第六章光電檢測器與光接收機(jī)6.1光電檢測器6.2光電檢測器的特性指標(biāo)6.3光接收機(jī)6.4光接收機(jī)的噪聲6.5光接收機(jī)的靈敏度6.1光電檢測器6.1.1PIN光電二極管 由于受激輻射僅僅發(fā)生在PN結(jié)附近，遠(yuǎn)離PN結(jié)的地方?jīng)]有電場存在，因此就決定了PN光電二極管(PNPhotodiode，PNPD)或PN光電檢測器的光電變換效率非常低下及響應(yīng)速度很慢。1.PIN光電二極管的結(jié)構(gòu) PIN光電二極管(PINPD)的結(jié)構(gòu)如圖6.1所示。圖6.1PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)2.PIN光電二極管的工作原理 當(dāng)光照射到PIN光電二極管的光敏面上時，會在整個耗盡區(qū)（高場區(qū)）及耗盡區(qū)附近產(chǎn)生受激輻射現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電子空穴對。6.1.2雪崩光電二極管 雪崩光電二極管應(yīng)用光生載流子在其耗盡區(qū)(高場區(qū))內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)而獲得光生電流的雪崩倍增。1.雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu) 常用的APD結(jié)構(gòu)包括拉通型APD和保護(hù)環(huán)型APD，如圖6.2所示。由于要實(shí)現(xiàn)電流放大作用需要很高的電場，因此只能在圖中所示的高場區(qū)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)。圖6.2APD的結(jié)構(gòu)2.雪崩倍增原理 APD的雪崩倍增原理為：當(dāng)入射光照射在APD的光敏面上時，由于受激吸收原理會產(chǎn)生電子空穴對(這里我們稱之為一次電子空穴對)。3.APD的工作原理 當(dāng)光照射到APD的光敏面上時，由于受激吸收而在器件內(nèi)產(chǎn)生出一次電子空穴對。6.2光電檢測器的特性指標(biāo)6.2.1光電檢測器的工作特性1.響應(yīng)度 在一定波長的光照射下，光電檢測器的平均輸出電流與入射的平均光功率之比稱為響應(yīng)度(或響應(yīng)率)。響應(yīng)度可以表示如下： 式中：Ip為光生電流的平均值(單位：A)；P為平均入射光功率值(單位：W)。2.量子效率 響應(yīng)度是器件在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性，而量子效率是器件在內(nèi)部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性。量子效率定義為通過結(jié)區(qū)的載流子數(shù)與入射的光子數(shù)之比，常用符號η表示：式中：e是電子電荷，，其值約為1.6×10-19G；ν為光頻。η與ρ關(guān)系可以表示示為：式中：h是普朗克常數(shù)數(shù)，c是光在真空中中的速度,λ是光電檢測器器的工作波長長。代入相應(yīng)應(yīng)數(shù)值后，可可以得到：從式(6-4)中可以看看出：在工作作波長一定時時，η與ρ具有定量的關(guān)關(guān)系。3.響應(yīng)速速度光電二極管的的響應(yīng)速度是是指它的光電電轉(zhuǎn)換速度。。4.暗暗電電流流暗電電流流主主要要由由體體內(nèi)內(nèi)暗暗電電流流和和表表面面暗暗電電流流組組成成。。5.APD的倍倍增增因因子子APD的電電流流增增益益，，即即平平均均倍倍增增因因子子M可表表示示為為：：式中中：：Ip為APD倍增增后后的的光光生生電電流流；；Ip0是未未倍倍增增時時的的原原始始光光生生電電流流。。若若無無倍倍增增時時和和倍倍增增時時的的總總電電流流分分別別為為I1和I2，則應(yīng)應(yīng)扣扣除除當(dāng)當(dāng)時時的的暗暗電電流流Id1和Id2后才才能能求求出出M。。6.