第5章 光电检测器和光接收机 本章内容 5.1 光检测器 5.2 光电检测器的工作特性 5.3 光接收机 5.4 光接收机的噪声 第5章  光电检测器和光接收机 本章内容 5.1 光检测器 5.2 光电检测器的工作特性 5.3 光接收机 5.4 光接收机的噪声 5.5 光接收机的误码率和接收灵敏度 小结、习题

2.1 光检测器 1.光纤通信对光电检测器的主要要求 (1)在工作波长上光电转换效率要高，即对一定的入射光信号功率，光检测器能输出尽可能大的光电流； (2)检测过程中带来的附加噪声尽可能小； (3)响应速度快、线性好及频带宽，使信号失真尽量小； (4)高可靠长寿命，尺寸与光纤直径相配，工作电压低等。

2．半导体的光电效应 半导体光检测器是利用半导体的光电效应制成。 光生伏特效应----适当波长的光，照射非均匀半导体（如P-N结）即使没有外电场作用，也会因内建场的存在，使半导体中产生电动势（光生电压），这种内建场引起的光电转换过程称为光生伏特效应。

条件

3．PIN光电二极管 吸收区与作用区 从半导体表面到内部x方向上吸收入射光产生电子孔穴对 吸收区： 作用区 ：吸收系数[1/cm] h x ：吸收系数[1/cm] 吸收区： 称 为穿透深度 耗尽层内 （每对光生载流子都可迅速漂移生成电流） --转换效率高、运动速度快 作用区 耗尽区内转换效率最高 为此 两侧扩散长度内 （只有扩散到耗尽层边缘，才能漂移生成电流） ①施加反偏压 ②扩大耗尽层

为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，在P型材料和N型材料之间加一个I层（本征耗尽层），它是轻掺杂的N型材料，电子浓度很低，经扩散可以形成一个很宽的耗尽层。这就是PIN光电二极管（PIN-PD）

PIN特点：光电转换效率较高（无光生电流放大作用），响应速度快。 工作波长 采用双异质结设计能显著提高二极管的性能。 PIN特点：光电转换效率较高（无光生电流放大作用），响应速度快。

4．雪崩光电二极管 APD的工作原理是利用半导体材料的雪崩倍增效应制成的。 APD的结构：保护环型、拉通型 图为拉通型雪崩光电二极管(RAPD)的结构示意图和电场分布图。

耗尽区载流子在强电场作用下获得很大动能，高速碰撞半导体晶格（使价带电子激发到导带，产生新的电子孔穴对—即“碰撞电离”） 比PIN管响应度大（有高的内部增益） --轻掺杂，耗尽层较宽 --掺杂极轻的P型 --重掺杂，耗尽层极窄 四层结构 P-N结外加高反压使 产生雪崩倍增效应 耗尽区载流子在强电场作用下获得很大动能，高速碰撞半导体晶格（使价带电子激发到导带，产生新的电子孔穴对—即“碰撞电离”） 不断多次地碰撞电离的结果，载流子密度、反向电流迅速加大，引成所谓雪崩效应。

雪崩光电二极管随使用的材料不同有：Si-APD(工作在短波长区)；Ge-APD，InGaAs-APD等(工作在长波长区)。Si-APD性能较好，它工作在0.85μm附近，倍增增益高达100～1000，暗电流很小；Ge-APD工作在长波长区，它的倍增增益一般不超过15，过剩噪声大，暗电流也很大，限制了倍增增益及检测灵敏度。 InGa/InP或InGaAsP/InP-APD工作在长波长区有较好的性能，从结构上，类似于Si-RAPD，吸收区和倍增区分开，因此又称为SAM-APD。 APD特点：光电转换效率高（有光生电流放大作用，即雪崩倍增作用），响应速度快。

􀂄PIN、APD二极管比较 􀂄PIN二极管特点：结构简单，可靠性高。电压低，使用方便。量子效率高。噪声小。带宽较高。

使用场合： PIN：广泛应用于光纤通信系统。在灵敏度要求不高的场合，一般都采用PIN。 APD：在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用APD。如：小信号测量

Si-PIN/APD用于短波长(0.85μm)光纤通信系统。 InGaAs-PIN用于长波长(1.31μm/1.55μm)系统。 把InGaAs-PIN和使用场效应管（FET）的前置放大器集成，构成FET-PIN接收组件，可以进一步提高灵敏度，改善器件的性能。

