光接收机的类型

直接检测：IM-DD光接收机
平衡接收机

相干检测
相干接收机
IM-DD数字光接收机原理框图
数据恢复
光信号 光检测器
前置放大器
主放大器 均衡器 判决器
再生码流
译码器
偏压控制
AGC 电路
时钟 提取
接收机前 端
线性通道
1.光接收机的性能指标
1) 误码率
Ne Ne BER Nt Bt
第 3 章 光接收机
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 光接收机简介 光电检测器 放大电路及其噪声 光接收机的灵敏度 光接收机的组成模块 相干检测光接收机简介
驱动电路
中继器
光电二 极管 光纤 放大器
调制器
光源
光纤
判决器
光接收机 光接收机是光纤通信系统的重要组成 部分，其作用是将光信号转换回电信 号，恢复光载波所携带的原信号。
工作原理
光电效应+碰撞电 离、雪崩倍增效 应。
初始电子空穴对 二次电子空穴对
工作原理和倍增过程
1、根据光电效应，当光入射到PN结时， 光子被吸收而产 生电子 - 空穴对。 2、如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子(一次电
子)在高电场区获得足够能量而加速运动。
3、高速运动的电子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子电离，产生
其中B＝1/Tb 比特速率
例如：误码率为10-9,代表平均每发送十亿个脉冲有一个误码出现。
光纤电信系统典型误码率范围是10-9到10-12
2）灵敏度
灵敏度Sr:在满足误码率或信噪比的条件下，光接收机最低接
收的平均光功率〈P〉min，并以dBm为单位。由定义得到
Pmin S r 10 lg 3 dBm 10
响应度随波长增加而增大，（光子能量低于带隙能量时，
公式失效）原因？
P out P in exp( w)
P =P （ ） in P out =P in 1 exp( w) 吸收
p吸收 = (1-r)p0exp(- w1 )1 exp( w)

p吸收 P0 =(1-r)exp(- w1 )1 exp( w)
hc / Eg
hc 1.24 = （ m） Eg Eg (eV )
0.5 1.0 m 1.0 1.6 m
当入射波长太短时，大量光子在 零场区被吸收，光电转换效率会 下降。 Si材料的PD：0.5-1.0 m
Ge 或InGaAs材料：1.1-1.6 m
3）响应速度

常用上升、下降时间表示。
3.4 光接收机的灵敏度
灵敏度Sr: 在满足误码率或信噪比的条件下，光接 收机最低接收的平均光功率〈P〉min ，并以 dBm为单位。由 定义得到
Pmin S r 10 lg 3 dBm 10
灵敏度的影响因素
1）检测器和放大器噪声的影响 2）比特速率的影响
pmin T pmin T
1 1
（2）
exp(- w1 )1 exp( w)
提高量子效率需要采取以下措施：
减小入射表面的反射率 增加耗尽区宽度, 减小零电场区的厚度（采用PIN结构）
不同材料光电二极管的响应度曲线
e0 h
2）响应波长
光电效应满足条件：
hv Eg
即
截止波长： c = 响应波长：Si: Ge , InGaAs:
影响因素： 光电二极管结电容及其负载电阻的RC时间常数 载流子在耗尽区里的渡越时间

耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟
4）暗电流
无光照时光电二极管的反向电流--暗电流噪声
3.2.3 雪崩光电二极管
1、结构 在n与I之间加一个轻掺杂的P， 且两端外加反向偏压 （200V左右）
2、工作原理
灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光 信号的能力。
3）光接收机的动态范围
在保证系统的误码率指标要求下，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）。 Pmax 3 Pmax Pmax Pmin 10 D 10lg 3 10lg 3 10lg 10lg (dB) Pmin 10 10 Pmin 103
光 抗反射膜 P＋
电极
(n)
N＋ E 电极
2、工作原理 如果断开电路？ 则不会有电流 只有电势
当光从P区一侧入射，则光能量在被吸收的同时仍继续 向 N区一侧延伸吸收，在经过耗尽层时，由于吸收光子能量， 电子从价带被激励到导带而产生电子空穴对（即光生载流 子），并且在耗尽层空间电场作用下，分别向N型区和P型区 相互逆方向作漂移运动，并在外部电路形成光电流。
2) 信号预处理
3）锁相环路
3） 声表面波滤波器
2 (0 ) V 0
L
G与反向电压有关：
存在雪崩击穿电压
G
1 1 V IRS / VB
m
3） APD的结构
(1)Si-APD结构 拉通型RAPD 保护环型（GAPD）
4）APD的倍增噪声
F (G) G
过剩噪声指数x；
x
F (G)
； APD过剩噪声系数
APD放大噪声比放大信号多10倍
工作原理----受激吸收 入射光子能量满足 hv E 时 g
产生电子 --空穴对 电场的作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动
电子到N区，空穴到P区，外电路吸收，形成光生电流
3.2.2 PIN型光电二极管
1、结构 I层：接近本征的N区 P层： P型半导体 N层： N型半导体
I层作用：增加了耗尽层宽度。提高响应速度、光电 转换效率。
3、PIN光电二极管主要特性参数
1）光电转换效率
量子效率η：
光生电子对 空穴对 I P / e0 I P h 入射光子数 P0 / h P0 e0
响应度R： 一次光生电流IP和入射光功率P0的比值
I P e0 R ( A / W ) P0 h
I P ( m) R P0 1.24
பைடு நூலகம்
第三章
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
光接收机
光接收机简介 光电检测器 放大电路及其噪声 光接收机的灵敏度 光接收机的组成模块 相干检测光接收机简介
光纤通信 第3章
光电检测器
1. 光电二极管（PD） 2. 雪崩光电二极管(APD)
光电二极管（PD）
PN结反向偏压----形成耗尽层

3 2
PIN:4.5dB/比特率倍程 APD:3.5dB/比特率倍程

7 6
APD比PIN改善灵敏度 5-10dB
3）输入波形的影响 发送RZ比NRZ时接收机灵敏度高 4）消光比的影响
3.5 光接收机的组成模块
3.5.1 码间干扰问题与均衡滤波电路 3.5.2 接收机的动态范围和自动增益控制电路 3.5.3 再生电路
例题

w1 =1 m 假设只有在耗尽层 一个PIN光电二极管， 吸收的光子才能转换成光电流，忽略反射损耗，当
=0.9m, 5 104m1

求：（1）最大量子效率 （2） 到80%，耗尽层厚度最小为多少？
（1）

p吸收 P0
=(1-r)exp(- w1 )1 exp( w)


放大器的噪声主要来源于放大器内部的电阻和 有源器件。 前置放大器的噪声是放大器的主要噪声。
前置放大器的种类： 1、高阻型（主要考虑噪声性能） 2、低阻型（主要考虑频带要求） 3、跨阻型(互阻型)
第三章
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
光接收机
光接收机简介 光电检测器 放大电路及其噪声 光接收机的灵敏度 光接收机的组成模块 相干检测光接收机简介
APD放大噪声比放大信号多100倍
5）增益与温度、偏压的关系
APD偏压与增益的关系
保护环型APD温度与增益的关系
第三章
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
光接收机
光接收机简介 光电检测器 放大电路及其噪声 光接收机的灵敏度 光接收机的组成模块 相干检测光接收机简介
3.3放大电路及其噪声
k 1 K
3）眼图分析法
3.5.2 接收机的动态范围和自动增益控制电路
1. 接收机动态范围
Dmax 10 log
g opt g min
1 Da 2
实现Da: AGC电路 使用限幅放大器
3.5.3 再生电路
1）再生电路的组成： 判决电路：带有选通输入的比较器 时钟提取电路：锁相环 滤波器 信号的预处理：原因:需要将NRZ转换成RZ 方法：微分整流
3.5.1 码间干扰问题与均衡滤波电路
2） 均衡网络
对均衡网络的要求
S() • Hof() • Ham() • Heq() = A () Heq()=A() / [S() • Hof() • Ham() ]
升余弦频谱
时域补偿器——自适应均衡器
VDFE Vi d k ak
新的电子 - 空穴对。
4、新产生的二次电子再次和原子碰撞。 如此多次碰撞，产生 连锁反应，致使载流子雪崩式倍增。
2） APD的工作特性
（a) APD的平均雪崩增益和雪崩击穿电压 IM G 平均雪崩增益定义为: Ip
式中Ip为一次光电流，Im为倍增后输出电流的平均值。由于 倍增过程是随机产生的，因此雪崩倍增效应具有统计的特征， 故倍增效应应取统计平均值。