光光電電檢檢測測器器的的噪噪聲聲光電電檢檢測測器器的的噪噪聲聲包包括括量量子子噪噪聲聲、、暗暗電電流流噪噪聲聲和和由由倍倍增增過過程程產(chǎn)產(chǎn)生生的的倍倍增增噪噪聲聲。。(1)PINPD的噪噪聲聲PINPD的總總均均方方噪噪聲聲電電流流可可以以表表述述如如下下：：〈i2〉=2e(Ip+Id)B式中中：：e為電電子子電電荷荷量量；；Ip為光光生生電電流流；；Id為PINPD的暗暗電電流流，，B為噪噪聲聲帶帶寬寬。。(2)APD的噪噪聲聲APD的量量子子噪噪聲聲和和暗暗電電流流噪噪聲聲(要要考考慮慮倍倍增增作作用用)與與PINPD機(jī)理理類類似似，，計(jì)計(jì)算算方方法法也也基基本本相相同同。。(3)最最佳佳倍倍增增因因子子雖然然APD的倍倍增增作作用用對對信信號號有有放放大大作作用用，，但但是是由由于于倍倍增增噪噪聲聲的的存存在在也也使使得得總總噪噪聲聲增增加加。。6.2.2光光電電檢檢測測器器的的典典型型指指標(biāo)標(biāo)及及簡簡易易檢檢測測1.光光電電檢檢測測器器的的典典型型指指標(biāo)標(biāo)表6.1中中列列出出了了富富士士通通公公司司生生產(chǎn)產(chǎn)的的兩兩種種光光電電檢檢測測器器的的典典型型指指標(biāo)標(biāo)。。2.光光電器件件的簡易易檢測與光源器器件一樣樣，在沒沒有測試試條件的的情況下下，使用用人員也也可以借借助于指指針式萬萬用表對對光電檢檢測器件件進(jìn)行簡簡易的測測試。這這種測試試方法主主要是檢檢查光電電檢測器器件PN結(jié)的好壞壞：PN結(jié)好不能能保證器器件具有有好的特特性，而而PN不好的器器件其質(zhì)質(zhì)量絕對對不會好好。常用用光電檢檢測器件件的參考考數(shù)據(jù)如如表6.2所示示。6.3光接收收機(jī)機(jī)6.3.1光光解調(diào)調(diào)原理1.非非相干檢檢測方式式常用的非非相干檢檢測方式式就是直直接功率率檢測方方式。直直接功率率檢測方方式是通通過光電電二極管管直接將將接收的的光信號號恢復(fù)成成基本調(diào)調(diào)制信號號的過程程。2.相相干檢測測方式就像普通通的無線線電收音音機(jī)一樣樣，首先先接收光光信號要要與一個個光本地地振蕩器器在光混混頻器混混頻之后后，再被被光電檢檢測器變變換成一一定要求求的電信信號，如如圖6.5所示示。圖6.5相相干檢測測原理6.3.2光光接收收機(jī)的構(gòu)構(gòu)成與指指標(biāo)1.光光接收機(jī)機(jī)的構(gòu)成成在實(shí)用的的直接功功率檢測測光接收收機(jī)中，，光電檢檢測器直直接從接接收光信信號中將將基本調(diào)調(diào)制信號號恢復(fù)出出來。2.光光接收機(jī)機(jī)指標(biāo)對于不同同的光纖纖通信系系統(tǒng)，有有著不同同的光接接收機(jī)質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)標(biāo)。(1)光光接收收機(jī)靈敏敏度所謂光接接收機(jī)靈靈敏度，，就是指指在一定定誤碼率率或信噪噪比(有有時還要要加上信信號波形形失真量量)條件件下光接接收機(jī)需需要接收收的最小小平均光光功率(有時也也稱為平平均最小小輸入光光功率)。(2)光光接收收機(jī)動態(tài)態(tài)范圍所謂光接接收機(jī)動動態(tài)范圍圍，就是是指在一一定誤碼碼率或信信噪比(有時還還要加上上信號波波形失真真量)條條件下光光接收機(jī)機(jī)允許的的光信號號平均光光功率的的變化范范圍。6.4光接收機(jī)機(jī)的噪聲聲6.4.1光光接收收機(jī)的噪噪聲源1.光光電檢測測器噪聲聲光電檢測測器上的的噪聲包包括光檢檢測噪聲聲(有可可能與信信號強(qiáng)度度相關(guān)的的噪聲)、暗電電流噪聲聲及背景景輻射噪噪聲。(1)PINPD的光檢測測噪聲由于光的的量子性性，PINPD的光檢測測噪聲屬屬于光量量子噪聲聲。PINPD的光檢測測噪聲可可以由下下式?jīng)Q定定：式中：η為光電檢檢測器的的量子效效率；e為電子電電荷量；；P為平均接接收光功功率；B為系統(tǒng)帶寬；；h為普朗克克常數(shù)；；ν為光子的的頻率。。(2)APD的光檢測測噪聲由于APD雪崩倍增增過程的的隨機(jī)性性，使得得APD的光檢測測噪聲更更多的表表現(xiàn)為倍倍增噪聲聲。