1、12 光發(fā)送機(jī)輸出的光信號(hào)，在光纖中轉(zhuǎn)光發(fā)送機(jī)輸出的光信號(hào)，在光纖中轉(zhuǎn)輸時(shí)，不僅幅度會(huì)受到衰減，而且脈沖的輸時(shí)，不僅幅度會(huì)受到衰減，而且脈沖的波形也會(huì)被展寬。波形也會(huì)被展寬。 光接收機(jī)的任務(wù)是以最小的附加噪聲光接收機(jī)的任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真恢復(fù)出由光纖傳輸、光載波所攜帶及失真恢復(fù)出由光纖傳輸、光載波所攜帶的信息，因此光接收機(jī)的輸出特性綜合反的信息，因此光接收機(jī)的輸出特性綜合反映了整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能。映了整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能。 本章重點(diǎn)討論光檢測(cè)器、接收機(jī)前端本章重點(diǎn)討論光檢測(cè)器、接收機(jī)前端的噪聲特性、模擬及數(shù)字接收機(jī)的性能，的噪聲特性、模擬及數(shù)字接收機(jī)的性能，如信噪比或誤碼率、接收

2、機(jī)靈敏度等。如信噪比或誤碼率、接收機(jī)靈敏度等。光接收機(jī)光接收機(jī).swf3 光檢測(cè)器的作用是通過光電效應(yīng)，將光檢測(cè)器的作用是通過光電效應(yīng)，將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 目前的光接收機(jī)絕大多數(shù)都是用光電目前的光接收機(jī)絕大多數(shù)都是用光電二極管直接進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，二極管直接進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換， 其性能的好壞其性能的好壞直接影著接收機(jī)的性能指標(biāo)。直接影著接收機(jī)的性能指標(biāo)。 光電二極管的種類很多，在光纖通信光電二極管的種類很多，在光纖通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)中， 主要采用半導(dǎo)體主要采用半導(dǎo)體pin光電二極管光電二極管和雪崩光電二極管（和雪崩光電二極管（apd)。4由于受激輻射僅僅發(fā)生在由于受激輻

3、射僅僅發(fā)生在pn結(jié)附近，結(jié)附近，遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離pn結(jié)的地方?jīng)]有電場(chǎng)存在，因此就決結(jié)的地方?jīng)]有電場(chǎng)存在，因此就決定了定了pn光電二極管光電二極管(pn photodiode，pnpd)或或pn光電檢測(cè)器的光電變換效率非光電檢測(cè)器的光電變換效率非常低下及響應(yīng)速度很慢。常低下及響應(yīng)速度很慢。pin光電二極管光電二極管(pinpd)的結(jié)構(gòu)及場(chǎng)的結(jié)構(gòu)及場(chǎng)強(qiáng)分布如圖強(qiáng)分布如圖6.1所示。所示。5圖圖6.1 pin光電二極管結(jié)構(gòu)及場(chǎng)強(qiáng)分布光電二極管結(jié)構(gòu)及場(chǎng)強(qiáng)分布6 光電二極管是一種在光電二極管是一種在p型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)型半導(dǎo)體之間設(shè)置了一層本征半導(dǎo)體體之間設(shè)置了一層本征半導(dǎo)體i層的器件。層的器件。 由

4、于在耗盡層內(nèi)所形成的漂移電流，在空間由于在耗盡層內(nèi)所形成的漂移電流，在空間電場(chǎng)的作用下具有較高的響應(yīng)速度，相反在耗盡電場(chǎng)的作用下具有較高的響應(yīng)速度，相反在耗盡層以外所形成的擴(kuò)散電流，響應(yīng)速度很低。層以外所形成的擴(kuò)散電流，響應(yīng)速度很低。 因此，耗盡層的范圍越寬，對(duì)提響應(yīng)速度因此，耗盡層的范圍越寬，對(duì)提響應(yīng)速度就越有利。耗盡層的寬度與就越有利。耗盡層的寬度與p型和型和n型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中的摻雜濃度有關(guān)，在相同的負(fù)偏壓下，摻雜濃度的摻雜濃度有關(guān)，在相同的負(fù)偏壓下，摻雜濃度越低，耗盡層就越寬。越低，耗盡層就越寬。 為此，在為此，在p型和型和n型半導(dǎo)體之問，插入型半導(dǎo)體之問，插入i(本征本征)型半導(dǎo)體

5、達(dá)到了展寬耗盡層寬度的目的，形成了型半導(dǎo)體達(dá)到了展寬耗盡層寬度的目的，形成了pin結(jié)構(gòu)的光電二極管。結(jié)構(gòu)的光電二極管。7當(dāng)光從當(dāng)光從p區(qū)一側(cè)入射，則光能量在被吸收的區(qū)一側(cè)入射，則光能量在被吸收的同時(shí)仍繼續(xù)向同時(shí)仍繼續(xù)向n區(qū)一側(cè)延伸吸收，在經(jīng)過耗盡層區(qū)一側(cè)延伸吸收，在經(jīng)過耗盡層時(shí)，由于吸收光子能量，電子從價(jià)帶被激勵(lì)到導(dǎo)時(shí)，由于吸收光子能量，電子從價(jià)帶被激勵(lì)到導(dǎo)帶而產(chǎn)生電子空穴對(duì)（即光生載流子），并且在帶而產(chǎn)生電子空穴對(duì)（即光生載流子），并且在耗盡層空間電場(chǎng)作用下，分別向耗盡層空間電場(chǎng)作用下，分別向n型區(qū)和型區(qū)和p型區(qū)型區(qū)相互逆方向作漂移運(yùn)動(dòng)，并形成電流。相互逆方向作漂移運(yùn)動(dòng)，并形成電流。8 然而

