第四章光检测与光接收机要点
合集下载
§4光检测器与光接收机总结
第四章 光检测器与光接收机1. 光接收机：分为模拟接收机和数字接收机。
1) 光检测器：把接收到的光信号转换成光电流。
2) 低噪声前置放大器：低噪声放大。
3) 主放大器：把前端输出的毫伏级信号放大到后面信号处理电路所需电平。
4) 均衡滤波器：消除放大器及其它部件引起的信号滤波失真，使噪声和码间干扰减小到最小。
其中，光检测器和低噪声前置放大器组成接收机的前端。
2. 性能指标1) 接收灵敏度：指达到指定误码率（信噪比）时的最小接收信号光功率。
mWmW P dBm P 1)(lg 10)(= 2) 动态范围：最大允许的接收光功率与最小可接收光功率之差。
3) 带宽：相邻两脉冲虽重叠但也仍能区分时的最高脉冲速率称为该光纤线路的最大可用带宽。
4) 响应时间：接收机开始具有稳定的工作状态的时间周期。
5) 误码率：接收机错误确定一个比特的概率（误码数与发送总码数比）。
6) 信噪比：噪声功率平均信号功率==22N S i i N S3. 光检测器1） PIN 二极管① 响应速度inP P I R =2） APD 二极管① 量子效率λη24.1R hf P e I in P == 或 24.1λη=R ② 0GR R =3） PIN 和APD 管的结构和工作原理→→≥产生电子－空穴对时当入射光子g E hf 在耗尽区电路作用下产生漂移运动，在外电路中产生光电流p I 。
电场在以上图中++n p ,表示高掺杂低阻区，电压降很小；π表示接近本征的低摻杂区um 100~30，大部分入射光子在此区吸收并建立初始电子－空穴对。
倍增的高电场区集中在+pn 结附近窄区域内。
当入射光子hf 在π区吸收后建立一次电子－空穴对，电子在电场作用下向+pn 结区漂移，并在+pn 区产生雪崩倍增，一次空穴则直接被+p 吸收。
4）响应时间：表征光检测器对光信号变化响应速度快慢，通常用光检测器受阶跃光脉冲照射时，输出脉冲前沿10％点到90％点间的时间间隔来衡量。
第4章 光探测和光接收机讲解
W
时间常数 0 RLCd
截止频率
fc
1
2pRC
1
2p 0
PIN管分布电容
Cd
RL Vout
等效电路
4.1 光检测器 4.1.2 PIN光电二极管
实验中常测量到脉冲的上升时间r, r与0关系如何？
特征时间：即脉冲响应时间
Vout
Vin
线性系统
0.9
1.0
R
Vin
i
0.1
C Vout
入射光
in
h+ e-
成正比
定义
R Ip Pin
单位A/W
hv>Eg 抗反射膜
E 耗尽区
W
②量子效率(quantum efficiency)
量子效率=(光生电子空穴对数)/入射光子数
输出电压 RL Vout 电 极
Ip /e
Pin / hv
R e
hv 1.24
R in A/W,
练习
Example2: In a 100-ns pulse, 6×106 photons at a wavelength
of 1300nm fall on an InGaAs photodetector. On the average, 5.4×106 electron-hole pairs are generated. What is the quantum efficiency?