5.2 光电检测器的工作特性 光电检测器的工作特性参数很多，PIN-PD的主要工作特性有的响应度和量子效率、响应时间、暗电流等，由于APD有雪崩倍增效应，所以APD除了上述参数外还包括倍增因子、过剩噪声指数等。

1、响应度和量子效率 响应度是描述这种器件光电转换能力的物理量。 描述这种器件光电转换能力也可以从另一个角度描述，这就是量子效率η，定义为产生的光生电子-空穴对数占入射光子数的百分比。

响应度 通常，R=0.5A/W左右。 量子效率

解：⑴ Si PIN光电二极管的响应度： ⑵Ge光电二极管的响应度： 已知⑴Si PIN光电二极管，量子效率=0.7，波长 =0.85m； ⑵Ge光电二极管，=0.4，波长=1.6m，计算它们的响应度。 解：⑴ Si PIN光电二极管的响应度： ⑵Ge光电二极管的响应度：

PIN和APD的响应度与入射光的波长有关，Si-PIN和Si-APD的波长响应范围为600～1000nm，对检测0.85μm的光非常有效。 Ge-PIN和Ge-APD或InGaAs-PIN、InGaAsP-PIN和InGaAs-APD范围为1000～1650nm，可以接收1310nm和1550nm的光信号。

2、响应时间 响应时间是描述光电检测器对光信号变化响应速度快慢程度的物理量，一般用上升时间和下降时间来表示。所谓上升时间是PD受阶跃光脉冲照射时，输出脉冲前沿的10%点到90%点之间的时间间隔来衡量。

光电检测器的响应时间受三个因素影响： 1) 渡越时间 2) 扩散时间 3) 电路的影响

3、暗电流 暗电流Id是指在PIN规定的反向电压或者APD的90%击穿电压时，在无入射光情况下器件内部的反向电流。暗电流将引起光接收机噪声增大。因此，人们总是希望器件的暗电流越小越好。 一般，PIN的Id<1nA，APD的Id=1～几十nA。 暗电流Id构成本地背景噪声，称为暗电流散粒噪声，其电流均方值为

4、倍增特性 由APD的偏压来控制 一般：40-100 过剩噪声指数 对于APD，由于发生雪崩倍增效应，所以APD还需要用倍增特性来描述。APD的倍增特性有倍增因子G、过剩噪声指数x等。 由APD的偏压来控制 一般：40-100 过剩噪声指数

5.3 光接收机 1．光接收机的组成 直接检测数字光纤通信接收机一般由三个部分组成，即光接收机的前端、线性通道和数据恢复三个部分。

均衡滤波 判决器 译码器 自动增益控制 时钟恢复 前放 前端 线性通道 数据恢复 主放

1)光接收机前端 光接收机前端的作用是将光纤线路末端耦合到光电检测器的光比特流转变为时变电流，然后进行预放大，以便后一级进一步处理。 光接收机前端的一般由光电检测器和前置放大器组成。 光生电流通常为10-5～10-7A 前置放大器的重要性能指标：低噪声和高灵敏度，以及合适的带宽、大的动态范围和良好的温度稳定性等。

根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案。 (1)低阻抗前端 (2)高阻抗前端 (3)跨(互)阻抗前端

码速率所要求的前端带宽 宽带与低噪声之间的矛盾 ⑴ 低阻抗前端 前端等效电路  ° 前置放大器 （a）无反馈电阻前端 RL为负载电阻；Ct包括光电管结电容、前放的杂散电容和输入电容等 宽带与低噪声之间的矛盾 选大的RL可减小热噪声、提高接收机灵敏度，但同时降低了带宽f ⑴ 低阻抗前端 容易实现宽带：（在满足f前提下），要求检测器负载电阻 线路简单、动态范围较大，但噪声大、灵敏度低

减小了前端热噪声，但RL增大使带宽和动态范围减小 ⑵ 高阻抗前端 减小了前端热噪声，但RL增大使带宽和动态范围减小 ⑶ 跨阻抗前端 这是常用的形式  ° 前置放大器 （b）跨阻抗前端 不仅噪声小，且利用负反馈使有效输入电阻降低K倍，使带宽比⑵增加K倍，动态范围也提高。

（第一级采用电压负反馈，第二级采用射极补偿以提升高频分量） 图为一400Mb/s跨阻抗前端电路图 （第一级采用电压负反馈，第二级采用射极补偿以提升高频分量） +V  ° +5V 输出