6、，在耗盡層以外的區(qū)域因?yàn)闆]有電場(chǎng)然而，在耗盡層以外的區(qū)域因?yàn)闆]有電場(chǎng)作用，作用， 所以由光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，在所以由光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中相遇發(fā)生復(fù)合，從而消失。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中相遇發(fā)生復(fù)合，從而消失。 不過在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)過程中，也有些擴(kuò)散距離長(zhǎng)不過在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)過程中，也有些擴(kuò)散距離長(zhǎng)的電子空穴將進(jìn)入耗盡層，在耗盡層和空間電場(chǎng)的電子空穴將進(jìn)入耗盡層，在耗盡層和空間電場(chǎng)的作用下進(jìn)入對(duì)方區(qū)域。于是在的作用下進(jìn)入對(duì)方區(qū)域。于是在p區(qū)和區(qū)和n區(qū)兩端區(qū)兩端之間產(chǎn)生與被分隔開的電子和空穴數(shù)量成正比的之間產(chǎn)生與被分隔開的電子和空穴數(shù)量成正比的電壓。電壓。 若與外電路連通，這些電子就可經(jīng)外部電路若與

7、外電路連通，這些電子就可經(jīng)外部電路與空穴復(fù)合形成電流。如圖與空穴復(fù)合形成電流。如圖6-2所示。所示。9圖圖6-2 pin光電二極管光電二極管光電轉(zhuǎn)換原理光電轉(zhuǎn)換原理10 這里，在耗盡層之外形成的電流叫擴(kuò)這里，在耗盡層之外形成的電流叫擴(kuò)散電流，擴(kuò)散電流的運(yùn)動(dòng)速度比漂移電流散電流，擴(kuò)散電流的運(yùn)動(dòng)速度比漂移電流的運(yùn)動(dòng)速度慢得多，使頻率特征變壞。的運(yùn)動(dòng)速度慢得多，使頻率特征變壞。 由于在由于在pn結(jié)處存在著空間電場(chǎng)，使進(jìn)結(jié)處存在著空間電場(chǎng)，使進(jìn)入空間電場(chǎng)區(qū)的電子和空穴二者逆方向移入空間電場(chǎng)區(qū)的電子和空穴二者逆方向移動(dòng)。動(dòng)。 如從外部對(duì)如從外部對(duì)pn結(jié)施加反向偏壓結(jié)施加反向偏壓(即即p側(cè)側(cè)加加(-)，n

8、側(cè)加側(cè)加(+)以后，結(jié)處的空間電場(chǎng)以后，結(jié)處的空間電場(chǎng)(即即耗盡層內(nèi)的自建電場(chǎng)耗盡層內(nèi)的自建電場(chǎng))被加強(qiáng)，從而加快了被加強(qiáng)，從而加快了載流子的漂移速度。載流子的漂移速度。11雪崩光電二極管應(yīng)用光生載流子在其耗盡雪崩光電二極管應(yīng)用光生載流子在其耗盡區(qū)區(qū)(高場(chǎng)區(qū)高場(chǎng)區(qū))內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)而獲得光生電流的內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)而獲得光生電流的雪崩倍增。雪崩倍增。雪崩光電二極管雪崩光電二極管(apd)的的結(jié)構(gòu)與的的結(jié)構(gòu)與pinpd不同表現(xiàn)在增加了一個(gè)附加層，以實(shí)現(xiàn)碰撞不同表現(xiàn)在增加了一個(gè)附加層，以實(shí)現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生二次電子電離產(chǎn)生二次電子空穴對(duì)，在反向時(shí)夾在空穴對(duì)，在反向時(shí)夾在i 層層和和n層間的層間的p層中存

9、在高電場(chǎng)，該層稱為倍增區(qū)層中存在高電場(chǎng)，該層稱為倍增區(qū)或增益區(qū)（雪崩區(qū)）或增益區(qū)（雪崩區(qū)）,耗盡層仍為耗盡層仍為i層，起產(chǎn)生一層，起產(chǎn)生一次電子次電子空穴對(duì)的作用?？昭▽?duì)的作用。 12 目前光纖通信系統(tǒng)中，在短波段主要采目前光纖通信系統(tǒng)中，在短波段主要采用用si-apd管，在長(zhǎng)波段主要采用管，在長(zhǎng)波段主要采用ge-apd管。管。 常用的常用的apd結(jié)構(gòu)包括拉通型結(jié)構(gòu)包括拉通型apd和保和保護(hù)環(huán)型護(hù)環(huán)型apd，如圖如圖6-3所示。由于要實(shí)現(xiàn)電所示。由于要實(shí)現(xiàn)電流放大作用需要很高的電場(chǎng)，因此只能在流放大作用需要很高的電場(chǎng)，因此只能在圖中所示的高場(chǎng)區(qū)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)。圖中所示的高場(chǎng)區(qū)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)