5
Ge
InGaAs
800~1650 1100~1700
0.4~0.5 0.75~0.95
50~500 0.5~2.0
0.1~0.5 0.05~0.5
第四章光检测器与光接收机要点
第4章 光检测器与光接收机
2）PIN光电二极管
a、PIN光电二极管的结构
PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半 导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。 在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。 结构如下图：
由于I层吸收系数很小，入射光可以很容易地进入 材料内部被充分吸收而产生大量的电子—空穴对，因此 大幅度提高了光电转换效率。另外，I层两侧的P层、N 层很薄，光生载流子的漂移时间很短，大大提高了器 件的响应速度。
1 05 Ge 1 04
数 (cm－ 1) 吸 收 系
GaAs 1 03
1 02 Si 1 01 0 .4 0 .6 0 .8
1 .0 1 .2 波长 / m
In 0 .70Ga0 .30As 0 .64P0 .36
1 .4 1 .6 1 .8
材料吸收系数随波长的变化情况
In 0 .53Ga0 .47As
第一节：概述
第二节：光检测器
第三节：数字接收机
第4章 光检测器与光接收机
第一节 概述 光接收机可分两类：模拟接收机和数字接收机， 如下图。 它们均由光检测器、低噪声前置放大器及其他信 号处理电路组成。 数字接收机比较复杂，在主放大器后还有均衡滤 波、定时提取与判决再生、峰值检波与AGC放大等电 路。 光检测器的作用是把接收到的光信号转换成光电
如下图，为检测器电路及其等效电路，其中 CPN 为 检测器的结电容； Rb为偏置电阻；Ra、Ca分别为放大器 的输入电阻和输入电容； Rs为检测器的串联电阻，通常 只有几欧，可以忽略。 影响响应速度的主要因素有： （ 1 ）检测器及其有关电路的 RC时间常数，设它造 成的脉冲前沿上升时间为：ιRC 要提高响应速度，就要降低整个电路的时间常数。 从检测器本身来看，就要尽可能降低结电容
第04章 光检测器和光接收机
(4.1.4)
量子效率定义为通过结区的载流子数与入射的光子数之 比， 即
第4章 光检测器和光接收机
通过结区的光生载流子数（光生电子-空穴对数） 入射到器件上的光子数
η=
(4.1.5)
由物理概念可知 光生载流子数（光生电子-空穴对数）=
Ip e
e为电子电荷量， 其值为1.6×10－19 C。
P0 入射的光子数= hν
第4章 光检测器和光接收机
第 4 章 光检测器和光接收机
4.1 光检测器 4.2 光检测器的分类 光检测器的分类 4.3 PIN光电二极管 光电二极管 4.4 雪崩光电二极管 雪崩光电二极管(APD) 4.5 MSM光检测器 光检测器 光检测器 4.6 光检测器的可靠性和注意事项 4.7 IM/DD模式 模式 4.8 光接收机 习题
第4章 光检测器和光接收机
光生载流子在外加负偏压（P接负， N接正）和内建 电场的作用下， 在外电路中出现光电流， 如图4-1-1所示， 从而在电阻R上有信号电压输出。 这样就实现了输出电压 跟随输入光信号变化的光电转换作用。 图4-1-2所示为PN结及其附近的能带分布图， 要注意 的是能带的高、 低是以电子的电位能为依据的， 电位越 负能带越高。
第4章 光检测器和光接收机
（4） 雪崩倍增建立时间（仅对于APD）； （5） RC时间常数。 显然， 一个快速响应的光电检测器， 它的响应时 间一定是短的。 要想具有快速响应的特性， 光电二极 管在结构上首先要减薄零场区， 其次是减小结电容。 采用同轴封装和微带结构可以减小管壳电容， 以进一步 减短响应时间。
第4章 光检测器和光接收机
4.1.2
主要工作特性 主要工作特性
下面介绍衡量光检测器性能的几个主要特性参数。 响应度与量子效率 1. 响应度与量子效率 响应度定义为在一定波长的光照射下， 光电检测 器的平均输出电流Ip与入射的平均光功率P0之比， 表示 I P 如下：
光纤通信4-光检测器与光接收机ppt课件
hc Eg
hc 1 . 24 E E eV ) g g(
m ) c(
由于吸收系数取决于光波长，因此，特定的半导体材料只能应用在有限的波长 范围内。
3、 雪崩光电二极管(APD) 1 ）雪崩光电二极管的的结构
P 高掺杂的 型半导体，为接触层；
I轻掺杂半导体层，为漂移区（光吸收区）； P型半导体，为倍增层（或称雪崩区）； N+高掺杂的 型半导体，为接触层。
S (f )eI Q p
0 . 9 1 . 3 0 . 94 A / W R 1 . 24 1.24
3、APD 光电二极管中所有载流子产生的倍增因子M
M
IM M Ip
m
V
m
1 1(Vj /VB)n
j
加在PN结的有效电压 雪崩电压 适配因子，与材料 及结构有关
I M 雪崩增益后输出电流的平均值
w耗尽区宽度
产生的光电流
P sw 0 Ip e eP ( 1 e ) hf hf
e w s R ( 1 e ) hc
eP sw 0( 1 e ) hc
I p RP
光吸收系数与波长的关系曲线
s ( )
c
hf
?
