光检测器及光接收机.ppt

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1、光检测器与光接收机第五章李佳骏光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器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。光接收机光电转换器件要求:高效率、低噪声、宽带原理：光吸收入射光半导体5.1光检测器目前，较为常见的半导体光检测器有：（1）PIN光电二极管（2）雪崩光电二极管APD5.1.1PN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：由光功率输入转化为光电流输出，有一定时间迟后，其值主要决定

2、于载流子通过耗尽区的渡越时间。5.1.1PN光电二极管(2)带宽受限的主要因素:产生的光电流中存在扩散分量，它与耗尽区外的光吸收有关。载流子作扩散运动的时延将使检测器输出电流脉冲后沿的托尾加长，影响光电二极管的响应速度。解决方法：减小P,N区厚度，增加耗尽区的宽度，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少P,N区吸收的光能--PIN考虑漂移和扩散运动时PN光电二极管对矩形脉冲的响应扩散分量的存在导致光电二极管瞬态响应失真5.1.2PIN光电二极管在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

3、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。I区高阻抗,电压基本都落在I区PIN光电二极管及反偏时各层的场分布5.1.3雪崩光电二极管APDPIN: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）吸收外电场加速增加了一个附加层，倍增区或增益区，以实现碰撞电离产生二次电子－

4、空穴对。耗尽层仍为I层，起产生一次电子－空穴对的作用。当保持所加偏置电压不变时，降低温度，则电子和空穴的电离速率会增加，因而雪崩增益也会增加。温度对雪崩增益的影响量子效率入射光功率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－空穴对的个数入射的光子数在光电二极管的应用中，100个光子会产生30到95个电子－空穴对，因此检测器的量子效率范围为30%~95%。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。但是，耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越(across)反向偏置结的时间就越

5、长。由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷。5.2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时钟恢复输出AGC电路性能指标:接收灵敏度、误码率或信噪比前端线性通道时钟提取与数据再生（CDR）对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。（注:AGC自动增益控制）5.2.1光接收机的前端前端：由光电二极管和前置放大器组成。作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然后进行预放大（电流－电压转换），以便后级作进一步处理。是光接收机的核心。要求：低噪声、高灵敏度、足够的带

6、宽电信号光信号光电变换前置放大5.2.2光接收机的线性通道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。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。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AGC电路5.2.3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”。为了精确地

7、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。判决器时钟恢复输出光接收机的噪声特性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。1.光检测器产生散粒噪声2.负载电阻产生热噪声3.放大器产生放大噪声5.3.2光接收机性能指标1误码率BER=Ne/Nt=Ne/Bt即：误比特率=错误比特/总比特2灵敏度（1）输入的最小平均光功率（2）每个光脉冲的最低平均光子数n0（3）每个光脉冲的最低平均能量Ed5.4光中继器光中继器的功能：补偿光能量损耗，对畸

8、变失真的信号波形进行整形。中继器：光电中继器、全光中继器光电中继器：光-电-光方式全光中继器：没有光-电-光转换的过程