典型电路：FET互阻抗前置放大器 电压并联负反馈前置放大器

BG1是场效应管（FET），接成共源方式，BG2是超高频三极管，接成共基方式，BG3和BG4是超高频三极管，接成共集方式（即射极跟随器）。BG1、BG2和BG3组成反相放大器，负反馈电阻Rf跨接在该反相放大器的输入和输出端之间，构成电压并联负反馈前置放大器。该负反馈前置放大器的互阻抗近似等于Rf。 该电路主要特点是： 􀃕采用了共源-共基-共集方式，内部反馈小，即后级电路对前级电路的影响小，电路稳定性好； 􀃕采用了负反馈，使放大器输入阻抗有所减小，有利于增大带宽。

2)线性通道 光接收机的线性通道由一个高增益的主放大器和一个均衡滤波器组成，还应包括峰值检测和自动增益控制(AGC)电路，用来控制放大器增益。因为主放大器和一个均衡滤波器起一个线性系统的作用，故可称为线性通道。

（1）将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。 主放大器的作用有两个方面： （1）将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。 （2）它还是一个增益可调节的放大器。 对于APD的光接收机还通过控制APD的偏压来控制雪崩倍增管的雪崩增益。

典型电路：双栅FET主放大器

该电路由两级放大电路组成： 第1级由双栅场效应管BG构成的双栅FET放大器，接成共源方式。 􀃗第2级是由IC构成的集成放大器。 信号经BG放大器和IC放大器放大后输送到到均衡器。

自动增益控制（AGC）方式： 采用两级AGC电路： 第一级：正控制作用，即BG放大器增益与控制电压AGC1成正比。将后级电路产生的AGC1电压送至G2以控制BG放大器的增益。当入射光功率弱时，AGC1电压升高，BG放大器增益变大；反之，入射光功率较强时，AGC1电压下降，BG放大器增益变小。

第二级：反控制作用，即IC放大器增益与控制电压AGC2成反比。即：入射光功率弱时，AGC2电压下降，IC放大器增益变大；入射光功率强时，AGC2电压升高，IC放大器增益变小。

均衡滤波器作用：对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使其变为升余弦信号，以利于克服码间干扰进行幅度判决。 ① 没有均衡滤波器将出现这些现象 将会使前、后码元的波形重叠，产生码间干扰，严重时造成判决电路误判，产生误码。 ② 有均衡滤波器的波形 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。例如，成为升余弦频谱脉冲

码间干扰（ISI：Intersymbol Interference） 1．产生原因 光纤色散将引起光脉冲展宽。当光脉冲展宽超过分配给它们的时隙时，以致一部份光脉冲能量进入相邻时隙，对邻近码元信号产生干扰，称为码间干扰。而留在本时隙内的光脉冲能量减小，使判决电路的输入信噪比降低。所以，码间干扰是产生误码的重要原因。

例如：若单个脉冲的频谱如图所示

2．码间干扰消除方法 若单个码元的时域展宽波形的主峰峰值对应时刻以及各个零点对应时刻是等间隔分布，并且其间隔时间Δt等于码元周期Tb，则用这种码元时域展宽波形组成的码元序列，在传号（即“1”码）码元波形的主峰峰值对应时刻上不会出现其它码元信号的非零值，因而不会产生码间干扰。在空号（即“0”码）码元的零值中心时刻上也不会出现其它码元信号的非零值，同样不会产生码间干扰。所以，在传号码元的主峰峰值对应时刻上和在空号码元的零值中心时刻上进行幅度判决，不会产生误码。

四个传号脉冲和一个空号脉冲组成二进制码“11101”

3．升余弦信号的特点 升余弦信号的时域函数为 其中β称为滚降因子，通常取β= 0.5～1，Tb是码元周期。

升余弦信号的频域函数为

升余弦信号的时域、频域波形图

均衡电路 均衡电路是专门的滤波及频率补偿电路，其输出波形应当接近升余弦波。实现方法是，补偿某些频率、抑制某些频率。 目前光纤数字通信系统采用单模光纤，对于140Mb/s以下的系统，光纤通信系统的脉冲时间展宽很小。因此，均衡器可以做得比较简单，可用RC或LC滤波器来实现，滤波器中一部份元件数值需要通过实验（观测眼图）来调整确定。

