能指标接收机的最低输出光功率（用dBm来描述）和最大允许输入光功率（用dBm来描述）之差（dB）就是光接收的动态范围Pmax和Pmin为保证系统误码率指标条件下，接收机允许的最大接收光功率和最小接收光功率。maxmin10lg(dB)PDP3.2光电检测器光纤通信中对光电检测器最重要的几点要求如下：在所用光源的波长范围内有较高的响应度；较小的噪声；响应速度快；对温度变化不敏感；与光纤尺寸匹配；工作寿命长3.2.1PN结的光电效应在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应。加反向偏压后光电二极管及其能带结构3.2.2PIN光电二极管1．原理与结构PIN光电二极管的原理和结构2．光电二极管的波长响应（光谱特性）（1）上截止波长光电效应必须满足条件hv＞Eg或＜c是真空中的光速，是入射光的波长，h是普朗克常量ghcE即入射光的波长必须小于某个临界值，才会发生光电效应，这个临界值就叫做上截止波长，定义为（2）响应波长的下限设x=0时，光功率为p(0)，材料吸收系数为经过x距离后吸收的光功率可以表示为gg1.24chcEE≈()0expxp13．光电转换效率常用量子效率和响应度衡量光电转换效率当入射功率为P0时，光生电流可以表示为w1是零电场的表面层的厚度，w是耗尽区的厚度量子效率表示入射光子能够转换成光电流的概率0011exp1exppeIrpwwh0101exp1-exppI/eη=-r-αw-αwp/hν要提高量子效率，可采取如下措施：①尽量减小光子在表面层的反射率，增加入射到光电二极管中的光子数；②尽量减小中性区的厚度，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区被充分地吸收光电转换效率也可以直接用光生电流Ip和入射光功率p0的比值来表示,称其为响应度00pIeRph0101exp1-exppI/eη=-r-αw-αwp/hν4．响应速度响应速度常用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。影响响应速度的主要因素有3点（1）光电二极管和它的负载电阻的RC时间常数结电容与耗尽区的宽度w及结区面积A有关dAC=w（2）载流子在耗尽区里的渡越时间下图为漂移速度与电场强度关系若想使载流子能以极限漂移速度渡越耗尽区，反向偏压须满足V＞EsW（3）耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟5．光电二极管的暗电流暗电流是指无光照时光电二极管的反向电流。3.2.3雪崩光电二极管1．工作原理APD载流子雪崩式倍增示意图（只画出电子）2．APD的平均雪崩增益平均雪崩增益的定义为IM是雪崩增益后输出电流的平均值；Ip是未倍增时的初始光生电流MpIGI光电二极管输出电流和反向偏压的关系平均雪崩增益也用一较简单的式子表示为SB11/mGVIRV3．APD的结构光纤通信在0.85m波段常用的APD有拉通型（RAPD）和保护环型（GAPD）两种另一种在长波长波段使用的APD的结构称为SAM（SeperatedAbsorptionandMultiplexing）结构4．APD的过剩噪声APD的过剩噪声系数为在工程上，为简化计算，常用过剩噪声指数来表示过剩噪声系数，即2222ggFGGgxFGG≈3.3放大电路及其噪声放大器输入端的噪声源放大器噪声包括电阻热噪声及有源器件的噪声，其概率密度函数可以表示为高斯函数对随机噪声，m=0：221exp22xmfx221exp22xfx3.3.3场效应管和双极晶体管的噪声源1．场效应管的噪声源场效应管的主要噪声源有两个:栅漏电流的散粒噪声沟道热噪声（1）散粒噪声散粒噪声其功率谱密度为e0为电子电荷，C，Igate是场效应管的栅漏电流（2）沟道热噪声功率谱密度为gm是场效应管的跨导；是器件的数值系数，对SiFET，；对GaAsFET，（3）输出瑞的总噪声功率当Rb足够大时，上式中的第一项可以忽略，因此得到0gateISeI1901.610eoutd2dmikKgf0.71.1≈22222tna0gate2bb221d2d22TTmmCkKkKkKveIZZRggR2tnamCvg2．