Eg
hf Eg
N
光电二极管（PD）
1、半导体光电二极管 光子进入PN结，价带的电子受激吸收将 被激发到导带，产生一对光生载流子， 受内建电场的作用，光生载流子的电子 向 N区漂移，空穴向P区漂移，载流子 移动到外部电路形成光电流。
光生电流包括：
耗尽层 势 垒
漂移电流--耗尽区的光生载流子在电场作用下运动形成的电流扩散电流 扩散电流----P区的光生载流子形成的电流 N区的光生载流子形成的电流
第4章光检测器和光接收机
第4章 光检测器和光接收机
4.1光检测器的工作原理
作用：将接收到的光信号转换成电信号。 工作原理： 把能量大于Eg的光照射到半导体材料上， 则处于低能带的电子吸收该能量后而被激励跃 迁到高能带，从而产生电子_空穴对。通过在 半导体材料上外加电场，使得电子_空穴对在 半导体材料中渡越，形成光电流（光生电流）。 当入射光变化时，光生电流随之做线性变化， 从而把光信号转换成电信号。
第4章 光检测器和光接收机
(4)动态范围
在保证系统误码率指标要求下，接收机的最 低光功率和最大允许光功率之比
Pmax D 10 lg Pmin
D的单位为dB
第4章 光检测器和光接收机
PIN光电检测器优点 (1)I区的宽度远大于P区和N区宽度，所以I区有
更多的光子被吸收，从而增加了量子效率； (2)扩散电流很小 (3)反向偏压可以取较小值
第4章 光检测器和光接收机
2 APD光检测器 工作机理：
入射光在光电二极管中产生最初的电子_空穴对，由 于光电二极管上加了较高反向偏置电压，电子_空穴对在 该电场作用下加速运动，获得很大动能，当它们与中性原 子碰撞时，会使中性原子价带上的电子获得能量后跃迁到 导带上去，于是产生新的电子_空穴对，新产生的电子_空 穴对称为二次电子_空穴对。这些二次载流子同样能再强 电场作用下，碰撞别的中性原子进而产生新的电子_空穴 对，这样就引起了产生新载流子的雪崩过程。 这样，一个光子最终产生了许多的载流子，使得光信 号在光电二极管内部就获得了放大。
第4章 光检测器和光接收机
4.3 光接收机
光接收机的作用是把光发射机发送并 经光纤传输的携带有信息的光信号转化成 相应的电信号，然后放大并再生恢复为原 始电信号。
第4章 光检测器和光接收机
光探测和光接收机
电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。
其主要来源是光检测器的噪声和前置放大器的噪声。
因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比
影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，
只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以
忽略。
•光探测和光接收机
内部噪声
暗电流噪声---无光照时产生
P I Nd22qdIf
本章内容
对光检测器的基本要求 PN结光电检测原理 PIN光电二极管 APD雪崩光电二极管 MSM光电探测器 单行载流子光电探测器 波导光电探测器 数字光接收机
•光探测和光接收机
对光检测器的基本要求
1.在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入 射光功率，光检测器能输出尽可能大的光电流。
Id— 暗电流
APDd22qM 2FAIdf FAAP的 D过剩噪声指
散粒噪声
PIN s2 2qIpf
Ip 平均信号光电流
APD s2 2qM2FAIpf
热噪声
T2 4KBRTLf•F光n探测和光接F收n机放大器的噪声指数
总的均方噪声电流
PIN
d2
s2
T2
2q(Ip
Id)f
4KBTf
RL
Fn
电压 供给
自动增 益控制
时钟 恢复
光电变换和前放 线性放大 数据恢复
•光探测和光接收机
光电转换和前置放大器（光接收机的核心）
信号光
光探
测器
前放
电压 供给 光电变换和前放
微弱 光 时 信 变 号 光 预 生 放 电 电 大 流 压信
前置放大器在减弱或防止电磁•干光探扰测和和光抑接制收噪机 声方面起着特别重要的作用
第四章 光检测器和光接收机
1. 光检测和前置放大器
光电检测器完成光电转换。由发送端发出的光信 号经过光纤线路传输后，到达接收端已经很微弱。检 测器输出的电流仅在nA数量级。所以必须采用多级放 大将微弱的电信号放大至判决电路能正确识别。 由于信号微弱又带有噪声，如果采用一般的放大 器进行放大，放大器本身就会将前一级放大器所引入 的噪声也进行放大，信噪比并没有得到改善。因此多 级放大器的前级必须满足低噪声、高增益的要求，才 能得到较大的信噪比。
18
线性饱和
