第六章 光电检测器与光接收机
6.1 光电检测器
6.2 光电检测器的特性指标
6.3 光 接 收 机
6.4 光接收机的噪声
6.5 光接收机的灵敏度
6.1 光电检测器
6.1.1 PIN
由于受激辐射仅仅发生在 PN结附近,
远离 PN结的地方没有电场存在,因此就决定了 PN 光电二极管 ( PN Photodiode，
PNPD)或 PN光电检测器的光电变换效率非常低下及响应速度很慢 。
1,PIN
PIN光电二极管 (PINPD)的结构如图
6.1所示 。
图 6.1 PIN光电二极管的结构
2,PIN
当光照射到 PIN光电二极管的光敏面上时,会在整个耗尽区 （ 高场区 ） 及耗尽区附近产生受激辐射现象,从而产生电子空穴对 。
6.1.2
雪崩光电二极管应用光生载流子在其耗尽区 (高场区 )内的碰撞电离效应而获得光生电流的雪崩倍增 。
1.
常用的 APD结构包括拉通型 APD和保护环型 APD,如图 6.2所示 。 由于要实现电流放大作用需要很高的电场,因此只能在图中所示的高场区发生雪崩倍增效应 。
图 6.2 APD的结构
2.
APD的雪崩倍增原理为：当入射光照射在 APD的光敏面上时,由于受激吸收原理会产生电子空穴对 (这里我们称之为一次电子空穴对 )。
3,APD
当光照射到 APD的光敏面上时,由于受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴对 。
6.2 光电检测器的特性指标
6.2.1 光电检测器的工作特性
1.
在一定波长的光照射下,光电检测器的平均输出电流与入射的平均光功率之比称为响应度 (或响应率 )。 响应度可以表示如下：
式中,Ip为光生电流的平均值 (单位：
A)； P为平均入射光功率值 (单位,W)。
2.
响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性,而量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性 。 量子效率定义为通过结区的载流子数与入射的光子数之比,常用符号 η表示：
式 中,e 是 电 子 电 荷,其 值 约 为
1.6× 10-19G； ν为光频 。 η与 ρ关系可以表示为：
式中,h是普朗克常数,c是光在真空中的速度,λ是光电检测器的工作波长 。 代入相应数值后,可以得到：
从式 (6-4)中可以看出：在工作波长一定时,η与 ρ具有定量的关系 。
3.
光电二极管的响应速度是指它的光电转换速度 。
4.
暗电流主要由体内暗电流和表面暗电流组成 。
5,APD
APD的电流增益,即平均倍增因子 M
可表示为：
式中,Ip为 APD倍增后的光生电流； Ip0是未倍增时的原始光生电流 。 若无倍增时和倍增时的总电流分别为 I1和 I2,则应扣除当时的暗电流 Id1和 Id2后才能求出 M。
6.
光电检测器的噪声包括量子噪声,暗电流噪声和由倍增过程产生的倍增噪声 。
(1) PINPD
PINPD的总均方噪声电流可以表述如下：
〈 i2〉 =2e(Ip+Id)B
式中,e为电子电荷量； Ip为光生电流； Id
为 PINPD的暗电流,B为噪声带宽 。
(2) APD
APD的量子噪声和暗电流噪声 (要考虑倍增作用 )与 PINPD机理类似,计算方法也基本相同 。
(3)
虽然 APD的倍增作用对信号有放大作用,但是由于倍增噪声的存在也使得总噪声增加 。
6.2.2 光电检测器的典型指标
1.
表 6.1中列出了富士通公司生产的两种光电检测器的典型指标 。
2.
与光源器件一样,在没有测试条件的情况下,使用人员也可以借助于指针式万用表对光电检测器件进行简易的测试 。 这种测试方法主要是检查光电检测器件 PN结的好坏,PN结好不能保证器件具有好的特性,而 PN不好的器件其质量绝对不会好 。
常用光电检测器件的参考数据如表 6.2所示 。
6.3 光 接 收 机
6.3.1
1.
常用的非相干检测方式就是直接功率检测方式 。 直接功率检测方式是通过光电二极管直接将接收的光信号恢复成基本调制信号的过程 。
2.
就像普通的无线电收音机一样,首先接收光信号要与一个光本地振荡器在光混频器混频之后,再被光电检测器变换成一定要求的电信号,如图 6.5所示 。
图 6.5 相干检测原理
6.3.2 光接收机的构成与指标
1.
在实用的直接功率检测光接收机中,
光电检测器直接从接收光信号中将基本调制信号恢复出来 。
2.