10、。13圖圖6-3 apd的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)14 （1）si-apd最典型的結(jié)構(gòu)是拉通型最典型的結(jié)構(gòu)是拉通型rapd如圖如圖6-4所示，有四層結(jié)構(gòu)：所示，有四層結(jié)構(gòu)：15圖圖6-4 rapd的的結(jié)構(gòu)的的結(jié)構(gòu)16 （2）ge-apd更多的是采用吸收區(qū)與更多的是采用吸收區(qū)與雪崩倍增區(qū)相互分離的雪崩倍增區(qū)相互分離的apd管，這種管，這種apd管稱為管稱為sam-apd。 sam-apd管的結(jié)構(gòu)如圖管的結(jié)構(gòu)如圖6-5所示，有所示，有四層結(jié)構(gòu)：四層結(jié)構(gòu)：17圖圖6-5 sam-apd的的結(jié)構(gòu)的的結(jié)構(gòu) 18下面分析下面分析sam-apd管的工作原理：管的工作原理： （1）sam-apd管有四層結(jié)構(gòu)：高摻管有四層結(jié)

11、構(gòu)：高摻雜的雜的n+型半導(dǎo)體，為接觸層；型半導(dǎo)體，為接觸層； p型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，為倍增層（或稱雪崩區(qū)）；輕摻雜半導(dǎo)體為倍增層（或稱雪崩區(qū)）；輕摻雜半導(dǎo)體i層，為漂移區(qū)（光吸收區(qū)）；高摻雜的層，為漂移區(qū)（光吸收區(qū)）；高摻雜的p+型半導(dǎo)體，為接觸層。如圖型半導(dǎo)體，為接觸層。如圖6-6所示。所示。19圖圖6-6 sam-apd管的結(jié)構(gòu)管的結(jié)構(gòu)20 (2)當(dāng)外加的反向偏壓當(dāng)外加的反向偏壓(約約100v150v)比比pin情況下高得多時(shí)，這個(gè)電壓幾乎都情況下高得多時(shí)，這個(gè)電壓幾乎都降到降到pn結(jié)上。特別是在高阻的結(jié)上。特別是在高阻的pn結(jié)附近，結(jié)附近，電場(chǎng)強(qiáng)度可高達(dá)電場(chǎng)強(qiáng)度可高達(dá)105v/m，已經(jīng)高

12、出碰撞電已經(jīng)高出碰撞電離的電場(chǎng)。離的電場(chǎng)。sam-apd管在外加的反向偏壓管在外加的反向偏壓(約約50v150v)下的場(chǎng)分布如圖下的場(chǎng)分布如圖6-7所示。所示。 (3) 此時(shí)若光從此時(shí)若光從p+區(qū)照射，則和區(qū)照射，則和pin一一樣，大部分光子將在較厚的樣，大部分光子將在較厚的i層被吸收，因?qū)颖晃眨蚨a(chǎn)生電子、空穴對(duì)。如圖而產(chǎn)生電子、空穴對(duì)。如圖6-8所示。所示。21 圖圖6-7 sam-apd管的場(chǎng)分布管的場(chǎng)分布22圖圖6-8 光子在光子在i層被吸收產(chǎn)生電子、空穴對(duì)層被吸收產(chǎn)生電子、空穴對(duì)xuebeng-03.swf23 (4)入射光功率產(chǎn)生的電子空穴對(duì)經(jīng)過高場(chǎng)區(qū)入射光功率產(chǎn)生的電子空穴對(duì)

13、經(jīng)過高場(chǎng)區(qū)時(shí)不斷被加速而獲得很高的能量，這些高能量的時(shí)不斷被加速而獲得很高的能量，這些高能量的電子或空穴在運(yùn)動(dòng)過程中與價(jià)帶中的束縛電子碰電子或空穴在運(yùn)動(dòng)過程中與價(jià)帶中的束縛電子碰撞，使晶格中的原子電離，產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。撞，使晶格中的原子電離，產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。 新的電子空穴對(duì)受到同樣加速運(yùn)動(dòng)，又與原新的電子空穴對(duì)受到同樣加速運(yùn)動(dòng)，又與原子碰撞電離，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，稱為二次電子空子碰撞電離，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，稱為二次電子空穴對(duì)。穴對(duì)。 如此重復(fù)，使強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域中的電子和空穴成如此重復(fù)，使強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域中的電子和空穴成倍的增加，載流子和反向光生電流迅速增大，產(chǎn)倍的增加，載流子和反向光生電流迅速增大，

14、產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象生雪崩現(xiàn)象, 這個(gè)物理過程稱為雪崩倍增效應(yīng)。這個(gè)物理過程稱為雪崩倍增效應(yīng)。如圖如圖6-9所示。所示。24圖圖6-9 雪崩倍增效應(yīng)雪崩倍增效應(yīng)xuebeng-04.swf25 (5)雪崩過程倍增了一次光生電流，因雪崩過程倍增了一次光生電流，因此，在雪崩光電二極管內(nèi)部就產(chǎn)生了放大此，在雪崩光電二極管內(nèi)部就產(chǎn)生了放大作用。雪崩光電二極管就是這樣既可以檢作用。雪崩光電二極管就是這樣既可以檢測(cè)光信號(hào)，又能放大光信號(hào)電流。測(cè)光信號(hào)，又能放大光信號(hào)電流。 如圖如圖6-10所示。所示。26圖圖6-10 形成倍增電流形成倍增電流27圖圖6-11 sam-apd管工作原理管工作原理28 rapd的工作