光检测器电路有一定的光功率检测范围。当入 射光功率太大时，光电流和光功率将不成正比， 从而产生非线性失真。 随着输入光功率和输出电流的增大，检测电 路中负载电阻上的压降增大，光电管上实际压降 减小，耗尽区内电场减弱，继而会引起单位光功 率产生的光电流变小。此时光电转换不再满足线 性关系，称为线性饱和。
37
2. 主放和均放
信号经前置放大器输出仍然比较微弱，不能满足 幅度判决的要求，因此还必须加以放大。由于光接收 机的入射光功率有一个可变化的动态范围，因此放大 器增益也应随入射光功率的变化得到相应的调整，以 适应在不同输入信号情况下仍能保持输出电平稳定。 即实现自动增益控制。在光接收机中，把实现自动增 益控制的放大级称为主放大器。 均放电路的主要作用是对接收到的信号进行均衡 以利于定时判决。
6
图4-1 PN结光电二极管 结光电二极管
RL P hy N
扩散区
耗尽区 扩散区 吸收区
7
图4-2 PN结光电二极管工作原理 结光电二极管工作原理
a）PN结
b）能带图
8
图4-3 光生载流子慢扩散使响应变慢
光 功 率
光
t
检 测 电 流 扩散
t
9
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
吸收 外电场加速
二 APD的工作特性（1）
1、倍增系数 G= Ip / I0
IP--平均输出电流， I0--一次光生电流
IP ＝G I0 ＝GRPin
倍增系数G与外加偏压、波长、温度有关。
2、过剩噪声因子F
在APD中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程， 具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额 外的倍增噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子F来表征 这种倍增噪声。F又可近似表为：F＝Gx x被称为过剩噪声指数。
4.1.2 PN光电二极管
•工作原理：入射光从P侧 进入，在耗尽区光吸收产 生的电子－空穴对在内建 电场作用下分别向左右两 侧运动，产生光电流。 •响应时间：由于光生电 流包含了漂移分量和扩散 分量，扩散的速度比漂移 的速度慢很多，使检测器 输出的电流脉冲的拖尾延 长，限制了光电转换速度。
提高响应速度采用的办法
均衡滤波器是使经过均衡器以后 的波形成为有利于判决的波形
4.2.3 判决再生与时钟提取
任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号 为确定是“1”或是 “0”，需要对某时隙 的码元作出判决。若 判决结果为“1”，则 由再生电路产生一个 矩形“1”脉冲；若判 决结果为“0”，则由 再生电路重新输入一 个“0”。 判 决 器 输出
低阻抗前端
光接收机前端的等效电路
4.2.1 光接收机的前端(4)
高阻抗前端
尽量加大偏置电阻，把噪声 减至尽可能小的值 优点：噪声较低 缺点：动态范围小、高频分 量损失太大,对均衡电路提出 很高要求. 多用于低速系统. 电压并联负反馈放大器（电 流-电压转换器）
跨阻抗前端
优点：宽频带（等效输入电 阻很小）、低噪声（反馈电 阻可以取得很大）、灵敏度 高、动态范围大等综合优点， 被广泛采用。
前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失 真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体 管(FET)。PIN/FET和APD/FET。
4.2.1 光接收机的前端(3)
根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：
低阻抗前端
高阻抗前端 跨（互）阻抗前端 从频带要求出发选择 偏置电阻RL 优点：电路简单，不 需要或只需要很少的 均衡，动态范围较大 缺点：灵敏度低，噪 声较高
1)
设法加宽耗尽层，使得照射光子尽可能被吸收，负偏 压有助于加宽耗尽层。由于负偏压产生的电场与内建 电场方向一致，使得耗尽层电场增强，加强了漂移运 动，N区电子向正极运动并被中和，P区的空穴向负电 极运动并被中和，这样耗尽层被加宽。 减少P区和N区的厚度来减少载流子的扩散时间，减少 P区和N区被收的光能
Ge 800~1650 50~200 50~500 0.5~0.8 2~10 20~40
InGaAs 1100~1700 10~40 10~50
@M=10
0.1~0.5 20~250 20~30
光检测器的比较（3）