双极晶体管的噪声源（1）散粒噪声功率谱密度为Ib是晶体管的基极工作电流（2）基区电阻的热噪声基区电阻的热噪声在输入端作为串联电压噪声源，谱密度为2a1b'bd2dekKrf2a0bddieIf（3）分配噪声功率谱密度为将集电极回路里的噪声源等效到输入端，可等效为一个串联电压噪声源，功率谱密度为对双极晶体管，有下列关系存在双极晶体管放大器输出端的总噪声功率为2c0cddieIf222a20c20cddmeeIkKfeIg0cmeIgkK2na0bbd2T2kKveIZR2222b'bds2bd22T1kKrZCCR22222t20ctd2TkK1ZCeIR3.4光接收机灵敏度的计算灵敏度计算的一般方法0码被误判为1码的概率：1()vvnt010()DEfxdx1码被误判为0码的概率：101()DEfxdx总误码率BER：0110(0)(1)BERPEPE1.灵敏度的精确计算总噪声包括放大器的热噪声和光电检测器的噪声。放大器噪声的概率密度：光电检测器的噪声概率密度：总噪声Z=X+Y的概率密度：()XXfx()YYfy()()()ZXYfzfxfy0110(0)(1)BERPEPE2．接收机灵敏度的高斯近似计算高斯近似，即假设APD光电检测过程的概率密度函数也是高斯函数。在高斯近似下，放大器和均衡滤波器输出端的总噪声的概率密度函数依然是高斯函数，其方差为两噪声方差之和对0码对1码22200nznand22211nznand当判决电平为D时，“0”码误判为“1”码的概率为令，对上式进行变量交换同样“1”码误判为“0”码的概率为令，上式变换成20012001expd22DvvEv00vvx2002011ed2xDvEx21102111expd22DvvEv11vvx2112101ed2xvDEx如果接收的随机脉冲序列中“1”码出现的概率等于“0”码出现的概率，总误码率为为使总误码率达到最小，一般令E01=E10只需使Q值和误码率的关系01101122BEREE0101DvvDQ221ed2xQBERx3．影响光接收机灵敏度的主要因素（1）灵敏度与放大器噪声的关系bmax与z的关系（PIN光电二极管作检测器）（APD作检测器，工作在最佳雪崩增益）放大器噪声的大小与最佳雪崩增益有关1/2maxbz22maxxxbz（2）接收机灵敏度与比特速率的关系对比特速率较高的系统，接收机灵敏度与比特速率的关系为：当用PIN光电二极管作检测器时，比特率增加倍频程，灵敏度大约下降4.5dB；当用APD作检测器（设x≈0.5），且工作在最佳雪崩增益时，比特率增加倍频程，灵敏度大约下降3.5dB。（3）灵敏度与输入波形的关系输入脉冲时，放大器的噪声最小，灵敏度最高；发送RZ码时接收机的灵敏度比NRZ码要高。（4）消光比对灵敏度的影响消光比引起的灵敏度的恶化量残余光使消光比不为零lt（5）激光器和光纤系统的噪声对灵敏度的影响激光器和光纤系统的噪声主要有以下几种激光器的量子噪声模式分配噪声模式噪声反射噪声眼图“眼图”上可以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。眼图的“眼睛”张开的大小反映着码间串扰的强弱。“眼睛”张的越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。眼图对于展示数字信号传输系统的性能提供了很多有用的信息：可以从中看出码间串扰的大小和噪声的强弱，有助于直观地了解码间串扰和噪声的影响，评价一个基带系统的性能优劣；可以指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰。小结光接收机的组成和工作原理光电检测器（光电二极管、APD）性能指标：量子效率、响应速度、暗电流噪声分析和光接收机灵敏度噪声处理光电二极管、APD噪声灵敏度高斯近似分析作业：P.1364、5