对于不同的光纤通信系统,有着不同的光接收机质量指标 。
(1)
所谓光接收机灵敏度,就是指在一定误码率或信噪比 (有时还要加上信号波形失真量 )条件下光接收机需要接收的最小平均光功率 (有时也称为平均最小输入光功率 )。
(2)
所谓光接收机动态范围,就是指在一定误码率或信噪比 (有时还要加上信号波形失真量 )条件下光接收机允许的光信号平均光功率的变化范围 。
6.4 光接收机的噪声
6.4.1
1.
光电检测器上的噪声包括光检测噪声
(有可能与信号强度相关的噪声 ),暗电流噪声及背景辐射噪声 。
(1) PINPD
由于光的量子性,PINPD的光检测噪声属于光量子噪声 。 PINPD的光检测噪声可以由下式决定：
式中,η为光电检测器的量子效率； e为电子电荷量； P为平均接收光功率； B为系统带宽； h为普朗克常数； ν为光子的频率 。
(2) APD
由于 APD雪崩倍增过程的随机性,使得 APD的光检测噪声更多的表现为倍增噪声 。 APD的光检测噪声可以表述如下：
式中,η为光电检测器的量子效率； e为电子电荷量； P为输入光电检测器的平均光功率； M为 APD的平均倍增因子； F为
APD的倍增噪声系数； B为系统带宽 。
2.
不管前置放大器的具体结构如何,从低噪声角度出发第一级采用共射极 (或共源极 )则是公认的 。 关于第一级器件的应用,
无非是晶体三极管 (Bi-junction Transistor，
BJT)或场效应管 (Field Effect Transistor，
FET)两类 。
(1) FET
FET前置放大器的输入等效噪声可以用下式表示：
(2) BJT
BJT前置放大器的输入等效噪声可以表示为：
3.
光接收机的输入等效总噪声可以表示为：
ntot=nPD+nA
在 PINPD光接收机中,nPD要远远小于 nA。
6.4.2
1,PINPD
根据信噪比定义,PINPD光接收机判决点上的信噪比为：
2,APD
同理,可以得到 APD光接收机在判决
6.5 光接收机的灵敏度
6.5.1 数字光接收机的误码率根据通信系统理论,二进制数字传输系统的误码率可以表示为：
式中,p(0)和 p(1)分别表示二进制数字码流中,0”,,1” 出现的概率； p0(i)和
p1(i)分别表示,0”,,1” 码的概率密度函数； i表示信号电流的瞬时值； D0是 p0(i)
和 p1(i)相等时对应的信号电流 。
利用数值计算技术求得误码率的方法非常费时,而且不能对光接收机的设计提供多少帮助 。 所以,为了简化计算,一般均将概率密度函数近似成高斯函数来进行相应的分析 。 于是,误码率又可表示成：
式中 Q可以表示为：
6.5.2 光接收机的灵敏度极限光接收机的灵敏度极限也称为理想光接收机的灵敏度 。 由于这种光接收机完全是理想的：光电检测器暗电流为零,放大器无噪声,系统的带宽无限大 。
当码流中,0”,,1” 等概时,系统的误码率就等于,1” 码发生差错概率的一半,即式中,n表示一个码元的平均光子数 。
6.5.3
根据式 (6-23),可以得到如下公式：
在这里不考虑暗电流和光源直流光影响
(Iop0=0),并且有 Iop1可以表示为：
式中,M为 APD的倍增因子 (对 PINPD，
M=1)； P1为,1” 码时的光功率； A为放大器的放大倍数 。
6.5.4 影响光接收机灵敏度的
1.
在光纤通信系统中,光接收机接收到的光信号波形是被光纤线路展宽了的信号波形,这种波形将会存在码间干扰 。
为了减少码间干扰的影响,必须对接收的信号波形进行滤波均衡,变成没有码间干扰的信号波形 (实际中多采用升余弦波 )。 经过均衡后,光接收机的带宽可以用如下公式表示：
式中,ε是输出波形的滚降因子 。 从上式可以看出,光接收机的带宽将大于奈奎斯特带宽 。
2.
为了有利于判决,我们希望光接收机输出的信号波形为升余弦波 。
3.
由于光源是在一定正向偏置电压下工作的,因此无信号时光接收机仍然能够接收到一定的光功率,这种光信号称为直流光 。
4.