在短距离的应用中，工作在850nm的Si器件对 于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。 在长距离的链路常常需要工作在1330nm和 1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。 APD检测器与PIN检测器相比，具有载流子倍 增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏 置电压和温度补偿电路。要视具体应用场合而选 定。
光检测器
RL
•暗电流噪声 •漏电流噪声 •APD倍增噪声 •热噪声
放大器
•放大器噪声
漏电流噪声：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏 置电压时，会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非 本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构 和严格的工艺降低。
e R0 hc
二
主要工作特性（4）
3 响应时间
响应时间：由光功率输入转化为光电流输出，有 一定时间迟后，其值取决与光检器电路的上升时 间、载流子通过耗尽区的渡越时间、载流子扩散 时间。主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间。
d w vs
由渡越时间限制的上截止频率
f d 0.4
d
时钟恢复 为了精确地确定“判决时 刻”，需要从信号码流中提 取准确的时钟信息作为标定， 以保证与发送端一致。
• 判决、再生过程
判决电压 均衡器输 出波形
时钟
再生后 的信号
最佳取样时间相应于“1”和“0”信号电 平相差最大的位置，可有眼图决定。
第四章 光检测器及光接收机
4.1 光检测器 4.2 光接收机 4.3 光接收机的噪声分析 4.4 光接收机的灵敏度 4.5 光接收机的性能评估
接收机噪声及其分布图： 光子流 h •量子噪声 偏置电阻
光பைடு நூலகம்测器
RL
•暗电流噪声 •漏电流噪声 •APD倍增噪声 •热噪声
放大器
•放大器噪声
暗电流噪声：当没有光信号照射光检测器时，外界的一 些杂散光或热运动也会产生一些电子——空穴对，光检 测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。
接收机噪声及其分布图： 光子流 h •量子噪声 偏置电阻
光检测器的比较（2）
Si、Ge、InGaAs 雪崩光电二极管的通用工作特性参数
参数 波长范围 雪崩增益 暗电流 上升时间 增益带宽积 偏置电压
符号 M ID r M•B VB
单位 nm —— nA ns GHz V
Si 400~1100 20~400 0.1~1 0.1~2 100~400 150~400
二 主要工作特性（5）
4 线性饱和
当入射光功率太大时，光生电流与光功率不成正 比，产生非线性失真。
5 暗电流
在无光照射时仍有电流流过，这部分电流称为暗 电流.反向电压越大，暗电流越大。
4.1.4 雪崩光电二极管APD
• PIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益 • APD:利用电离碰撞, 1个光子产生多对电子-空穴对,有增益 • 工作过程： 入射光-------一对电子-空穴对(一次光生电流)-------------与晶格碰撞电离---------多对电子-空穴对(二次光生电流） 耗尽层仍为I 层，起产生一 次电子－空穴 对的作用。 增加了一个附加 层，倍增区或增 益区，以实现碰 撞电离产生二次 电子－空穴对。
4.3 光接收机的噪声分析
光接收机的噪声将影响信噪比SNR和通信质量。 主要来自光电探测器和前置放大器的噪声。分 为两类：散粒噪声和热噪声。
接收机噪声及其分布图： 光子流 h •量子噪声
偏置电阻
光检测器
RL •暗电流噪声 •漏电流噪声 •APD倍增噪声 •热噪声
放大器
•放大器噪声
散粒噪声
接收机噪声及其分布图： 光子流 h •量子噪声 偏置电阻
适合通信用的光检测器：光电二极管(主 要有 Pin光电二极管和雪崩光电二极管)
光纤通信中对光检测器的最重要的几点要求：
对所用光源的波长范围内有较高的响应度或灵 敏度 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
光电二极管：尺寸小、灵敏度高、响应速度快、 材料合适
二
主要工作特性3）
2 量子效率和响应度
入射光功率Pin中含有大量光子，能转换为光电流的光子 数和入射总光子数之比称为量子效率.
