光纤通信技术第五章 光检测器及光接收机 王建萍 jpwang@tsinghua.edu.cn 信息光电子研究所 清华大学电子工程系.

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1 光纤通信技术第五章 光检测器及光接收机 王建萍 信息光电子研究所 清华大学电子工程系

2 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
光源 调制器 驱动电路 放大器 光电二极管 判决器 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

3 光信号 输出 光电 变换 前置 放大 主放 大器 均衡 滤波 判 决 器 AGC电路 时钟恢复 性能指标:接收灵敏度、 误码率或信噪比 前端 线性通道 对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。 时钟提取与数据再生 （CDR）

4 第五章 光检测器及光接收机 5.1 光检测器 5.2 光接收机 5.3 光接收机的噪声特性 5.4 光接收机的灵敏度
第五章 光检测器及光接收机 5.1 光检测器 5.2 光接收机 5.3 光接收机的噪声特性 5.4 光接收机的灵敏度 5.5 光接收机的性能评估

5 5.1 光检测器 光电转换器件 要求: 高效率、低噪声、宽带 原理：光吸收
5.1 光检测器 入射光 半导体 光电转换器件 要求: 高效率、低噪声、宽带 原理：光吸收 在半导体材料上，当入射光子能量h超过带隙能量时，每当一个光子被半导体吸收就产生一个电子—空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电子和空穴就在半导体中渡越并形成电流流动，称为光电流，其电流大小Ip与入射光功率Pin成比例： R—光电检测器的响应度（A/W）

6 PN光电二极管(1) 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，其值主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间。

7 扩散分量的存在导致光电二极管瞬态响应失真
PN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。 扩散分量的存在导致光电二极管瞬态响应失真 考虑漂移和扩散运动时PN光电二极管对矩形脉冲的响应 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

8 PIN光电二极管(1) 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。 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

9 5.1.2 PIN光电二极管(2) 双异质结结构： N区和P区：InP，对>920nm的光透明；
I区: InGaAs； =1300~1600nm 强烈吸收 InGaAs PIN 光电二极管的结构

10 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。

11 光谱响应 对一给定的探测区材料就有一个能够探测的最低频率或最大波长，而对波长大于这个极限波长的光波就不能被探测到。
光子能量h大于半导体材料的禁带宽度Eg时，价带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，否则不论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任何一种材料制作的光电二极管都有上截止波长C：

12 在短波长段，材料的吸收吸收系数变得很大，因此光子在接近光检测器的表面就被吸收了，电子－空穴对的寿命极短，结果载流子在由光检测器电路收集以前就已经复合了。
Si：C=1.06m，使用范围：0.5~1.0 m Ge： C=1.6m，使用范围：1.1~1.6 m InGaAs： C=1.6m，使用范围：1.1~1.6 m

13 5.1.3 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
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－空穴对。 耗尽层仍为I层，起产生一次电子－空穴对的作用。

14 APD倍增系数与过剩噪声因子 1、倍增系数 M = Ip / I0 IP--平均输出电流， I0--一次光生电流
IP ＝M I0 ＝MRPin 倍增系数M与电离系数及增益区厚度有关。 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＝Mx x被称为过剩噪声指数。

15 光检测器的比较（1） 参数 符号 单位 Si Ge InGaAs 波长范围  nm 400~1100 800~1650 1100~1700
Si、Ge、InGaAs pin光电二极管的通用工作特性参数 参数 符号 单位 Si Ge InGaAs 波长范围  nm 400~1100 800~1650 1100~1700 响应度 R A/W 0.4~0.6 0.4~0.5 0.75~0.95 暗电流 ID nA 1~10 50~500 0.5~2.0 上升时间 r ns 0.5~1.0 0.1~0.5 0.05~0.5 带宽 B GHz 0.3~0.7 0.5~3.0 1.0~2.0 偏置电压 VB V 5 5~10

