光檢測(cè)器及光接收機(jī).ppt

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1、光檢測(cè)器與光接收機(jī)第五章李佳駿光源調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路放大器光電二極管判決器光纖光纖中繼器光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，恢復(fù)光載波所攜帶的原信號(hào)。光接收機(jī)光電轉(zhuǎn)換器件要求:高效率、低噪聲、寬帶原理：光吸收入射光半導(dǎo)體5.1光檢測(cè)器目前，較為常見(jiàn)的半導(dǎo)體光檢測(cè)器有：（1）PIN光電二極管（2）雪崩光電二極管APD5.1.1PN光電二極管工作原理：入射光從P側(cè)進(jìn)入，在耗盡區(qū)光吸收產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)作用下分別向左右兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生光電流。響應(yīng)時(shí)間：由光功率輸入轉(zhuǎn)化為光電流輸出，有一定時(shí)間遲后，其值主要決定

2、于載流子通過(guò)耗盡區(qū)的渡越時(shí)間。5.1.1PN光電二極管(2)帶寬受限的主要因素:產(chǎn)生的光電流中存在擴(kuò)散分量，它與耗盡區(qū)外的光吸收有關(guān)。載流子作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的時(shí)延將使檢測(cè)器輸出電流脈沖后沿的托尾加長(zhǎng)，影響光電二極管的響應(yīng)速度。解決方法：減小P,N區(qū)厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，使大部分入射光功率在耗盡區(qū)吸收，減少P,N區(qū)吸收的光能--PIN考慮漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)PN光電二極管對(duì)矩形脈沖的響應(yīng)擴(kuò)散分量的存在導(dǎo)致光電二極管瞬態(tài)響應(yīng)失真5.1.2PIN光電二極管在PN結(jié)間插入一層非摻雜或輕摻雜半導(dǎo)體材料，以增大耗盡區(qū)寬度w，達(dá)到減小擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響，提高響應(yīng)度

3、的要求。由于PN結(jié)中間插入的半導(dǎo)體材料近似為本征半導(dǎo)體(Intrinsic)，因此這種結(jié)構(gòu)稱為PIN光電二極管。I區(qū)高阻抗,電壓基本都落在I區(qū)PIN光電二極管及反偏時(shí)各層的場(chǎng)分布5.1.3雪崩光電二極管APDPIN:1個(gè)光子最多產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴對(duì),無(wú)增益APD:利用電離碰撞,1個(gè)光子產(chǎn)生多對(duì)電子-空穴對(duì),有增益工作過(guò)程：入射光-------一對(duì)電子-空穴對(duì)(一次光生電流)--------------與晶格碰撞電離---------多對(duì)電子-空穴對(duì)(二次光生電流）吸收外電場(chǎng)加速增加了一個(gè)附加層，倍增區(qū)或增益區(qū)，以實(shí)現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生二次電子－

4、空穴對(duì)。耗盡層仍為I層，起產(chǎn)生一次電子－空穴對(duì)的作用。當(dāng)保持所加偏置電壓不變時(shí)，降低溫度，則電子和空穴的電離速率會(huì)增加，因而雪崩增益也會(huì)增加。溫度對(duì)雪崩增益的影響量子效率入射光功率Pin中含有大量光子，能轉(zhuǎn)換為光電流的光子數(shù)和入射總光子數(shù)之比稱為量子效率.產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)的個(gè)數(shù)入射的光子數(shù)在光電二極管的應(yīng)用中，100個(gè)光子會(huì)產(chǎn)生30到95個(gè)電子－空穴對(duì)，因此檢測(cè)器的量子效率范圍為30%~95%。為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區(qū)的厚度，使得可以吸收大部分的光子。但是，耗盡區(qū)越厚，光生載流子漂移渡越(across)反向偏置結(jié)的時(shí)間就越

5、長(zhǎng)。由于載流子的漂移時(shí)間又決定了光電二極管的響應(yīng)速度，所以必須在響應(yīng)速度和量子效率之間采取折衷。5.2光接收機(jī)光信號(hào)光電變換前置放大主放大器均衡濾波判決器時(shí)鐘恢復(fù)輸出AGC電路性能指標(biāo):接收靈敏度、誤碼率或信噪比前端線性通道時(shí)鐘提取與數(shù)據(jù)再生（CDR）對(duì)信號(hào)進(jìn)行高增益放大與整形，提高信噪比，減少誤碼率。（注:AGC自動(dòng)增益控制）5.2.1光接收機(jī)的前端前端：由光電二極管和前置放大器組成。作用：將耦合入光電檢測(cè)器的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)變電流，然后進(jìn)行預(yù)放大（電流－電壓轉(zhuǎn)換），以便后級(jí)作進(jìn)一步處理。是光接收機(jī)的核心。要求：低噪聲、高靈敏度、足夠的帶

6、寬電信號(hào)光信號(hào)光電變換前置放大5.2.2光接收機(jī)的線性通道對(duì)主放輸出的失真數(shù)字脈沖進(jìn)行整形，使之成為有利于判決碼間干擾最小的升余弦波形?？筛鶕?jù)輸入信號(hào)（平均值）大小自動(dòng)調(diào)整放大器增益，使輸出信號(hào)保持恒定。用以擴(kuò)大接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。提供高的增益，放大到適合于判決電路的電平。主放大器均衡濾波AGC電路5.2.3判決再生與時(shí)鐘提取任務(wù)：把線性通道輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)為確定是“1”或是“0”，需要對(duì)某時(shí)隙的碼元作出判決。若判決結(jié)果為“1”，則由再生電路產(chǎn)生一個(gè)矩形“1”脈沖；若判決結(jié)果為“0”，則由再生電路重新輸入一個(gè)“0”。為了精確地

7、確定“判決時(shí)刻”，需要從信號(hào)碼流中提取準(zhǔn)確的時(shí)鐘信息作為標(biāo)定，以保證與發(fā)送端一致。判決器時(shí)鐘恢復(fù)輸出光接收機(jī)的噪聲特性光接收機(jī)的噪聲將影響信噪比SNR和通信質(zhì)量。主要來(lái)自光電探測(cè)器和前置放大器的噪聲。分為兩類：散粒噪聲和熱噪聲。1.光檢測(cè)器產(chǎn)生散粒噪聲2.負(fù)載電阻產(chǎn)生熱噪聲3.放大器產(chǎn)生放大噪聲5.3.2光接收機(jī)性能指標(biāo)1誤碼率BER=Ne/Nt=Ne/Bt即：誤比特率=錯(cuò)誤比特/總比特2靈敏度（1）輸入的最小平均光功率（2）每個(gè)光脈沖的最低平均光子數(shù)n0（3）每個(gè)光脈沖的最低平均能量Ed5.4光中繼器光中繼器的功能：補(bǔ)償光能量損耗，對(duì)畸

8、變失真的信號(hào)波形進(jìn)行整形。中繼器：光電中繼器、全光中繼器光電中繼器：光-電-光方式全光中繼器：沒(méi)有光-電-光轉(zhuǎn)換的過(guò)程