15、原理分析方法與的工作原理分析方法與sam-apd一樣。一樣。當(dāng)外加的反向偏壓當(dāng)外加的反向偏壓 (約約100v150v) 時(shí)，這個(gè)電壓時(shí)，這個(gè)電壓幾乎都降到和幾乎都降到和pn結(jié)上。結(jié)上。 在高阻的在高阻的pn結(jié)附近，電場(chǎng)強(qiáng)度可高達(dá)結(jié)附近，電場(chǎng)強(qiáng)度可高達(dá)105v/m，此時(shí)若光從此時(shí)若光從n+區(qū)照射，大部分光子將在較厚區(qū)照射，大部分光子將在較厚的的層被吸收，因而產(chǎn)生電子、空穴對(duì)。層被吸收，因而產(chǎn)生電子、空穴對(duì)。 入射光功率產(chǎn)生的電子空穴對(duì)經(jīng)過高場(chǎng)區(qū)時(shí)入射光功率產(chǎn)生的電子空穴對(duì)經(jīng)過高場(chǎng)區(qū)時(shí)不斷被加速而獲得很高的能量，這些高能量的電不斷被加速而獲得很高的能量，這些高能量的電子或空穴在運(yùn)動(dòng)過程中與價(jià)帶中的

16、束縛電子碰撞，子或空穴在運(yùn)動(dòng)過程中與價(jià)帶中的束縛電子碰撞，使晶格中的原子電離，產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。使晶格中的原子電離，產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。29 新的電子空穴對(duì)受到同樣加速運(yùn)動(dòng)，又與原新的電子空穴對(duì)受到同樣加速運(yùn)動(dòng)，又與原子碰撞電離，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，稱為二次電子空子碰撞電離，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，稱為二次電子空穴對(duì)。穴對(duì)。 如此重復(fù)，使強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域中的電子和空穴成如此重復(fù)，使強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域中的電子和空穴成倍的增加，載流子和反倍的增加，載流子和反 向光生電流迅速增大，向光生電流迅速增大，產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象, 這個(gè)物理過程稱為雪崩倍增效應(yīng)，這個(gè)物理過程稱為雪崩倍增效應(yīng)，雪崩過程倍增了一次光生電流，因此，在

17、雪崩光雪崩過程倍增了一次光生電流，因此，在雪崩光電二極管內(nèi)部就產(chǎn)生了放大作用。電二極管內(nèi)部就產(chǎn)生了放大作用。 rapd管工作原理的示意圖如圖管工作原理的示意圖如圖612所示。所示。30圖圖6-12 rapd管工作原理示意圖管工作原理示意圖31在一定波長(zhǎng)的光照射下，光電檢測(cè)器在一定波長(zhǎng)的光照射下，光電檢測(cè)器的平均輸出電流與入射的平均光功率之比的平均輸出電流與入射的平均光功率之比稱為響應(yīng)度稱為響應(yīng)度(或響應(yīng)率或響應(yīng)率)。響應(yīng)度可以表示。響應(yīng)度可以表示如下：如下：32式中：式中：ip為光生電流的平均值為光生電流的平均值(單位：?jiǎn)挝唬篴)；p為平均入射光功率值為平均入射光功率值(單位：?jiǎn)挝唬簑)。pi

18、p33響應(yīng)度是器件在外部電路中呈現(xiàn)的宏響應(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，常結(jié)區(qū)的載流子數(shù)與入射的光子數(shù)之比，常用符號(hào)用符號(hào)表示：表示：hpeip/入射到器件上的光子數(shù)數(shù)通過結(jié)區(qū)的光生載流子34式 中 ：式 中 ： e 是 電 子 電 荷 ， 其 值 約 為是 電 子 電 荷 ， 其 值 約 為1.610-19g；為光頻。為光頻。與與關(guān)系可以表示關(guān)系可以表示為：為：ehc35式中：式中：h是普朗克常數(shù)，是普朗克常數(shù)，c是光

19、在真空是光在真空中的速度中的速度,是光電檢測(cè)器的工作波長(zhǎng)。代是光電檢測(cè)器的工作波長(zhǎng)。代入相應(yīng)數(shù)值后，可以得到：入相應(yīng)數(shù)值后，可以得到：從式從式(6-4)中可以看出：在工作波長(zhǎng)一中可以看出：在工作波長(zhǎng)一定時(shí)，定時(shí)，與與具有定量的關(guān)系。具有定量的關(guān)系。24. 136光電二極管的響應(yīng)速度是指它的光電光電二極管的響應(yīng)速度是指它的光電轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換速度。暗電流主要由體內(nèi)暗電流和表面暗電暗電流主要由體內(nèi)暗電流和表面暗電流組成。流組成。37apd的電流增益，即平均倍增因子的電流增益，即平均倍增因子m可表示為：可表示為：式中：式中：ip為為apd倍增后的光生電流；倍增后的光生電流；ip0是是未倍增時(shí)的原始光生