APD的光檢測測噪聲可可以表述述如下：：式中：η為光電檢檢測器的的量子效效率；e為電子電電荷量；；P為輸入光光電檢測測器的平平均光功率；M為APD的平均均倍增增因子子；F為APD的倍增增噪聲聲系數(shù)數(shù)；B為系統(tǒng)統(tǒng)帶寬寬。2.放放大大器的的噪聲聲不管前前置放放大器器的具具體結(jié)結(jié)構(gòu)如如何，，從低低噪聲聲角度度出發(fā)發(fā)第一一級采采用共共射極極(或或共源源極)則是是公認(rèn)認(rèn)的。。關(guān)于于第一一級器器件的的應(yīng)用用，無無非是是晶體體三極極管(Bi-junctionTransistor，，BJT)或場效效應(yīng)管管(FieldEffectTransistor，F(xiàn)ET)兩類。。(1)FET前置放放大器器的噪噪聲FET前置放放大器器的輸輸入等等效噪噪聲可可以用用下式式表示示：(2)BJT前置放放大器器的噪噪聲BJT前置放放大器器的輸輸入等等效噪噪聲可可以表表示為為：3.總總噪噪聲表表達(dá)式式光接收收機(jī)的的輸入入等效效總噪噪聲可可以表表示為為：ntot=nPD+nA在PINPD光接收收機(jī)中中，nPD要遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于于nA。6.4.2光光接接收機(jī)機(jī)的信信噪比比1.PINPD光接收收機(jī)的的信噪噪比根據(jù)信信噪比比定義義，PINPD光接收收機(jī)判判決點(diǎn)點(diǎn)上的的信噪噪比為為：2.APD光接收收機(jī)的的信噪噪比同理，，可以以得到到APD光接收收機(jī)在在判決決點(diǎn)上上的信信噪比比表達(dá)達(dá)式為為：6.5光接收收機(jī)的的靈敏敏度6.5.1數(shù)數(shù)字字光接接收機(jī)機(jī)的誤誤碼率率根據(jù)通通信系系統(tǒng)理理論，，二進(jìn)進(jìn)制數(shù)數(shù)字傳傳輸系系統(tǒng)的的誤碼碼率可可以表表示為為：式中：p(0)和p(1)分別表示二二進(jìn)制數(shù)字字碼流中““0”、““1”出現(xiàn)現(xiàn)的概率；；p0(i)和p1(i)分別表示““0”、““1”碼的的概率密度度函數(shù)；i表示信號電電流的瞬時時值；D0是p0(i)和p1(i)相等時對應(yīng)應(yīng)的信號電電流。利用數(shù)值計(jì)計(jì)算技術(shù)求求得誤碼率率的方法非非常費(fèi)時，，而且不能能對光接收收機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)提供多少少幫助。所所以，為了了簡化計(jì)算算，一般均均將概率密密度函數(shù)近近似成高斯斯函數(shù)來進(jìn)進(jìn)行相應(yīng)的的分析。于于是，誤碼碼率又可表表示成：式中Q可以表示為為：6.5.2光接接收機(jī)的靈靈敏度極限限光接收機(jī)的的靈敏度極極限也稱為為理想光接接收機(jī)的靈靈敏度。由由于這種光光接收機(jī)完完全是理想想的：光電電檢測器暗暗電流為零零，放大器器無噪聲，，系統(tǒng)的帶帶寬無限大大。當(dāng)碼流中““0”、““1”等概概時，系統(tǒng)統(tǒng)的誤碼率率就等于““1”碼發(fā)發(fā)生差錯概概率的一半半，即式中：n表示一個碼碼元的平均均光子數(shù)。。6.5.3實(shí)際光光接收機(jī)的的靈敏度根據(jù)式(6-23)，可以得得到如下公公式：在這里不考考慮暗電流流和光源直直流光影響響(Iop0=0)，并且有Iop1可以表示為為：式中：M為APD的倍增因子子(對PINPD，M=1)；P1為“1”碼碼時的光功功率；A為放大器的的放大倍數(shù)數(shù)。6.5.4影響響光接收機(jī)機(jī)靈敏度的的主要因素素1.輸入入和輸出信信號波形在光纖通信信系統(tǒng)中，，光接收機(jī)機(jī)接收到的的光信號波波形是被光光纖線路展展寬了的信信號波形，，這種波形形將會存在在碼間干擾擾。為了減少碼碼間干擾的的影響，必必須對接收收的信號波波形進(jìn)行濾濾波均衡，，變成沒有有碼間干擾擾的信號波波形(實(shí)際際中多采用用升余弦波波)。