16 光检测器的比较（2） 参数 符号 单位 Si Ge InGaAs 波长范围  nm 400~1100 800~1650 1100~1700
雪崩增益 M —— 20~400 50~200 10~40 暗电流 ID nA 0.1~1 50~500 10~50 @M=10 上升时间 r ns 0.1~2 0.5~0.8 0.1~0.5 增益带宽积 M•B GHz 100~400 2~10 20~250 偏置电压 VB V 150~400 20~40 20~30

17 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。

18 第五章 光检测器及光接收机 5.1 光检测器 5.2 光接收机 5.3 光接收机的噪声特性 5.4 光接收机的灵敏度
第五章 光检测器及光接收机 5.1 光检测器 5.2 光接收机 5.3 光接收机的噪声特性 5.4 光接收机的灵敏度 5.5 光接收机的性能评估

19 5.2 光接收机 光信号 输出 光电 变换 前置 放大 主放 大器 均衡 滤波 判 决 器 AGC电路 时钟恢复 前端 线性通道
5.2 光接收机 光信号 输出 光电 变换 前置 放大 主放 大器 均衡 滤波 判 决 器 AGC电路 时钟恢复 前端 线性通道 时钟提取与数据再生 （CDR） 性能指标:接收灵敏度、 误码率或信噪比 对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。

20 5.2.1 光接收机的前端(1) 前端：由光电二极管和前置放大器组成。
光接收机的前端(1) 电信号 光信号 光电 变换 前置 放大 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、足够的带宽

21 5.2.1 光接收机的前端(2) 光检测器的选择：要视具体应用场合而定。
光接收机的前端(2) 光检测器的选择：要视具体应用场合而定。 PIN光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工作电压，响应速度快。 APD最大的优点是它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。 从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用PIN光电二极管作光探测器。 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。

22 5.2.1 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
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 光接收机前端的等效电路 低阻抗前端 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

23 5.2.1 光接收机的前端(4) 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
光接收机的前端(4) 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. 高阻抗前端 跨阻抗前端 电压并联负反馈放大器（电流-电压转换器） 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。

24 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。
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。 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 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。

25 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 输出
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”。 输出 判 决 器 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。

26 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。

27 第五章 光检测器及光接收机 5.1 光检测器 5.2 光接收机 5.3 光接收机的噪声特性 5.4 光接收机的灵敏度
第五章 光检测器及光接收机 5.1 光检测器 5.2 光接收机 5.3 光接收机的噪声特性 5.4 光接收机的灵敏度 5.5 光接收机的性能评估

28 5.3 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。
光检测器 放大器 偏置电阻 光子流 h RL 量子噪声 暗电流噪声 漏电流噪声 APD倍增噪声 热噪声 放大器噪声 接收机噪声及其分布图： 散粒噪声

29 光检测器 放大器 偏置电阻 光子流 h RL 量子噪声 暗电流噪声 漏电流噪声 APD倍增噪声 热噪声 放大器噪声 接收机噪声及其分布图： 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。

30 光检测器 放大器 偏置电阻 光子流 h RL 量子噪声 暗电流噪声 漏电流噪声 APD倍增噪声 热噪声 放大器噪声 接收机噪声及其分布图： 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。

31 光检测器 放大器 偏置电阻 光子流 h RL 量子噪声 暗电流噪声 漏电流噪声 APD倍增噪声 热噪声 放大器噪声 接收机噪声及其分布图： 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。

32 APD倍增噪声：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的随机特性产生附加的噪声。
光检测器 放大器 偏置电阻 光子流 h RL 量子噪声 暗电流噪声 漏电流噪声 APD倍增噪声 热噪声 放大器噪声 接收机噪声及其分布图： APD倍增噪声：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的随机特性产生附加的噪声。