20、電流。若無(wú)倍增時(shí)和未倍增時(shí)的原始光生電流。若無(wú)倍增時(shí)和倍增時(shí)的總電流分別為倍增時(shí)的總電流分別為i1和和i2，則應(yīng)扣除當(dāng)則應(yīng)扣除當(dāng)時(shí)的暗電流時(shí)的暗電流id1和和id2后才能求出后才能求出m。11220ddppiiiiiim38光電檢測(cè)器的噪聲包括量子噪聲、暗光電檢測(cè)器的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲和由倍增過程產(chǎn)生的倍增噪聲。電流噪聲和由倍增過程產(chǎn)生的倍增噪聲。pinpd的總均方噪聲電流可以表述如的總均方噪聲電流可以表述如下：下：i2=2e(ip+id)b式中：式中：e為電子電荷量；為電子電荷量；ip為光生電流；為光生電流；id為為pinpd的暗電流，的暗電流，b為噪聲帶寬。為噪聲帶寬。39apd

21、的量子噪聲和暗電流噪聲的量子噪聲和暗電流噪聲(要考要考慮倍增作用慮倍增作用)與與pinpd機(jī)理類似，計(jì)算方法機(jī)理類似，計(jì)算方法也基本相同。也基本相同。雖然雖然apd的倍增作用對(duì)信號(hào)有放大作的倍增作用對(duì)信號(hào)有放大作用，但是由于倍增噪聲的存在也使得總噪用，但是由于倍增噪聲的存在也使得總噪聲增加。聲增加。40表表6.1中列出了富士通公司生產(chǎn)的兩種中列出了富士通公司生產(chǎn)的兩種光電檢測(cè)器的典型指標(biāo)。光電檢測(cè)器的典型指標(biāo)。4142與光源器件一樣，在沒有測(cè)試條件的與光源器件一樣，在沒有測(cè)試條件的情況下，使用人員也可以借助于指針式萬(wàn)情況下，使用人員也可以借助于指針式萬(wàn)用表對(duì)光電檢測(cè)器件進(jìn)行簡(jiǎn)易的測(cè)試。這用表對(duì)

22、光電檢測(cè)器件進(jìn)行簡(jiǎn)易的測(cè)試。這種測(cè)試方法主要是檢查光電檢測(cè)器件種測(cè)試方法主要是檢查光電檢測(cè)器件pn結(jié)結(jié)的好壞：的好壞：pn結(jié)好不能保證器件具有好的特結(jié)好不能保證器件具有好的特性，而性，而pn不好的器件其質(zhì)量絕對(duì)不會(huì)好。不好的器件其質(zhì)量絕對(duì)不會(huì)好。常用光電檢測(cè)器件的參考數(shù)據(jù)如表常用光電檢測(cè)器件的參考數(shù)據(jù)如表6.2所示。所示。4344 光纖通信系統(tǒng)有模擬和數(shù)字兩大類，和光發(fā)光纖通信系統(tǒng)有模擬和數(shù)字兩大類，和光發(fā)射機(jī)一樣，光接收機(jī)也有數(shù)字接收機(jī)和模擬接收射機(jī)一樣，光接收機(jī)也有數(shù)字接收機(jī)和模擬接收機(jī)兩種形式，見圖機(jī)兩種形式，見圖6-13所示。所示。 它們均由反向偏壓下的光電檢測(cè)器、低噪它們均由反向偏壓

23、下的光電檢測(cè)器、低噪聲前置放大器及其他信號(hào)處理電路組成，是一種聲前置放大器及其他信號(hào)處理電路組成，是一種直接檢測(cè)直接檢測(cè)(dd)方式。方式。45 與模擬接收機(jī)相比，數(shù)字接收機(jī)更復(fù)雜，與模擬接收機(jī)相比，數(shù)字接收機(jī)更復(fù)雜， 在主放大器后還有均衡濾波、定時(shí)提取與判決再在主放大器后還有均衡濾波、定時(shí)提取與判決再生、生、 峰值檢波與峰值檢波與agc放大電路。但因它們?cè)诟叻糯箅娐?。但因它們?cè)诟唠娖较鹿ぷ?，并不影響?duì)光接收機(jī)基本性能的分電平下工作，并不影響對(duì)光接收機(jī)基本性能的分析。析。 光電檢測(cè)器是光接收機(jī)的第一個(gè)關(guān)鍵部件，光電檢測(cè)器是光接收機(jī)的第一個(gè)關(guān)鍵部件，其作用是把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。目前其作

24、用是把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。目前在光纖通信系統(tǒng)中廣泛使用的光電檢測(cè)器是在光纖通信系統(tǒng)中廣泛使用的光電檢測(cè)器是pin光電二極管和雪崩光電二極管光電二極管和雪崩光電二極管apd。46圖圖6-13 光纖通信接收機(jī)框圖光纖通信接收機(jī)框圖 (a)模擬接收機(jī)模擬接收機(jī) (b ) 數(shù)字接收機(jī)數(shù)字接收機(jī)47 pin管比較簡(jiǎn)單，只需管比較簡(jiǎn)單，只需10v20v的偏壓即可工的偏壓即可工作，且不需偏壓控制，但它沒有增益。作，且不需偏壓控制，但它沒有增益。 因此使用因此使用pin管的接收機(jī)的靈敏度不如管的接收機(jī)的靈敏度不如apd管；管；apd管具有管具有10200倍的內(nèi)部電流增益，可提高光接倍的內(nèi)部電流增益，可

