最新《光纤通信》第三章光接收机
光纤通信第三章
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 E g
即 hc/Eg
截止波长：
c=Ehcg
= 1.24（m）
Eg(eV)
响应波长：Si:
0.51.0m
Ge , InGaAs: 1.01.6m
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。
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 入 电 射 子 光 对 子 空 数 穴 对 P I0 P //h e0I P P 0h e0
响应度R： 一次光生电流IP和入射光功率P0的比值
RIP e0(A/W) P0 h
R IP (m)
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
Sr 10lg1P0min3 dBm
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
p T 3 2 min
p T 7 6 min
I层作用：增加了耗尽层宽度。提高响应速度、光电 转换效率。
光 抗反射膜
电极
P＋
(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。
ห้องสมุดไป่ตู้
光纤通信原理第三章3 光接收机灵敏度
v0 :"0" 码时输出电压的均值; v1 :"1" 码时输出电压的均值; D : 判决电平; f 0 ( x) :"0" 码时输出电压的概率密度 f1 ( x) :"1" 码时输出电压的概率密度
“0”码误判为“1”码的概率：
E01 =
“1”码误判为“0”码的概率：
E10 =
总误码率 BER
BER = P(0)E01 + P(1)E10
BER = P(0)E01 + P(1)E10
一般线路编码：P(0)=P(1) 则：
1 BER = ( E01 + E10 )
2
3.判决电平与灵敏度的计算
为使误码率最小
E01 = E10
D - V0 = V1 - D = Q
0
1
BER =
误码率和Q的对应关系
灵敏度的计算：
1. 从要求达到的误码率→Q值；
2. 计算出 0 和 1 → V0和V1;
3. 由光电检测器的响应度和放大器的传递 函数求出输入端“1”和“0”码时接收光功 率；
4. 求出平均光功率。
P(0)和P(1)分别表示码流中“０”码和“１”码出现的概
放大器的噪声是高斯分布的白噪声； 光电变换是泊松分布的随机过程； 雪崩倍增过程则是一个非常复杂的 随机过程。
1.高斯近似假设
放大器的噪声是概率密度函数为高斯函 数的白噪声
f ( x) =
v : 均值;
2: 放大器输出端的总噪声功率
2 =
2
Vna
简化计算： PIN 和APD近似为高斯分布
的随机过程
放大器噪声与检测器噪声之和的概率 密度函数仍为高斯函数
光纤通信ppt概要
2 1 Rt2
2Ct2
d 2
Rt Rb // Ra ； Ct Cd Cs Ca ；ZT 是放大器、均衡滤
波器的传递函数，它表示输入电流与输出电压之间的传
递关系，实为转移阻抗
可以看出：①偏置电阻Rb越大，电阻的热噪声越小；② 输入电阻Rt越大、输入电容Ct越小，串联电压噪声源对 总噪声的影响越小
4．APD的过剩噪声
APD的过剩噪声系数为
g2
g2
F G
g2
G2
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
F G≈Gx
3.3 放大电路及其噪声
3.3.1 噪声的数学处理
1．噪声的统计性质
对噪声的分析应采用随机过程的分析方法 电阻内部微观粒子的热骚动是一个随机过 程
对于随机噪声XN来说，落在x1和x1+dx1之 间的概率是
2kK gm
gSmi 是FE场T，效应管0.7的；跨对导G；aA是s F器ET件，的 ≈数值1.系1 数，对