为了将升余弦波信号恢复为标准数字信号,在均衡滤波电路之后还设置了再生判决电路 。 判决电路的作用为：当信号在判决时刻大于判决阈值时,判决电路输出
,1” ；当信号在判决时刻小于判决阈值时,判决电路输出,0” 。
一般地,我们将相对判决阈值定义为：
式中,D0为判决阈值； Am为信号幅度 。
6.1 光电检测器
6.2 光电检测器的特性指标
6.3 光 接 收 机
6.4 光接收机的噪声
6.5 光接收机的灵敏度
6.1 光电检测器
6.1.1 PIN
由于受激辐射仅仅发生在 PN结附近,
远离 PN结的地方没有电场存在,因此就决定了 PN 光电二极管 ( PN Photodiode，
PNPD)或 PN光电检测器的光电变换效率非常低下及响应速度很慢 。
1,PIN
PIN光电二极管 (PINPD)的结构如图
6.1所示 。
图 6.1 PIN光电二极管的结构
2,PIN
当光照射到 PIN光电二极管的光敏面上时,会在整个耗尽区 （ 高场区 ） 及耗尽区附近产生受激辐射现象,从而产生电子空穴对 。
6.1.2
雪崩光电二极管应用光生载流子在其耗尽区 (高场区 )内的碰撞电离效应而获得光生电流的雪崩倍增 。
1.
常用的 APD结构包括拉通型 APD和保护环型 APD,如图 6.2所示 。 由于要实现电流放大作用需要很高的电场,因此只能在图中所示的高场区发生雪崩倍增效应 。
图 6.2 APD的结构
2.
APD的雪崩倍增原理为：当入射光照射在 APD的光敏面上时,由于受激吸收原理会产生电子空穴对 (这里我们称之为一次电子空穴对 )。
3,APD
当光照射到 APD的光敏面上时,由于受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴对 。
6.2 光电检测器的特性指标
6.2.1 光电检测器的工作特性
1.
在一定波长的光照射下,光电检测器的平均输出电流与入射的平均光功率之比称为响应度 (或响应率 )。 响应度可以表示如下：
式中,Ip为光生电流的平均值 (单位：
A)； P为平均入射光功率值 (单位,W)。
2.
响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性,而量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性 。 量子效率定义为通过结区的载流子数与入射的光子数之比,常用符号 η表示：
式 中,e 是 电 子 电 荷,其 值 约 为
1.6× 10-19G； ν为光频 。 η与 ρ关系可以表示为：
式中,h是普朗克常数,c是光在真空中的速度,λ是光电检测器的工作波长 。 代入相应数值后,可以得到：
从式 (6-4)中可以看出：在工作波长一定时,η与 ρ具有定量的关系 。
3.
光电二极管的响应速度是指它的光电转换速度 。
4.
暗电流主要由体内暗电流和表面暗电流组成 。
5,APD
APD的电流增益,即平均倍增因子 M
可表示为：
式中,Ip为 APD倍增后的光生电流； Ip0是未倍增时的原始光生电流 。 若无倍增时和倍增时的总电流分别为 I1和 I2,则应扣除当时的暗电流 Id1和 Id2后才能求出 M。
6.
光电检测器的噪声包括量子噪声,暗电流噪声和由倍增过程产生的倍增噪声 。
(1) PINPD
PINPD的总均方噪声电流可以表述如下：
〈 i2〉 =2e(Ip+Id)B
式中,e为电子电荷量； Ip为光生电流； Id
为 PINPD的暗电流,B为噪声带宽 。
(2) APD
APD的量子噪声和暗电流噪声 (要考虑倍增作用 )与 PINPD机理类似,计算方法也基本相同 。
(3)
虽然 APD的倍增作用对信号有放大作用,但是由于倍增噪声的存在也使得总噪声增加 。
6.2.2 光电检测器的典型指标
1.
表 6.1中列出了富士通公司生产的两种光电检测器的典型指标 。
2.
与光源器件一样,在没有测试条件的情况下,使用人员也可以借助于指针式万用表对光电检测器件进行简易的测试 。 这种测试方法主要是检查光电检测器件 PN结的好坏,PN结好不能保证器件具有好的特性,而 PN不好的器件其质量绝对不会好 。
常用光电检测器件的参考数据如表 6.2所示 。
6.3 光 接 收 机
6.3.1
1.
常用的非相干检测方式就是直接功率检测方式 。 直接功率检测方式是通过光电二极管直接将接收的光信号恢复成基本调制信号的过程 。
2.
就像普通的无线电收音机一样,首先接收光信号要与一个光本地振荡器在光混频器混频之后,再被光电检测器变换成一定要求的电信号,如图 6.5所示 。
图 6.5 相干检测原理
6.3.2 光接收机的构成与指标
1.
在实用的直接功率检测光接收机中,
光电检测器直接从接收光信号中将基本调制信号恢复出来 。
2.