25、提高光接收機(jī)的靈敏度。收機(jī)的靈敏度。 但使用但使用apd管比較復(fù)雜，需要幾十到管比較復(fù)雜，需要幾十到200v的偏的偏壓，并且溫度變化較嚴(yán)重地影響壓，并且溫度變化較嚴(yán)重地影響apd管的增益特性，管的增益特性，所以通常需對(duì)所以通常需對(duì)apd管的偏壓進(jìn)行控制以保持其增益管的偏壓進(jìn)行控制以保持其增益不變，或采用溫度補(bǔ)償措施以保持其增益不變。不變，或采用溫度補(bǔ)償措施以保持其增益不變。 對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是高的轉(zhuǎn)換效率、低的對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是高的轉(zhuǎn)換效率、低的附加噪聲和快速的響應(yīng)。附加噪聲和快速的響應(yīng)。 48 由于光檢測(cè)器產(chǎn)生的光電流非常微由于光檢測(cè)器產(chǎn)生的光電流非常微弱弱(naa)，必須先經(jīng)前置放

26、大器進(jìn)行低必須先經(jīng)前置放大器進(jìn)行低噪聲放大，光電檢測(cè)器和前置放大器合起噪聲放大，光電檢測(cè)器和前置放大器合起來(lái)叫做接收機(jī)前端，其性能的優(yōu)劣決定接來(lái)叫做接收機(jī)前端，其性能的優(yōu)劣決定接收靈敏度的主要因素。收靈敏度的主要因素。 經(jīng)光電檢測(cè)器檢測(cè)而得的微弱信號(hào)電經(jīng)光電檢測(cè)器檢測(cè)而得的微弱信號(hào)電流，流經(jīng)負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，由流，流經(jīng)負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，由前置放大器加以放大。前置放大器加以放大。 但前置放大器在將信號(hào)進(jìn)行放大的同但前置放大器在將信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)，也會(huì)引入放大器本身電阻的熱噪聲和時(shí)，也會(huì)引入放大器本身電阻的熱噪聲和晶體管的散彈噪聲。晶體管的散彈噪聲。49 另外，后面的主放大器在放

27、大前置放大器的另外，后面的主放大器在放大前置放大器的輸出信號(hào)時(shí)，也會(huì)將前置放大器產(chǎn)生的噪聲一起輸出信號(hào)時(shí)，也會(huì)將前置放大器產(chǎn)生的噪聲一起放大。放大。 前置放大器的性能優(yōu)劣對(duì)接收機(jī)的靈敏度前置放大器的性能優(yōu)劣對(duì)接收機(jī)的靈敏度有十分重要的影響。為此，前置放大器必須是低有十分重要的影響。為此，前置放大器必須是低噪聲、寬頻帶放大器。噪聲、寬頻帶放大器。 主放大器主要用來(lái)提供高的增益，將前置放主放大器主要用來(lái)提供高的增益，將前置放大器的輸出信號(hào)放大到適合于判決電路所需的電大器的輸出信號(hào)放大到適合于判決電路所需的電平。前置放大器的輸出信號(hào)電乎一般為平。前置放大器的輸出信號(hào)電乎一般為mv量級(jí)，量級(jí)，而主放大

28、器的輸出信號(hào)一般為而主放大器的輸出信號(hào)一般為1v3v(峰峰值峰峰值)50 均衡器的作用是對(duì)主放大器輸出的失均衡器的作用是對(duì)主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為最真的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為最有利于判決、碼間干擾最小的升余弦波形。有利于判決、碼間干擾最小的升余弦波形。 均衡器的輸出信號(hào)通常分為兩路，一均衡器的輸出信號(hào)通常分為兩路，一路經(jīng)峰值檢波電路變換成與輸入信號(hào)的峰路經(jīng)峰值檢波電路變換成與輸入信號(hào)的峰值成比例的直流信號(hào)，送入自動(dòng)增益控制值成比例的直流信號(hào)，送入自動(dòng)增益控制電路，用以控制主放大器的增益；另一路電路，用以控制主放大器的增益；另一路送入判決再生電路，將均衡器輸出的

29、升余送入判決再生電路，將均衡器輸出的升余弦信號(hào)恢復(fù)為弦信號(hào)恢復(fù)為0或或1的數(shù)字信號(hào)。的數(shù)字信號(hào)。51 定時(shí)提取電路用來(lái)恢復(fù)采樣所需的時(shí)定時(shí)提取電路用來(lái)恢復(fù)采樣所需的時(shí)鐘。鐘。 衡量接收機(jī)性能的主要指標(biāo)是接收靈衡量接收機(jī)性能的主要指標(biāo)是接收靈敏度。敏度。 在接收機(jī)的理論中，中心的問題是如在接收機(jī)的理論中，中心的問題是如何降低輸入端的噪聲，提高接收靈敏度。何降低輸入端的噪聲，提高接收靈敏度。 光接收機(jī)靈敏度主要取決于光電檢測(cè)光接收機(jī)靈敏度主要取決于光電檢測(cè)器的響應(yīng)度以及檢測(cè)器和放大器的噪聲。器的響應(yīng)度以及檢測(cè)器和放大器的噪聲。52常用的非相干檢測(cè)方式就是直接功率常用的非相干檢測(cè)方式就是直接功率檢測(cè)