（3）输出瑞的总噪声功率
当得vn2aR到b足2RkbK够 e大0Igate时 2，kgKm上vRn1b式a2 中 C的gZtmT2第 一2 d2项 2可kgKm以 C2忽t2 略 ，Z T 因 此2 2d
3.3.3 场效应管和双极晶体管
的噪声源
1．输入端的等效电路及噪声源
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 SI e0Igate e漏0为电电流子电荷，e0 1.61019C，Igate是场效应管的栅
（2）沟道热噪声 功率谱密度为
d iout df
3.2.1
PN 结 的 光
光接收机的结构及原理
光接收机的结构及原理光接收机是一种用于接收光信号并转换为电信号的设备。
它在光通信系统中起着至关重要的作用。
本文将详细介绍光接收机的结构和原理，以匡助读者更好地理解该设备的工作原理和性能。
一、光接收机的结构光接收机通常由以下几个主要组成部份构成：1. 光探测器：光探测器是光接收机的核心部件，用于将光信号转换为电信号。
常见的光探测器包括光电二极管（Photodiode）和光电导（Phototransistor）等。
光电二极管是一种半导体器件，当光照射到其PN结时，会产生电流。
光电导是一种具有放大功能的光电二极管，它可以将光信号转换为电流信号，并通过放大电路放大电流信号。
2. 光电转换电路：光电转换电路用于将光电二极管或者光电导输出的微弱电流信号转换为电压信号，并进行放大。
光电转换电路通常包括前置放大电路、滤波电路和放大器等。
前置放大电路用于提高光电二极管或者光电导的灵敏度，滤波电路用于滤除噪声和杂散信号，放大器用于放大电流信号，以便进一步处理和解析。
3. 接收电路：接收电路用于对光电转换电路输出的电压信号进行解码和处理。
它通常包括解调电路、解码电路和信号处理电路等。
解调电路用于将调制的光信号解调为基带信号，解码电路用于将基带信号解码为原始数据信号，信号处理电路用于对原始数据信号进行滤波、放大和整形等处理，以便进一步应用和分析。
4. 光纤连接器：光纤连接器用于将光接收机与光纤连接起来，以实现光信号的传输。
常见的光纤连接器有FC、SC、LC等不同类型，它们具有低插损、高耐用性和良好的光学性能，能够确保光信号的高质量传输。
二、光接收机的工作原理光接收机的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：1. 光信号接收：光接收机首先接收来自光纤的光信号。
光信号通过光纤传输到光接收机的光探测器。
2. 光电转换：光探测器将接收到的光信号转换为电信号。
光电二极管或者光电导在光照射下产生电流，电流的大小与光信号的强度成正比。
3. 电信号放大：光电转换电路对光电二极管或者光电导输出的微弱电流信号进行放大。
光接收机的结构和原理
光接收机的结构和原理光接收器，又称为光电探测器或光检测器，是光通信系统中重要的组成部分。
它用于将光信号转换为电信号，并在接收端进行信号放大和处理。
光接收器的结构和原理决定了其灵敏度、速度和可靠性等特性。
在典型的光接收器中，可以找到以下几个主要组成部分：1.光电转换器：光电转换器通常由光电二极管、光电效应材料或光伏电池等组成。
它的作用是将光信号转换为电荷或电压。
2.前放器：前放器用于放大光电转换器输出的电信号。
它通常由放大器、滤波器和电源等组成。
前放器的作用是增强信号强度，并提高信号噪声比。
3.可调增益控制器：可调增益控制器用于控制信号放大倍数。
光接收器通常需要调整增益来适应不同的光信号强度。
可调增益控制器允许用户根据需要调整放大倍数。
4.信号处理电路：信号处理电路用于对接收到的光信号进行处理。
它通常包括滤波器、放大器、时钟恢复电路和调制解调器等。
信号处理电路的作用是提取和解码光信号中的信息。
5.输出接口：输出接口用于将处理后的电信号传递给下游设备或系统。
它通常包括电缆连接器、光纤连接器和电路板连接器等。
光接收器的原理基于光电效应，即光照射到特定材料上时会产生电流或电荷。
