工学光探测及光接收机.pptxVIP

第五章 光探测及光接收机;光发射机发射的光信号经光纤传输 损耗：信号幅度衰减 色散：信号波形展宽 光接收机作用 检测微弱光信号、放大、整形、还原成为输入信号 器件 光电检测器：利用光电效应把光信号转变为电信号 光电二极管：PIN管，雪崩二极管APD 基本要求 灵敏度高、响应快、成本低、可靠性高、耦合性能好 ;5.1 数字光接收机 ;光电检测器：光信号转换成电信号 PIN－－半导体光电二极管 APD－－雪崩光电二极管 2. 前置放大器： 低噪声放大器 减弱或防止电磁干扰 抑??噪声（热噪声和散粒噪声） 放大信号 （1）带宽和灵敏度：接收机中心问题（降低输入噪声，提高灵敏度） 高输入阻抗前置放大器：高输入阻抗可减小热噪声，提高接收机灵敏度，但降低带宽 。 ; （2）带宽与均衡滤波：均衡滤波技术消除码间干扰，扩大带宽。 主放大器： （1）提供足够大的增益，达到判决电路所需的信号电平； （2)增益受AGC电路控制。 4. 均衡滤波:虑除波形展宽，消除码间干扰。 5. 判决器/时钟恢复：对信号进行再生，包括调谐放大、限幅、整形、移相。 6. 解复用器:若发射端复用,则接收端需解复用。 译码/码型变换器： （1）若发射端进行了扰码，需要译码； （2）HDB3、CMI码等解码。;5.2 光电检测过程的基本原理; 光电效应必须满足条件：hfEg ;光电二极管：PIN PIN二极管： 在P+和N-之间加入一个Si中掺杂较少的I层，作为耗尽层，I层较宽，约有5um～50um，可吸收绝大部分光子。响应时间由光生载流子穿越耗尽层的宽度W所决定。增加W会使更多的光子被吸收，从而增加量子效率，但是载流子穿越W的时间增加，响应速变慢。;响应波长——（截止波长） 任何一种材料制作的光电二极管，都有 ; 性能参数 量子效率η η =(hf/q)R q:电荷 响应度R 光电检测器的响应度。 暗电流Id，表示无光照时出现的反向电流，影响接收机的信噪比。 响应速度：对光信号的反应速度。 结电容Cd（pF）：影响响应速度。;雪崩光电二极管 APD: Avalanche photodiode (1) 速度高，增益大，广泛应用于光通信系统中。 (2) 能承受高的反向偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区，电子－空穴对经过电场区时被加速，又可能碰到其他原子，多次碰撞电离的结构，使载流子迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪崩倍增效应。;APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器 平均雪崩效应，经验公式 ;新型APD (1) 采用InP材料作增益区的异质结——分别吸收和倍增APD:SAMAPD (Separate Absorption and Multiplication APD) ,目的是使工作波长在1.3um～1.6um波长波段上。 (2) 分别吸收、渐变、倍增APD：SAGMAPD ( Separate Absorption Grading and Multiplication APD), 在InCaAs、InP之间增加一层带隙介于两者之间的半导体材料，克服SAMAPD响应时间长的缺点。 (3) 多量子阱MQWAPD：Multiple Quantum Well, 利用InCaAs、InP交替变化的结构，从而形成高低带隙交替变化的半导体层.;MSM光探测器：金属－半导体－金属光探测器（Metal－Semiconductor－Metal），基本原理一样，入射光子产生电子－空穴对，电子－空穴对的波动产生光电流 集成光学光电探测器 为适应光电子集成电路（OEIC）的要求，研究适用于单片集成的各种光波探测器，光波导探测器，不采用光压电方式，采用光电导和雪崩方式;(1) 外延生长InGaAs探测器 采用外延生长的方式制作，通过控制材料 中In的含量，可使器件在0.85～5.3um光波长范围内工作; 通过适当选择InGaAs中的掺杂浓度，使耗尽层厚度正好等于波导厚度，并使InCaAs的横截面大于波导的横截面，有可能达到100%的量子效率。 (2) 电吸收光波导探测器 入射光频姐姐禁带宽度时，光吸收的大小主要取决于外加电场的大小，电吸收效应 (3) 离子注入探测器 在CaAs衬底中注入高能离子，形成光波导。;5.3 光接收机的性能 5.3.1 信噪比 产生噪声原因 （1） 散粒噪声：由检测器本身引起 入射光功率产生的光电流： ;热噪声 ：电子在光电二极管负载电阻上的随机热运动，即使外