30、方式。直接功率檢測(cè)方式是通過光電檢測(cè)方式。直接功率檢測(cè)方式是通過光電二極管直接將接收的光信號(hào)恢復(fù)成基本調(diào)二極管直接將接收的光信號(hào)恢復(fù)成基本調(diào)制信號(hào)的過程。制信號(hào)的過程。53就像普通的無(wú)線電收音機(jī)一樣，首先就像普通的無(wú)線電收音機(jī)一樣，首先接收光信號(hào)要與一個(gè)光本地振蕩器在光混接收光信號(hào)要與一個(gè)光本地振蕩器在光混頻器混頻之后，再被光電檢測(cè)器變換成一頻器混頻之后，再被光電檢測(cè)器變換成一定要求的電信號(hào)，如圖定要求的電信號(hào)，如圖6-14所示。所示。54圖圖6-14 相干檢測(cè)原理相干檢測(cè)原理55 由光電檢測(cè)器、前置放大器、主放大器和由光電檢測(cè)器、前置放大器、主放大器和均衡器構(gòu)成的這部分電路稱為線性通道。在光

31、接均衡器構(gòu)成的這部分電路稱為線性通道。在光接收機(jī)中，線性通道主要完成對(duì)信號(hào)的線性放大，收機(jī)中，線性通道主要完成對(duì)信號(hào)的線性放大，以滿足判決電平的要求。以滿足判決電平的要求。接收機(jī)的前端包括反向偏壓下的光電二極接收機(jī)的前端包括反向偏壓下的光電二極管和前置放大器。光電二極管接收由光纖耦合來(lái)管和前置放大器。光電二極管接收由光纖耦合來(lái)的光信號(hào)。在實(shí)際電路分析中，可將光電二極管的光信號(hào)。在實(shí)際電路分析中，可將光電二極管看成是一個(gè)與其結(jié)電容看成是一個(gè)與其結(jié)電容cd并聯(lián)的電流源，等效電并聯(lián)的電流源，等效電路如圖路如圖6-15所示，其中所示，其中rl為負(fù)載電阻。為負(fù)載電阻。56圖圖6-15 光電二極管的等效電

32、路光電二極管的等效電路 57 接收機(jī)前端的設(shè)計(jì)需要綜合考慮接收接收機(jī)前端的設(shè)計(jì)需要綜合考慮接收靈敏度和帶寬兩個(gè)因素，一般來(lái)說有三種靈敏度和帶寬兩個(gè)因素，一般來(lái)說有三種不同的方式，即低阻抗、高阻抗和跨阻抗不同的方式，即低阻抗、高阻抗和跨阻抗 前端，如圖前端，如圖6-16所示。所示。 圖中圖中ci為總的輸入電容，其中包括光為總的輸入電容，其中包括光電二極管的結(jié)電容和前置放大器的晶體管電二極管的結(jié)電容和前置放大器的晶體管引起的電容。引起的電容。58圖圖6-16 接收機(jī)前端設(shè)計(jì)接收機(jī)前端設(shè)計(jì) 59 在高阻抗前置放大器中，由于輸入電在高阻抗前置放大器中，由于輸入電路的總電阻路的總電阻ri較大，可以增大前

33、置放大器較大，可以增大前置放大器的輸入電壓，較大的的輸入電壓，較大的ri值也可以降低熱噪值也可以降低熱噪聲和增加接收靈敏度，聲和增加接收靈敏度， 但其缺點(diǎn)是帶寬但其缺點(diǎn)是帶寬f較窄。這種電路的帶寬可表示為較窄。這種電路的帶寬可表示為輸入電路的總電阻輸入電路的總電阻ri由放大器的輸入電阻由放大器的輸入電阻rb和光電二極管的直流負(fù)載電阻和光電二極管的直流負(fù)載電阻rl并聯(lián)而并聯(lián)而成。等效輸入電阻成。等效輸入電阻ri表示為表示為60輸入電路引入的熱噪聲表示為輸入電路引入的熱噪聲表示為由此可以看出，由此可以看出，rl越大，帶寬越小?？梢圆捎镁酱螅瑤捲叫?。可以采用均衡器對(duì)高頻提升的辦法來(lái)增加帶寬，在接