光接收器的工作流程如下：1.光信号输入：光信号通过光纤或其他光路输入到光接收器中。
2.光电转换：光信号照射到光电转换器上，激发光电效应材料中的电子。
这些激发的电子会产生电流或电荷，并通过引出线路传输出来。
3.信号放大：经过光电转换的信号被传输到前放器中。
前放器对信号进行放大和滤波，以增强信号强度并减小背景噪声。
4.增益控制：可调增益控制器调整信号的放大倍数。
这是为了适应不同的信号强度，避免信号过载或衰减。
5.信号处理：信号处理电路对信号进行进一步的处理，如滤波和解调。
滤波器可以去除噪声和杂散信号，解调器可以提取和恢复光信号中的编码信息。
6.输出信号：经过处理的信号通过输出接口传输给下游设备或系统，进行后续的数据处理或应用。
光接收器的性能由其结构和原理决定。
光纤通信_实验3实验报告接收机灵敏度和动态范围测量实验
课程名称：光纤通信实验名称：实验3 接收机灵敏度和动态范围测量实验姓名：班级：学号：实验时间：指导教师：得分：一、实验目的1、了解和掌握光收端机灵敏度的指标要求和测试方法。
2、掌握误码仪的使用方法。
二、实验器材主控&信号源模块25 号光收发模块23 号光功率计 & 误码仪模块三、实验原理光接收机的性能指标主要包括灵敏度和动态范围。
（1）灵敏度灵敏度是光端机的重要特性指标之一，它表示了光接收机接收微弱信号的能力，是系统设计的重要依据。
光接收机灵敏度的定义是：在给定误码率或信噪比条件下，光接收机所能接收的最小平均光功率。
在测灵敏度时应注意 3 点：1、在测量光接收机灵敏度时，首先要确定系统所要求的误码率指标。
对不同长度和不同应用的光纤数字通信系统，其误码率指标是不一样的。
例如，在短距离光纤数字通信系统中，要求误码率一般为，而在 420km 数字段中，则要求每个中继器的误码率为。
对同一个光接收机来说，当要求的误码率指标不同时，其接收机的灵敏度也就不同。
要求误码率越小，则灵敏度就越低，即要求接收的光功率就越大。
因此，必须明确，对某一接收机来说，灵敏度不是一个固定不变的值，它与误码率的要求有关。
测量时，首先要确定系统设计要求的误码率，然后再测该误码率条件下的光接收机灵敏度的数值。
2、要注意光接收机灵敏度定义中的光功率是指最小平均光功率，而不是指任何一个在达到系统要求的误码率时所对应的光功率。
因此，要特别注意“最小”的概念。
所谓“最小”，就是指当接收的光功率只要小于此值，误码率立即增加而达不到要求。
应该指出，对某一接收机来说，光功率只要在它的动态范围内变化，都能保证系统要求的误码率。
但灵敏度只有一个，即接收机所能接收的最小光功率。
3、灵敏度指的是平均光功率，而不是光脉冲的峰值功率。
这样，光接收机的灵敏度就与传输信号的码型有关。
码型不同，占空比不同，平均光功率也不同，即灵敏度不同。
在光纤数字传输系统中常用的 2 种码型 NRZ 码和 RZ 码的占空比分别为100%和 50%。
2013光纤通信第3章_光接收机(东北电力大学)
e P m, t0 , t0 L m!
2．雪崩倍增过程的统计性质
假设整个雪崩过程进行的相当快，每一初始的 “电子—空穴”对倍增出随机数为gl的二次“电 子—空穴”对（包括初始“电子—空穴”对本 身），可以得出gl = n的概率为
2
d 2kKrb'b 2
ZT
2
1 2 d 2 2 Cd Cs Rb 2
ZT
1 2 2 d 2 Ct Rt 2
3.3.4 前置放大器的设计
1．低阻型前置放大器
这种前置放大器从频带的要求出发选择偏置电阻， 1 使之满足 Rt≤ 的要求。BW为码速率所要求 2BW Ct 的放大器的带宽
Ip
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
Cd =
A
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
时间间隔里，可以
1 x t dt T 2
T 2
1 lim F x , T T 2T
2
d
左边表示平均功率，而
1 S x lim F x , T T 2T