产生的电子－空穴对的个数
P 入射的光子数 in h 光生电流I0与入射光功率Pin之比称为响应度
R0=I0/Pin
Ip q
响应度与量子效率的关系
为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得 可以吸收大部分的光子。
2)
3)
降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层。
这种结构就是常用的PIN光电二极管
4.1.3 PIN光电二极管
一 结构及工作原理
在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大 耗尽区宽度w，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的 要求。由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导 体(Intrinsic)，因此这种结构称为PIN光电二极管。
光检测器
RL
•暗电流噪声 •漏电流噪声 •APD倍增噪声 •热噪声
放大器
•放大器噪声
量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时， 光电子的产生和收集过程具有统计特性(泊松分布)。 光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是 光检测过程的基本特性，从而使当其他条件都达到 最佳化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。
4.2.2 光接收机的线性通道
提供高的增 益，放大到 适合于判决 电路的电平。 主放 大器 均衡 滤波
对主放输出的失 真数字脉冲进行 整形，使之成为 有利于判决码间 干扰最小的升余 弦波形。
AGC电路
可根据输入信号（平均值）大小自动调整放 大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大 接收机的动态范围。
符号 R ID r B VB
单位 nm A/W nA ns GHz V
Si 400~1100 0.4~0.6 1~10 0.5~1.0 0.3~0.7 5
Ge 800~1650 0.4~0.5 50~500 0.1~0.5 0.5~3.0 5~10
InGaAs 1100~1700 0.75~0.95 0.5~2.0 0.05~0.5 1.0~2.0 5
第四章 光检测器及光接收机
4.1 光检测器 4.2 光接收机 4.3 光接收机的噪声特性 4.4 光接收机的灵敏度 4.5 光接收机的性能评估
4.2 数字光接收机
光信号 光电 变换 前置 放大 主放 大器 均衡 滤波
判 决 器
电信号输出
AGC电路
前端 性能指标:接收灵敏度、 误码率和动态范围 线性通道
时钟恢复
时钟提取与数据再生 （CDR）
二 APD的工作特性（1）
1、倍增系数 G= Ip / I0
IP--平均输出电流， I0--一次光生电流
IP ＝G I0 ＝GRPin
倍增系数G与外加偏压、波长、温度有关。
2、过剩噪声因子F
在APD中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程， 具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额 外的倍增噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子F来表征 这种倍增噪声。F又可近似表为：F＝Gx x被称为过剩噪声指数。
4.1.2 PN光电二极管
•工作原理：入射光从P侧 进入，在耗尽区光吸收产 生的电子－空穴对在内建 电场作用下分别向左右两 侧运动，产生光电流。 •响应时间：由于光生电 流包含了漂移分量和扩散 分量，扩散的速度比漂移 的速度慢很多，使检测器 输出的电流脉冲的拖尾延 长，限制了光电转换速度。
提高响应速度采用的办法
均衡滤波器是使经过均衡器以后 的波形成为有利于判决的波形
4.2.3 判决再生与时钟提取
任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号 为确定是“1”或是 “0”，需要对某时隙 的码元作出判决。若 判决结果为“1”，则 由再生电路产生一个 矩形“1”脉冲；若判 决结果为“0”，则由 再生电路重新输入一 个“0”。 判 决 器 输出
低阻抗前端
光接收机前端的等效电路
4.2.1 光接收机的前端(4)
高阻抗前端
