光纤通信(朱宗玖)第五章.ppt

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1、第五章光检测器和光接收机5.1光检测器5.2光检测器的特性5.3光接收机5.4光接收机的噪声5.5误码率和灵敏度5.1光检测器光纤通信系统所采用的光接收器件，叫做光检测器。其作用是把接收到的光信号转化为电信号。光电探测器决定着整个信息系统的灵敏度、带宽等特性。5.1.1光电二极管如图5.1所示，光电二极管(PD)由半导体PN结组成，结上加反向偏压。当有光照射时，若光子能量(hf)大于或等于半导体禁带宽度(Eg)，则占据低能级(价带)的电子吸收光子能量而跃迁到较高能级(导带)，在耗尽区里产生许多电子空穴对，称为光生载流子。这些光生载流子受到结区内电场(自建

2、场)的作用，电子漂移到N区、空穴漂移到P区，于是P区就有过剩的空穴积累，N区则有过剩的电子积累，也就是在PN结两边产生了一个发光电动势，即光生伏特效应。5.1.2PIN光电二极管由于受激辐射仅仅发生在PN结附近，远离PN结的地方没有电场存在，因此就决定了PN光电二极管(PNPhotodiode，PNPD)或PN光电检测器的光电变换效率非常低下及响应速度很慢。PIN光电二极管的工作原理当光照射到PIN光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区（高场区）及耗尽区附近产生受激辐射现象，从而产生电子空穴对。5.1.3雪崩光电二极管雪崩光电二极管应用光生载流子在

3、其耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应而获得光生电流的雪崩倍增。1.雪崩倍增原理APD的雪崩倍增原理为：当入射光照射在APD的光敏面上时，由于受激吸收原理会产生电子空穴对(这里我们称之为一次电子空穴对)。2.APD的工作原理当光照射到APD的光敏面上时，由于受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴对，如图5.3所示。5.2光检测器的特性5.2.1PIN光电二极管1.量子效率和响应度光电转换效率用量子效率或响应度R表示。量子效率的定义为一次光生电子－空穴对和入射光子数的比值响应度R的定义为一次光生电流Ip和入射光功率P0的比值式中，hf为光子能量，e为电子

4、电荷。2.响应时间和频率特性光电二极管对高速谓制光信号的响应能力用脉冲响应时间或截止频率fc(带宽B)表示。PIN光电二极管响应时间或频率特性由光生载流子在耗尽层的渡越时间和包括光电二极管在内的检测电路RC常数所确定。由电路RC时间常数限制的截止频率式中，Rt为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和，Cd为结电容Cj和管壳分布电容的总和。式中，为材料介电常数，A为结面积，w为耗尽层宽度。3.噪声噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数。直接影响光接收机的接收灵敏度。光电二极管的噪声包括由信号电流和暗电流产生的散粒噪声和由负载电阻和后继放大器输入电阻产生的

5、热噪声。暗电流是没有光入射时流过光检测器的电流，它是由PN结的热激发产生的电子－空穴对形成的。暗电流的均方值为再加上信号电流的散粒噪声，总的均方散粒噪声值为式中，e为电子电荷，B为放大器带宽，Ip和Id分别为信号电流和暗电流。均方热噪声电流因此，光电二极管的总均方噪声电流为5.2.2雪崩光电二极管特性1.倍增因子由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这种效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述它的放大作用，并把倍增因子定义为雪崩光电二极管（APD）输出光电流I0和一次光生电流Ip的比值：显然，APD的响应度比PIN增加了g倍。g可以表示为2

6、.过剩噪声因子雪崩倍增效应不仅对信号电流而且对噪声电流同样起放大作用，所以如果不考虑别的因素，APD的均方量子噪声电流为这是对噪声电流直接放大产生的，并未引入新的噪声成分。事实上，雪崩效应产生的载流子也是随机的，所以引入新的噪声成分，并表示为附加噪声因子F(F>1)是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪声电流应为同理，APD暗电流产生的均方噪声电流应为5.3光接收机数字光接收机的功能是：把经光纤传输后幅度被衰减、波形被展宽的微弱光信号转换为电信号，并放大处理，恢复为原发射的数字序列。数字光接收机最主要的性能指标是灵敏度和

7、动态范围。灵敏度和误码率密切相关，主要取决于光检测器的性能和相关电路的设计。直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机组成如图5.4所示，主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。5.3.1光检测器光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。5.3.2放大器前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型。主放大器一般是多极放大器，它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制(AGC)，以使输

8、入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和AGC决定着光接收机的