《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
光接收机的结构和原理
光接收机的结构和原理光接收机：光信号经过长距离传输后，受到光纤的损耗、色散和非线性效应的影响，不仅幅度被衰减，而且波形被展宽和变形。
光接收机的作用是将光信号转变成电信号，同时要对接收到的信号进行整形、放大和再生。
光接收机的结构和原理根据光接收机是否设置本振激光器，光检测的方式可分为直接检测和相干检测两类。
直接检测不需要在接收机中设置本振激光器，实现简单，成本低，但它只能检测光信号的强度信息。
相干检测需设置本振激光器，而且还要保持本振激光器与信号光之间的相干性，实现复杂，但它却可以检测光信号的相位信息。
当前，低于40Gbps的光纤通信系统大多数采用直接检测方式。
下面以直接检测的数字光接收机为例，说明其主要组成，如下图所示：直接检测数字光接收机包括光检测器、前置放大器、主放大器、自动增益控制(AGC)电路、均衡器、判决器和时钟恢复电路这七个主要部分，各部分的功能如下：光检测器：负责进行光电转换，也就是对光信号进行解调。
前置放大器：负责对光检测器产生的微弱信号进行放大，它对整个放大器的输出噪声影响最大，因此它必须是低噪声和髙带宽放大器。
主放大器：提供足够的增益，将输入信号放大到判决电路所需要的电平(峰-峰值一般为1〜3V)。
自动增益控制电路：可以控制主放大器的增益，使输出信号的幅度保持在一定范围内。
均衡器：对主放大器输出的失真的数字脉冲进行整形，保证判决时不存在码间干扰，以得到最小的误码率。
判决器和时钟恢复电路：负责信号的再生。
为了精密地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确的时钟信息，以此作为标定，以保证与发射端的一致。
如果在发射端进行线路编码(或扰码)，那么在接收端需要存相应的译码(或解扰）器。
上述接收机也归成这样三个主要功能模块：①将光检测器和前置放大器这两部分组合在一起，称为光接收机的前端，它是光接收机的核心；②将主放大器、均衡器和自动增益电路这三部分组合一起，构成接收机的线性通道，它用来放大和过滤信号；③将判决器和时钟恢复电路这两部分组合在一起，构成接收机的数据恢复部分。
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。
光纤通信-光接收机2011
响应时间
响应时间是指半导体光电二极管产生的光 电流跟随入射光信号变化快慢的状态。
响应时间越短越好，从频域上看，短的响 应时间意味着这个器件的带宽宽。
2013-7-15
18
暗电流
在理想条件下，当没有光照时，光检测器应无电 流输出。但是，实际上由于热激励、宇宙射线或放 射性物质的激励，在无光情况下，光检测器仍有电 流输出，这种电流称为暗电流。严格说，暗电流还 包括器件表面的漏电流。
转换效率降低。
因此，还存在一个短波长极限λmin，入射光的波长λ 必须满足λmin <λ< λc 。
2013-7-15 8
5.1.2 PIN光电二极管P-type, Intrinsic，N-Type Photodiode
为改善响应速度和转换效率，适当加大耗尽层宽度。
在P型材料和N型材料之间加一层轻掺杂的N型材料， 称为I层，即本征层，称为PIN光电二极管。 特点：本征层即耗尽层，吸收光子的地方 优点：高量子效率-大多数光子进入该区产生电子-空穴对 PIN光电二极管现可达到110GHz
波长响应λ(um)
响应度Ro(A/W) 暗电流(nA) 响应时间(ns)
0.4~1.0
0.4（0.85um） 0.1~2 2~10
1.0~1.6
0.6（1.3um） 2~5 0.2~1
0.4~1.0
0.5 0.1~1 0.2~0.5
1~1.65
0.5~0.7 10~20 0.1~0.3
工作电压(v)
2013-7-15
5
P-N光电二极管P-type， N-Type Photodiode
基于能级的观点：
导带中的电子是自由的， 可移动形成电流
基于p-n结的观点：
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数为n，那么光接收机所需最小平均接收功率为 :
Pmin E1 nhv 10.5Rb hv 2Tb 2Tb
灵敏度与码速的关系
P177
Rb Pmin(变差) PIN: PminRb3/2 (4.5dB/比特率倍程) APD：PminRb7/6 (3.5dB/比特率倍程) APD比PIN改善 灵敏度5-10dB 灵敏度与量子极限 差10dB左右
P(dBm)
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) Rb: 码元速率 : 波长
(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 -32 -30 -28 -26 -24
□
光电二极管
结构 ----PIN结构
I
P 光 I N RL
u
· °
I为本征半导体，低掺杂；
P、N均为高掺杂。
光电二极管
响应波长
□光电效应需满足条件：
h>Eg
□截止波长： c=
即: <hc/Eg
hc = 1.24 Eg Eg(eV) Si: c=1.06 m Ge,InGaAs: c=1.6 m □响应波长: Si: 0.5-1.0 m Ge, InGaAs: 1.1-1.6 m
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
10Gbit/s
雪崩光电二极管（APD）
工作在高反向偏压的PN结二极管。
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
P 光 I
· °
· °
N
RL
u·Biblioteka °■响应波长与PIN同。
雪崩光电二极管
G
1000 100
平均雪崩增益
总输出电流 G= 一次光生电流
1 经验公式：G= 1-(V/VB)m 1 VB VB: 击穿电压 m：常数，与APD材料、掺杂特性及波长有关 V：反向电压 Si：G≈100 Ge：G≈10 InGaAs：G≈10～20
产生光电流，放大器没有电流输出。
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-λ λ 0/0！=e-λ =e-E1/hv=e-n ⑤当“0”码和“1”码等概率出现时，误码率为：
1 1 1 9 Pe Pe,01 Pe,10 Pe,10 10 n 21 2 2 2 ⑥设传输的是非归零码(NRZ)，每个光脉冲最小平
(m)
光电二极管
光电转换效率
□量子效率：
= 光生的电子-空穴对数
= 入射光子数 Ip/e0 = Ip h P0/h P0 e0
<1
Ip: 光生电流 P0：入射光功率
□响应度（常用物理量）:
Ip = e0 R= P0 h
(A/W)
光电二极管
暗电流 Id
无光照射时PD的反向电流。 Ip(A) Id: Si: <1nA Ge: <1A InGaAs: <10nA
10
V
雪崩光电二极管
APD 的温度特性
G
100 20º C 40º C 60º C
10
1 T VB。 V
50
100
150
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
APD的过剩噪声系数：
F(G)Gx
Ip R= P0
R: 斜率 P0(W) 0 探测器已加反向电压
Id作为一直流噪声源存在
Id
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
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。
第三章
光接收机
光接收机框图
光 信 号
探 测 器
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。
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)
§3.1 探测器
半导体探测器：
光电二极管PD (PIN) 雪崩光电二极管APD
光电二极管
工作在反向偏压的PN结二极管。 工作原理----受激吸收。
加反向偏压，形成耗尽区。 □入射光子，h>Eg时产生电子--空穴对。 □在电场的作用下，电子向N区漂移，空穴 向P区漂移。 □电子到达N区，空穴到达P区，被外电路 吸收，形成光生电流。