对于不同的光纤通信系统,有着不同的光接收机质量指标 。
(1)
所谓光接收机灵敏度,就是指在一定误码率或信噪比 (有时还要加上信号波形失真量 )条件下光接收机需要接收的最小平均光功率 (有时也称为平均最小输入光功率 )。
(2)
所谓光接收机动态范围,就是指在一定误码率或信噪比 (有时还要加上信号波形失真量 )条件下光接收机允许的光信号平均光功率的变化范围 。
6.4 光接收机的噪声
6.4.1
1.
光电检测器上的噪声包括光检测噪声
(有可能与信号强度相关的噪声 ),暗电流噪声及背景辐射噪声 。
(1) PINPD
由于光的量子性,PINPD的光检测噪声属于光量子噪声 。 PINPD的光检测噪声可以由下式决定：
式中,η为光电检测器的量子效率； e为电子电荷量； P为平均接收光功率； B为系统带宽； h为普朗克常数； ν为光子的频率 。
(2) APD
由于 APD雪崩倍增过程的随机性,使得 APD的光检测噪声更多的表现为倍增噪声 。 APD的光检测噪声可以表述如下：
式中,η为光电检测器的量子效率； e为电子电荷量； P为输入光电检测器的平均光功率； M为 APD的平均倍增因子； F为
APD的倍增噪声系数； B为系统带宽 。
2.
不管前置放大器的具体结构如何,从低噪声角度出发第一级采用共射极 (或共源极 )则是公认的 。 关于第一级器件的应用,
无非是晶体三极管 (Bi-junction Transistor，
BJT)或场效应管 (Field Effect Transistor，
FET)两类 。
(1) FET
FET前置放大器的输入等效噪声可以用下式表示：
(2) BJT
BJT前置放大器的输入等效噪声可以表示为：
3.
光接收机的输入等效总噪声可以表示为：
ntot=nPD+nA
在 PINPD光接收机中,nPD要远远小于 nA。
6.4.2
1,PINPD
根据信噪比定义,PINPD光接收机判决点上的信噪比为：
2,APD
同理,可以得到 APD光接收机在判决
6.5 光接收机的灵敏度
6.5.1 数字光接收机的误码率根据通信系统理论,二进制数字传输系统的误码率可以表示为：
式中,p(0)和 p(1)分别表示二进制数字码流中,0”,,1” 出现的概率； p0(i)和
p1(i)分别表示,0”,,1” 码的概率密度函数； i表示信号电流的瞬时值； D0是 p0(i)
和 p1(i)相等时对应的信号电流 。
利用数值计算技术求得误码率的方法非常费时,而且不能对光接收机的设计提供多少帮助 。 所以,为了简化计算,一般均将概率密度函数近似成高斯函数来进行相应的分析 。 于是,误码率又可表示成：
式中 Q可以表示为：
6.5.2 光接收机的灵敏度极限光接收机的灵敏度极限也称为理想光接收机的灵敏度 。 由于这种光接收机完全是理想的：光电检测器暗电流为零,放大器无噪声,系统的带宽无限大 。
当码流中,0”,,1” 等概时,系统的误码率就等于,1” 码发生差错概率的一半,即式中,n表示一个码元的平均光子数 。
6.5.3
根据式 (6-23),可以得到如下公式：
在这里不考虑暗电流和光源直流光影响
(Iop0=0),并且有 Iop1可以表示为：
式中,M为 APD的倍增因子 (对 PINPD，
M=1)； P1为,1” 码时的光功率； A为放大器的放大倍数 。
6.5.4 影响光接收机灵敏度的
1.
在光纤通信系统中,光接收机接收到的光信号波形是被光纤线路展宽了的信号波形,这种波形将会存在码间干扰 。
为了减少码间干扰的影响,必须对接收的信号波形进行滤波均衡,变成没有码间干扰的信号波形 (实际中多采用升余弦波 )。 经过均衡后,光接收机的带宽可以用如下公式表示：
式中,ε是输出波形的滚降因子 。 从上式可以看出,光接收机的带宽将大于奈奎斯特带宽 。
2.
为了有利于判决,我们希望光接收机输出的信号波形为升余弦波 。
3.
由于光源是在一定正向偏置电压下工作的,因此无信号时光接收机仍然能够接收到一定的光功率,这种光信号称为直流光 。
4.
为了将升余弦波信号恢复为标准数字信号,在均衡滤波电路之后还设置了再生判决电路 。 判决电路的作用为：当信号在判决时刻大于判决阈值时,判决电路输出
,1” ；当信号在判决时刻小于判决阈值时,判决电路输出,0” 。
一般地,我们将相对判决阈值定义为：
式中,D0为判决阈值； Am为信号幅度 。