LRC滤波器均衡电路图

均衡滤波器：使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形

4．数据恢复 数据恢复电路由判决电路和时钟恢复电路组成，如果需要与电端机接口，还需要解码、解扰和编码电路。

2.辅助电路 (1)钳位电路 (2)温度补偿电路 (3)告警电路。

基线恢复 一、基本功能：将升余弦信号的基线固定在某一电平上不变。 由于均衡器输出的升余弦码流中的“1”、“0”脉冲分布不均匀，常常有数目不等的连续“1”或连续“0”出现，致使信号中的直流成分起伏变化。这种信号通过后面各级交流耦合电路时，信号基线（即信号底部或顶部）会随之漂移，不利于幅度判决。

二、典型电路 1．二极管箝位器(用在≤34Mb/s光纤通信系统中) E2>E1>E2-Vm

该电路条件是E2>E1>E2-Vm E2>E1确保：当sin(t)=0（包括无输入信号）时，二极管D截止； E1>E2-Vm用来确保：当sin(t)=-Vm时，二极管D导通； 二极管D导通内阻rD<<负载电阻RL，以便充电很快、放电很慢。

2．差分电路负反馈箝位器（用在140Mb/s光纤通信系统中）

幅度判决 一、基本功能 将均衡器输出并经过基线恢复处理的升余弦波信号整形成为非归零（NRZ）的矩形脉冲信号，以利于时钟提取。

二、典型电路 由与非门和反相电路构成。

非线性处理 一、基本功能 将幅度判决输出的非归零矩形脉冲序列信号变为归零矩形脉冲序列信号，以利于提取时钟信号。 NRZ与RZ脉冲序列信号的区别如下： （1）时域：NRZ脉冲宽度τ等于码元周期Tb，RZ脉冲宽度τ小于码元周期Tb(τ=Tb/m，其中m=2、3、4…)。 （2）频域：NRZ功率谱没有时钟频率的线谱分量，RZ功率谱则有之。

二、典型电路

时钟提取 一、基本功能 从非线性处理输出的RZ信号中获得按时钟频率fb振荡的余弦信号。其中fb=1/Tb。 二、典型电路：LC谐振放大器 电感L和电容C1、C2（C2是微调电容）构成LC谐振回路，与输入信号中的相应谐波共振。输入信号sin(t)来自非线性处理电路，输出信号sout(t)送往限幅移相电路，sout(t)是衰减余弦振荡信号。它对应于sin(t)为单个RZ脉冲时的谐振输出。

理论上已推导出sout(t)为

Q是LC谐振迴路的等效品质因数，其值越大，则幅度衰减越慢。 ωb是谐振角频率。 sout(t)的两相邻正波峰间隔为2π/ωb，每一个正波峰将处理成为后续电路的时标。 若令上式右边K0及指数项为 则K(t)是图中sout(t)波形的幅度包络线。

限幅移相 一、基本功能 将时钟提取电路输出的一列幅度变化很大的余弦振荡信号进行限幅，得到矩形脉冲信号，再经过移相和电平变换，变成后续电路所需要的时钟信号。 二、典型电路：射极耦合限幅移相电路 输入信号sin(t)是来自时钟提取电路的衰减余弦振荡信号，输出信号sout(t)是定时脉冲信号，送往定时判决电路。限幅功能由BG1～BG4完成，移相功能由输出端的R、C完成。

该电路工作状态的确定： 该电路有三种工作状态： 状态I：BG2截止、BG3导通； 状态II：BG2、BG3同时导通； 状态III：BG2导通、BG3截止。 选择两个临界电压V1（<0）和V2（>0）

定时判决 一、基本功能 利用限幅移相电路输出的时钟脉冲的控制作用，将幅度判决电路输出的NRZ脉冲信号（其前后沿有较大抖动）变成与发送端一致的NRZ脉冲信号（抖动很小）。 二、典型电路：使用D触发器 D端输入来自幅度判决电路的NRZ信号，CK端输入来自限幅移相电路的定时脉冲信号，Q端输出再生NRZ信号，送往输出电路进行码型反变换。

3.光接收模块和集成光接收机 光接收模块是指将包括PD管芯和前置放大器以及阻抗匹配电路和电路状态监视/警示电路，再加上若干光学元件集成在一个管壳内并形成光接收功能的器件。 集成光接收机与光接收模块不同，它是采用集成电路工艺技术把所有的元件集成在一个芯片上。