2
就是此函数的双边平均功率谐密度，简称功率谱 密度，它表示1 Hz频带上平均功率的大小。所谓 “双边”，是指对的正负频域都有意义
d ea22 df e0 I c k 2 K 2 2 gm e0 I c
光接收机的结构及原理(精)
光接收机的结构及原理一、光接收机的概述光接收机（Optical Receiver）是指把光信号转换成电信号的装置，常用于光纤通信等场合。
光接收机又称为光检测器，光探测器（photo-detector）或光电转换器（Optical-to-Electrical Converter，OEC）。
光接收机必须能够快速、准确地将光信号转换为相应的电信号，而且要具备良好的稳定性和抗干扰能力。
二、光接收机的结构光接收机通常由以下五个部分组成：•光纤接收头•光电转换器•前置放大器•滤波器•后置放大器2.1 光纤接收头光纤接收头是光接收机的入口部分，主要功能是把光纤中传输的光信号转换成电信号，进一步进行处理。
光纤接收头由透镜、滤波器、光电转换器等部分组成，一般都是具有高精度、高质量、高稳定性的组件。
2.2 光电转换器光电转换器是光接收机的核心组件，它是将光信号转换成电信号的装置。
光电转换器通常采用半导体材料，如硅、锗、InGaAs等材料制造而成。
光电转换器有两个电极，当光照射在光电转换器上时，产生光电效应，使电子加速并跃迁，进而导致电流的流动，从而将光信号转换成电信号。
2.3 前置放大器前置放大器是光接收机的信号前置放大器，主要功能是将弱电信号进行放大，增强信号的强度，减少噪声对信号的影响。
前置放大器一般采用低噪声放大器，能提高信噪比，保证信号的传输质量。
2.4 滤波器滤波器是光接收机中的重要组成部分，主要通过选择特定的频率范围内的电信号，剔除掉干扰信号，使得输出信号更加纯净。
滤波器的种类有很多，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
根据需要选择不同的滤波器，进行信号的处理和滤波。
2.5 后置放大器后置放大器是光接收机的信号后置放大器，主要作用是对放大信号进行进一步的增强，以达到输出信号的高质量、高精度和高效率。
三、光接收机的原理光接收机的原理是光电转换技术，即把光信号转换为电信号。
它的基本原理是：在光电转换器中，光束在达到光电转换器表面后，被半导体吸收产生电子-空穴对，使电子加速并跃迁，进而导致电流的流动，从而将光信号转换成电信号。
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10-5
10-6
给定 10-7 BER 10-8
10-9 10-10
动态范围D
-32 -30 -28
-12
接收灵敏度Pmin
≈
P(dBm)
-10 -8 -6
过载功率Pmax
§3.4 光接收机的均衡网络
升余弦形频谱
在光纤通信系统中，常设计均衡网络使 输出波形具有升余弦形频谱。
□频谱
1
0 <(1-)/Ts
《光纤通信》第三章光接收机
光接收机框图
探
测 光器 信
号
前置 放大器
主放 大器
均衡器
AGC 电路
判决器 译码器
时钟 提取
探测器： 实现光电变换。 前放： 实现低噪声放大。 主放： 提供足够的增益，且增益受AGC电路的控制。 均衡器： 保证判决时不存在码间干扰。 判决器、时钟提取：对信号进行再生。 AGC电路：改变接收机的增益，扩大接收机的动态范围。
□对于APD Pmin18EXT(%) (dB)
例：EXT=10% Pmin=1.8dB
其它因素对灵敏度的影响 P190
暗电流 输入波形 放大器噪声 ……
§3.3 接收机的动态范围
接收机的动态范围
保证达到给定误码率的条件下，允许接收 光功率的变化范围。(dB)
------反映接收机接收强信号的能力。
例: G=100, x=0.5, F(G)=10, APD放大噪声比放大信号多10倍。
G=100, x=1.0, F(G)=100, APD放大噪声比放大信号多100倍。
过剩噪声指数为APD的重要指标.
