05光探测和光接收机

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1、第五章光探测及光接收机5.1数字光接收机5.2光电检测过程的基本原理5.3光接收机的性能5.3.1光接收机的信噪比5.3.2光接收机的灵敏度5.3.3光接收机的误码率5.3.4最小平均接收光功率5.3.5光接收机的性能指标光发射机发射的光信号经光纤传输损耗：信号幅度衰减色散：信号波形展宽光接收机作用检测微弱光信号、放大、整形、还原成为输入信号器件光电检测器：利用光电效应把光信号转变为电信号光电二极管：PIN管，雪崩二极管APD基本要求灵敏度高、响应快、成本低、可靠性高、耦合性能好5.1数字光接收机强度调制的数字光信号，接收端采用直接检测（DD）。IM-DD数字光纤接收机(IM-

2、DD:IntensityModulation-DirectDetection)光信号光电检测器前置放大主放大均衡滤波判决器译码器时钟恢复偏置控制输出电信号码型变换器解复用器告警电路AGC电路告警信号光电检测器：光信号转换成电信号PIN－－半导体光电二极管APD－－雪崩光电二极管2.前置放大器：低噪声放大器减弱或防止电磁干扰抑制噪声（热噪声和散粒噪声）放大信号（1）带宽和灵敏度：接收机中心问题（降低输入噪声，提高灵敏度）高输入阻抗前置放大器：高输入阻抗可减小热噪声，提高接收机灵敏度，但降低带宽。（2）带宽与均衡滤波：均衡滤波技术消除码间干扰，扩大带宽。主放大器：（1）提供足够大的

3、增益，达到判决电路所需的信号电平；（2)增益受AGC电路控制。4.均衡滤波:虑除波形展宽，消除码间干扰。5.判决器/时钟恢复：对信号进行再生，包括调谐放大、限幅、整形、移相。6.解复用器:若发射端复用,则接收端需解复用。译码/码型变换器：（1）若发射端进行了扰码，需要译码；（2）HDB3、CMI码等解码。5.2光电检测过程的基本原理(1)入射光子的能量hf超过禁带能量Eg，进入耗尽层，在耗尽区吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。(2)在PN结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子－空穴对在电场作用下，分别离开耗尽区，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，空穴和从负

4、电极进入的电子复合，电子则离开N区进入正电极，从而形成在外电路中的光生电流Ip。（图示）光电效应必须满足条件：hf>Eg入射光耗尽层IpRLwU电极P＋N－光电二极管：PINPIN二极管：在P+和N-之间加入一个Si中掺杂较少的I层，作为耗尽层，I层较宽，约有5um～50um，可吸收绝大部分光子。响应时间由光生载流子穿越耗尽层的宽度W所决定。增加W会使更多的光子被吸收，从而增加量子效率，但是载流子穿越W的时间增加，响应速变慢。响应波长——（截止波长）任何一种材料制作的光电二极管，都有性能参数量子效率ηη=(hf/q)Rq:电荷响应度R光电检测器的响应度。暗电流Id，表示无光照时

5、出现的反向电流，影响接收机的信噪比。响应速度：对光信号的反应速度。结电容Cd（pF）：影响响应速度。雪崩光电二极管APD:Avalanchephotodiode(1)速度高，增益大，广泛应用于光通信系统中。(2)能承受高的反向偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区，电子－空穴对经过电场区时被加速，又可能碰到其他原子，多次碰撞电离的结构，使载流子迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪崩倍增效应。APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器平均雪崩效应，经验公式新型APD(1)采用InP材料作增益区的异质结——分别吸收和倍增APD:SAMAPD(SeparateAbsor

6、ptionandMultiplicationAPD),目的是使工作波长在1.3um～1.6um波长波段上。(2)分别吸收、渐变、倍增APD：SAGMAPD(SeparateAbsorptionGradingandMultiplicationAPD),在InCaAs、InP之间增加一层带隙介于两者之间的半导体材料，克服SAMAPD响应时间长的缺点。(3)多量子阱MQWAPD：MultipleQuantumWell,利用InCaAs、InP交替变化的结构，从而形成高低带隙交替变化的半导体层.MSM光探测器：金属－半导体－金属光探测器（Metal－Semiconductor－Meta

7、l），基本原理一样，入射光子产生电子－空穴对，电子－空穴对的波动产生光电流集成光学光电探测器为适应光电子集成电路（OEIC）的要求，研究适用于单片集成的各种光波探测器，光波导探测器，不采用光压电方式，采用光电导和雪崩方式(1)外延生长InGaAs探测器采用外延生长的方式制作，通过控制材料中In的含量，可使器件在0.85～5.3um光波长范围内工作;通过适当选择InGaAs中的掺杂浓度，使耗尽层厚度正好等于波导厚度，并使InCaAs的横截面大于波导的横截面，有可能达到100%的量子效率。(2)