尽量加大偏置电阻，把噪声 减至尽可能小的值 优点：噪声较低 缺点：动态范围小、高频分 量损失太大,对均衡电路提出 很高要求. 多用于低速系统. 电压并联负反馈放大器（电 流-电压转换器）
跨阻抗前端
优点：宽频带（等效输入电 阻很小）、低噪声（反馈电 阻可以取得很大）、灵敏度 高、动态范围大等综合优点， 被广泛采用。
前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失 真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体 管(FET)。PIN/FET和APD/FET。
4.2.1 光接收机的前端(3)
根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：
低阻抗前端
高阻抗前端 跨（互）阻抗前端 从频带要求出发选择 偏置电阻RL 优点：电路简单，不 需要或只需要很少的 均衡，动态范围较大 缺点：灵敏度低，噪 声较高
1)
设法加宽耗尽层，使得照射光子尽可能被吸收，负偏 压有助于加宽耗尽层。由于负偏压产生的电场与内建 电场方向一致，使得耗尽层电场增强，加强了漂移运 动，N区电子向正极运动并被中和，P区的空穴向负电 极运动并被中和，这样耗尽层被加宽。 减少P区和N区的厚度来减少载流子的扩散时间，减少 P区和N区被收的光能
Ge 800~1650 50~200 50~500 0.5~0.8 2~10 20~40
InGaAs 1100~1700 10~40 10~50
@M=10
0.1~0.5 20~250 20~30
光检测器的比较（3）
在短距离的应用中，工作在850nm的Si器件对 于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。 在长距离的链路常常需要工作在1330nm和 1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。 APD检测器与PIN检测器相比，具有载流子倍 增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏 置电压和温度补偿电路。要视具体应用场合而选 定。
光检测器
RL
•暗电流噪声 •漏电流噪声 •APD倍增噪声 •热噪声
放大器
•放大器噪声
漏电流噪声：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏 置电压时，会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非 本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构 和严格的工艺降低。
e R0 hc
二
主要工作特性（4）
3 响应时间
响应时间：由光功率输入转化为光电流输出，有 一定时间迟后，其值取决与光检器电路的上升时 间、载流子通过耗尽区的渡越时间、载流子扩散 时间。主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间。
d w vs
由渡越时间限制的上截止频率
f d 0.4
d
时钟恢复 为了精确地确定“判决时 刻”，需要从信号码流中提 取准确的时钟信息作为标定， 以保证与发送端一致。
• 判决、再生过程
判决电压 均衡器输 出波形
时钟
再生后 的信号
最佳取样时间相应于“1”和“0”信号电 平相差最大的位置，可有眼图决定。
第四章 光检测器及光接收机
4.1 光检测器 4.2 光接收机 4.3 光接收机的噪声分析 4.4 光接收机的灵敏度 4.5 光接收机的性能评估
接收机噪声及其分布图： 光子流 h •量子噪声 偏置电阻
光பைடு நூலகம்测器
RL
•暗电流噪声 •漏电流噪声 •APD倍增噪声 •热噪声
放大器
•放大器噪声
暗电流噪声：当没有光信号照射光检测器时，外界的一 些杂散光或热运动也会产生一些电子——空穴对，光检 测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。
接收机噪声及其分布图： 光子流 h •量子噪声 偏置电阻
光检测器的比较（2）
Si、Ge、InGaAs 雪崩光电二极管的通用工作特性参数
参数 波长范围 雪崩增益 暗电流 上升时间 增益带宽积 偏置电压
符号 M ID r M•B VB
单位 nm —— nA ns GHz V
Si 400~1100 20~400 0.1~1 0.1~2 100~400 150~400
二 主要工作特性（5）
4 线性饱和
当入射光功率太大时，光生电流与光功率不成正 比，产生非线性失真。