§3.2 光接收机的灵敏度
接收灵敏度
(1) 保证达到给定误码率的条件下，光接收机需 要的最小平均光功率。(W，dBm)
APD的过剩噪声系数：
F(G)Gx
x: 过剩噪声指数。
Si-APD:
x: 0.3-0.5
Ge-APD:
x: 0.8-1.0
InGaAs-APD: x: 0.5-0.7
雪崩光电二极管
APD的倍增噪声
F(G) 表示由于倍增作用而增加的一个噪声系数。 通过APD倍增后信号功率与G2成正比， 而噪声功率与G2•F(G)=G2+x成正比， 即APD放大噪声比放大信号多Gx倍。
系统对接收机动态范围的要求： D(dB)=[PTR(dBm)-10dB]~Pmin(dBm) 可正常接收比发送功率小10dB的光功率
例：fb=34Mb/s, Pmin=-44dBm, PTR=-3dBm 要求：D=31dB
接收机的动态范围
BER
10-4
D(dB)=Pmax(dBm)-Pmin(dBm)
Байду номын сангаас
均光能量为E1，码元宽度为Tb，一个码元平均光子
数为n，那么光接收机所需最小平均接收功率为 :
Pmin
E1 2Tb
nhv
2Tb
10.5Rbhv
灵敏度与码速的关系 P177
Rb Pmin(变差)
-20 Pmin(dBm)
PIN: PminRb3/2
-30
(4.5dB/比特率倍程)
APD：PminRb7/6
光电二极管
响应速度
□常用上升，下降时间表示。 □主要由结电容和负载电阻的时间常数决定。
上升时间(RL=50) Si: 300ps Ge: 500ps InGaAs: <100ps 工作于主干线：2.5Gbit/s
10Gbit/s
雪崩光电二极管（APD）
工作在高反向偏压的PN结二极管。
Rb: 码元速率 : 波长
光接收机灵敏度的量子极限
① 由于光源EXT=0，“0”码时接收的光能量为0； ② 光电二极管的暗电流为0、 “0”码时接收的光能
量为0、系统又无噪声，因此“0”码误判为“１” 码的概率为0，即Pe, 01=0。 ③ 由于系统无噪声，只要光电二极管输出一个电子 空穴对，判决器就能判出来。所以产生误码的惟 一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有 产生光电流，放大器没有电流输出。
V：反向电压
Si：G≈100
Ge：G≈10
InGaAs：G≈10～20
雪崩光电二极管
APD 的温度特性
G
100
20ºC 40ºC 60ºC
10
1
V
50
100
150
T VB。
APD实用时应在偏置电路中加温度补偿。
雪崩光电二极管
APD的倍增噪声
APD 噪声：
量子噪声（散弹噪声） 暗电流噪声 倍增噪声----影响最大
H()=
1 2
[1+sin
Ts 2
(
Ts
-)]
(1-) Ts
接收灵敏度Pmin≈-29.4 dBm
光接收机灵敏度的量子极限 P164例题
假设： 系统频带无限宽
系统无噪声 光源消光比为零 光电管暗电流为零 量子效率为1
☆ BER=10-9时， E1=21h
每个入射‘1’码脉冲应有21个光子的能量。 (2) 每个入射‘1’码脉冲含有的平均光子数为21个。 (3) Pmin=10.5•Rb hc/ (1)
-40
(3.5dB/比特率倍程) -50
APD比PIN改善
-60
灵敏度5-10dB
灵敏度与量子极限
-70
差10dB左右
-80
1
10
PIN APD
量子极限 100 1000 Rb(Mb/s)
LD消光比对灵敏度的影响 图3.4.5
EXT（百分比定义） Pmin恶化
□对于PIN Pmin9EXT(%) (dB)
④因为光子计数过程的概率分布为泊松分布，“1” 码持续期间产生的平均光子数λ=E1/hv,所以：
Pe,10=e-λλ0/0！=e-λ=e-E1/hv=e-n
⑤当“0”码和“1”码等概率出现时，误码率为：
Pe1 2Pe,011 2Pe,101 2Pe,10109 n21
⑥设传输的是非归零码(NRZ)，每个光脉冲最小平
入射光功率产生一次光生电流，一次光生电 流被雪崩放大，形成较大的反向电流。
I
RL u
P
I
N
光
°·
°·
· °
■ 响应波长
与PIN同。
雪崩光电二极管 G
平均雪崩增益
1000
G=
总输出电流 一次光生电流
100
10
经验公式：G=
1 1-(V/VB)m
1
VB V
VB: 击穿电压
m：常数，与APD材料、掺杂特性及波长有关
(2) 保证达到给定误码率的条件下，光接收机需 要的每一光脉冲的最低平均能量。
(3) 保证达到给定误码率的条件下，光接收机需 要的每一光脉冲的最低平均光子数。
§3.2 光接收机的灵敏度
BER
10-4
10-5
10-6
10-7
给定BER 10-8
10-9 10-10
P(dBm)
-32 -30 -28 -26 -24