在高比特工作时，这种集成光接收机具有很多优点。90年代末用Si和GaAs集成电路工艺已制成带宽超过2GHz的集成光接收机，现在带宽超过10GHz的集成光接收机也已用于光波实验系统。

集成光接收机设计制造有两种方案，一种称为混合集成光接收机，它将电子器件集成在GaAs芯片上，而将光电二极管制造在InP芯片上，然后将InP芯片按图示倒装式接合法，堆叠在GaAs芯片上，使这两个芯片连接起来。另一种是光电集成电路（OEIC），将光接收机所有元器件集成在同一芯片上。

4.光收发一体模块 光收发一体模块是将传统的分离发射、接收组件合二为一密封在同一管壳内的新型光电器件。它具有如下优点：小型化、低成本、高可靠性和高性能，在数据通信和电信传输中均有广阔的应用前景。

5.4 光接收机的噪声 1．数字光纤通信系统的信号变换特点 5.4 光接收机的噪声 1．数字光纤通信系统的信号变换特点 在数字光纤通信系统中，传输的是由“0”和“1”组成的二进制光脉冲信号，这是一种单极性码，即光功率在“接通”(“1”码)和“断开”(“0”码)两个电平上变动。按照“1”码时码元周期T的大小，分为归零码(RZ码)与非归零码(NRZ码)两种。显然，RZ码的占空比为0.5，而NRZ码的占空比为1。

为数字光纤通信系统中数字脉冲传输过程的变换特点。

2．光接收机的噪声源

光接收机的噪声是与信息无关的随机变化量，噪声源从引入过程来分，可分为两类，即与信号光电检测器有关的噪声和与光电接收机电路有关的噪声。 与信号光电检测器有关的噪声包括：量子噪声、雪崩倍增噪声、暗电流及漏电流噪声和背景噪声等等。 与光接收机电路有关的噪声包括：放大器噪声、负载电阻热噪声等。

3．噪声的评价方法 1）噪声的大小可以用均方值来表示 散粒噪声 电阻热噪声 总噪声 ——放大器噪声系数

2）信噪比(SNR) 信噪比(SNR)是评价光接收机性能的重要指标，其定义为平均信号功率和噪声功率的比值

5.5 光接收机的误码率和接收灵敏度 1．光接收机的误码率分析 对于数字光接收机，数字信号的恢复是由判决电路判定，判决电路接收到的波动信号如图所示。阴影部分表示出现错误的情况。

BER=错误接收的码元数/传输的码元总数 一般

为使总误码率最小，一般令 从而有 这样，就得到BER与参量Q的关系式： 参量Q带有信噪比的意义，因为

对Q＞3，近似表达式有合理的精度，BER随Q参数的变化趋势如图示，当Q增大时，BER降低了，接收机性能提高了。

2．光接收机的灵敏度和动态范围 灵敏度是数字光接收机最重要的指标，它直接决定光纤通信系统的中继距离和通信质量。数字光接收机的灵敏度定义为：在保证一定误码率的条件下，光接收机所需接收的最小光功率。 灵敏度越高，意味着数字光接收机接收微弱光信号的能力就越强，当光发送机输出功率一定时，则保证通信质量(误码率低于某一数值)的中继距离就越长。因此，提高数字光接收机的灵敏度，可以延长光纤通信的中继距离和增加通信容量。

最小平均光功率Pmin，在国际单位制中，它的单位是瓦(W)；而在工程上，光接收机的灵敏率常用光功率相对值来表示，单位是分贝毫瓦(dBm)。二者的换算关系为

光接收机的动态范围是在保证系统的误码率指标要求下，光接收机最低输入光功率Pmin和最大允许光功率Pmax的变化范围。这个范围用D来表示，一般在工程上用二者(用dBm为单位描述)之差来表示。一台质量好的光接收机应有较宽的动态范围。

光接收机的极限灵敏度 式中：B为比特率；hf为光子的能量； 为每比特的平均光子数，假设当比特“0”不携带能量， 。

考虑非理想条件下 ,接收机要求的最小平均光功率增大了，这个增量称为功率代价，也称灵敏度恶化。 造成功率代价的因素有多种，大致可分为两类: 第一类是即使没有光纤，不传输也存在，包括：消光比引起的灵敏度恶化，强度噪声引起的灵敏度恶化，取样时间抖动引起的灵敏度恶化等。 第二类是光信号在光纤中传输时而产生的灵敏度恶化。灵敏度恶化的结果是实际的光接收机的灵敏度要降低许多。