5 暗电流
在无光照射时仍有电流流过，这部分电流称为暗 电流.反向电压越大，暗电流越大。
4.1.4 雪崩光电二极管APD
• PIN:1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益 • APD:利用电离碰撞, 1个光子产生多对电子-空穴对,有增益 • 工作过程： 入射光-------一对电子-空穴对(一次光生电流)-------------与晶格碰撞电离---------多对电子-空穴对(二次光生电流） 耗尽层仍为I 层，起产生一 次电子－空穴 对的作用。 增加了一个附加 层，倍增区或增 益区，以实现碰 撞电离产生二次 电子－空穴对。
4.3 光接收机的噪声分析
光接收机的噪声将影响信噪比SNR和通信质量。 主要来自光电探测器和前置放大器的噪声。分 为两类：散粒噪声和热噪声。
接收机噪声及其分布图： 光子流 h •量子噪声
偏置电阻
光检测器
RL •暗电流噪声 •漏电流噪声 •APD倍增噪声 •热噪声
放大器
•放大器噪声
散粒噪声
接收机噪声及其分布图： 光子流 h •量子噪声 偏置电阻
适合通信用的光检测器：光电二极管(主 要有 Pin光电二极管和雪崩光电二极管)
光纤通信中对光检测器的最重要的几点要求：
对所用光源的波长范围内有较高的响应度或灵 敏度 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
光电二极管：尺寸小、灵敏度高、响应速度快、 材料合适
二
主要工作特性3）
2 量子效率和响应度
入射光功率Pin中含有大量光子，能转换为光电流的光子 数和入射总光子数之比称为量子效率.
产生的电子－空穴对的个数
P 入射的光子数 in h 光生电流I0与入射光功率Pin之比称为响应度
R0=I0/Pin
Ip q
响应度与量子效率的关系
为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得 可以吸收大部分的光子。
2)
3)
降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层。
这种结构就是常用的PIN光电二极管
4.1.3 PIN光电二极管
一 结构及工作原理
在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大 耗尽区宽度w，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的 要求。由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导 体(Intrinsic)，因此这种结构称为PIN光电二极管。
光检测器
RL
•暗电流噪声 •漏电流噪声 •APD倍增噪声 •热噪声
放大器
•放大器噪声
量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时， 光电子的产生和收集过程具有统计特性(泊松分布)。 光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是 光检测过程的基本特性，从而使当其他条件都达到 最佳化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。
4.2.2 光接收机的线性通道
提供高的增 益，放大到 适合于判决 电路的电平。 主放 大器 均衡 滤波
对主放输出的失 真数字脉冲进行 整形，使之成为 有利于判决码间 干扰最小的升余 弦波形。
AGC电路
可根据输入信号（平均值）大小自动调整放 大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大 接收机的动态范围。
符号 R ID r B VB
单位 nm A/W nA ns GHz V
Si 400~1100 0.4~0.6 1~10 0.5~1.0 0.3~0.7 5
Ge 800~1650 0.4~0.5 50~500 0.1~0.5 0.5~3.0 5~10
InGaAs 1100~1700 0.75~0.95 0.5~2.0 0.05~0.5 1.0~2.0 5
第四章 光检测器及光接收机
4.1 光检测器 4.2 光接收机 4.3 光接收机的噪声特性 4.4 光接收机的灵敏度 4.5 光接收机的性能评估
4.2 数字光接收机
光信号 光电 变换 前置 放大 主放 大器 均衡 滤波
判 决 器
电信号输出
AGC电路
前端 性能指标:接收灵敏度、 误码率和动态范围 线性通道
时钟恢复
时钟提取与数据再生 （CDR）