33 热噪声：是在有限温度下，导电媒质内自由电子和振动离子间热相互作用引起的一种随机脉动。
光检测器 放大器 偏置电阻 光子流 h RL 量子噪声 暗电流噪声 漏电流噪声 APD倍增噪声 热噪声 放大器噪声 接收机噪声及其分布图： 热噪声：是在有限温度下，导电媒质内自由电子和振动离子间热相互作用引起的一种随机脉动。

34 第五章 光检测器及光接收机 5.1 光检测器 5.2 光接收机 5.3 光接收机的噪声特性 5.4 光接收机的灵敏度
第五章 光检测器及光接收机 5.1 光检测器 5.2 光接收机 5.3 光接收机的噪声特性 5.4 光接收机的灵敏度 5.5 光接收机的性能评估

35 5.4 光接收机的灵敏度 接收灵敏度：接收机工作于某一误码率所要求的最小平均接收光功率。灵敏度是光接收机的重要指标，描述了其准确检测光信号的能力。 误码率（BER）： 接收机判决电路 错误确定一个比 特的概率。 噪声引起误码的图解说明

36 二进制信号的误码概率 I1 I0

37 二进制信号的误码概率 I1 I0

38 二进制信号的误码概率 I1 I0

39 二进制信号的误码概率 I1 I0

40 Q被广泛用来说明接收机的特性。 Q=6，BER=10E-9 Q>7， BER<10E-12 通常: 2.5Gb/s系统的接收灵敏度对应于BER=10E-9； 10Gb/s系统的接收灵敏度对应于BER=10E-10；

41 光接收机灵敏度的恶化 实际光发送机发出的光信号并非理想比特流，并在光纤传输过程中可能变形。在这种非理想条件下，与仅考虑接收机噪声而导出的灵敏度值相比，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。其影响因素很多。

42 810Gb/s 80km G.652光纤传输实验-误码特性 功率代价

43 第五章 光检测器及光接收机 5.1 光检测器 5.2 光接收机 5.3 光接收机的噪声特性 5.4 光接收机的灵敏度
第五章 光检测器及光接收机 5.1 光检测器 5.2 光接收机 5.3 光接收机的噪声特性 5.4 光接收机的灵敏度 5.5 光接收机的性能评估

44 5.5 光接收机的性能评估 一、误码率曲线： 误码率随入射光功率变化的曲线。 二、码长效应
5.5 光接收机的性能评估 一、误码率曲线： 误码率随入射光功率变化的曲线。 测试系统： 光发射机 光衰减器 光接收机 误码测试系统 二、码长效应 抗连“0”和连“1”的能力，主要取决于AGC电路和时钟提取电路 实验中，测试不同字长序列的伪随机码（2N-1最长连“0”和连“1”为N个）的误码特性，通常要求27-1与223-1的灵敏度差不超过0.5~0.7dB。

45 典型的10Gb/s光接收机的误码特性

46 眼图 是观测系统性能最直观、最简单的方法。误码率是最终结果，眼图可用于分析形成误码的原因。
形成：眼图就是随机信号在反复扫描过程中叠加在一起的综合反映。

47 以一个3比特长的NRZ码为例，它有八种可能的图样，如果同时将这八种图样叠加，就得到眼图。

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49 显示基本测量参数的眼图的一般结构

50 眼图分析 模型化眼图 阈值 最佳判决时刻 1. 眼睛睁开最大处为最佳判决时刻 2. 眼睛睁开度表征噪声容限
t1 t2 V1 V2 阈值 最佳判决时刻 模型化眼图 1. 眼睛睁开最大处为最佳判决时刻 2. 眼睛睁开度表征噪声容限 3. 眼睛展开度减小表征时钟抖动增加 4. 眼皮厚度体现噪声大小 5. 非线性传输特性会产生眼图的不对称性。

51 背对背 传输80km 典型的10Gb/s光发射及传输后的眼图

52 小结 光检测器：PIN、APD 光接收机的组成 光接收机的噪声特性 光接收机的灵敏度 光接收机的性能评估：眼图、误码曲线