34、收靈敏衡器對(duì)高頻提升的辦法來(lái)增加帶寬，在接收靈敏度達(dá)到要求的前提下，度達(dá)到要求的前提下， 可以用降低可以用降低ri的辦法來(lái)增的辦法來(lái)增加帶寬，加帶寬， 這種前端叫作低電阻前端。但這種電這種前端叫作低電阻前端。但這種電路方式的熱噪聲較大，當(dāng)然，接收靈敏度也較低。路方式的熱噪聲較大，當(dāng)然，接收靈敏度也較低。61 (1)高阻抗放大器的均衡：要解決高阻抗放高阻抗放大器的均衡：要解決高阻抗放大器帶寬窄、信號(hào)脈沖失真嚴(yán)重引起的碼間干擾，大器帶寬窄、信號(hào)脈沖失真嚴(yán)重引起的碼間干擾，必須用很強(qiáng)的均衡。必須用很強(qiáng)的均衡。 通過微分網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償高頻分量的滾降，使接收通過微分網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償高頻分量的滾降，使接收機(jī)的頻響特性在

35、要求的帶寬內(nèi)變?yōu)槠街?，以改善機(jī)的頻響特性在要求的帶寬內(nèi)變?yōu)槠街保愿纳戚敵雒}沖的波形。輸出脈沖的波形。 但嚴(yán)格的均衡是很困難的，因放大器的輸入但嚴(yán)格的均衡是很困難的，因放大器的輸入導(dǎo)納主要取決于總的輸入電容且又隨晶體管的不導(dǎo)納主要取決于總的輸入電容且又隨晶體管的不同及雜散電容大小而變化。同及雜散電容大小而變化。 圖圖6-17為均衡器電路的幾個(gè)例子。為均衡器電路的幾個(gè)例子。 其中圖其中圖(a)為無(wú)源均衡器，圖為無(wú)源均衡器，圖(b)和圖和圖(c)分別為采用運(yùn)算放分別為采用運(yùn)算放大器及采用雙極晶體管的有源均衡器。大器及采用雙極晶體管的有源均衡器。62圖圖6-17 均衡器電路圖均衡器電路圖 63碼間干

36、擾（碼間干擾（isi）是指下列定義：）是指下列定義： 在一個(gè)數(shù)字傳輸系統(tǒng)中接收到的信號(hào)失真，在一個(gè)數(shù)字傳輸系統(tǒng)中接收到的信號(hào)失真，這種失真被在時(shí)間的傳播中顯現(xiàn)和作為結(jié)果這種失真被在時(shí)間的傳播中顯現(xiàn)和作為結(jié)果與單個(gè)脈沖交迭到達(dá)接收器不能可靠的區(qū)分與單個(gè)脈沖交迭到達(dá)接收器不能可靠的區(qū)分狀態(tài)交換（例如，在單個(gè)信號(hào)原始之間）的狀態(tài)交換（例如，在單個(gè)信號(hào)原始之間）的程度。程度。 來(lái)自這個(gè)信號(hào)的外部能量在一個(gè)或更多電鍵來(lái)自這個(gè)信號(hào)的外部能量在一個(gè)或更多電鍵間隔中，接收這個(gè)信號(hào)的干擾在另一個(gè)電鍵間隔中，接收這個(gè)信號(hào)的干擾在另一個(gè)電鍵間隔中。間隔中。 由外部能量引起的騷亂來(lái)自一個(gè)或更多電鍵由外部能量引起的騷亂

37、來(lái)自一個(gè)或更多電鍵間隔的信號(hào)，接收這個(gè)信號(hào)的干擾在另一個(gè)間隔的信號(hào)，接收這個(gè)信號(hào)的干擾在另一個(gè)電鍵間隔中。電鍵間隔中。64碼間干擾是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最碼間干擾是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性的干擾。乘性的干擾。造成碼間干擾的原因有很多，實(shí)際上，只要傳造成碼間干擾的原因有很多，實(shí)際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的，就會(huì)造成一定的碼間干輸信道的頻帶是有限的，就會(huì)造成一定的碼間干擾。擾。 碼間干擾主要是由于脈沖展寬引起的。碼間干擾主要是由于脈沖展寬引起的。一般情況下，脈沖展寬主要由于傳輸鏈路的低一般情況

38、下，脈沖展寬主要由于傳輸鏈路的低通特性造成的。通特性造成的。65一、減少傳輸距離，高頻成分損失減少，碼間一、減少傳輸距離，高頻成分損失減少，碼間干擾自然可以減少。這種方法不適合傳輸鏈路距干擾自然可以減少。這種方法不適合傳輸鏈路距離一定的場(chǎng)合。離一定的場(chǎng)合。二、將接收下來(lái)的信號(hào)，然后進(jìn)行均衡，得到二、將接收下來(lái)的信號(hào)，然后進(jìn)行均衡，得到誤碼間干擾的信號(hào)波形，在判決時(shí)刻就不存在碼誤碼間干擾的信號(hào)波形，在判決時(shí)刻就不存在碼間干擾，自然就可以抑制碼間干擾的影響了。這間干擾，自然就可以抑制碼間干擾的影響了。這種方法是最為常見的方法了。比如：光纖通信系種方法是最為常見的方法了。比如：光纖通信系統(tǒng)中，就是將

39、經(jīng)過長(zhǎng)距離（只要大于統(tǒng)中，就是將經(jīng)過長(zhǎng)距離（只要大于1公里以上）公里以上）傳輸?shù)竭_(dá)接收端的高斯波變換成升余弦波（一種傳輸?shù)竭_(dá)接收端的高斯波變換成升余弦波（一種無(wú)碼間干擾的信號(hào)波形），從而在判決時(shí)刻消除無(wú)碼間干擾的信號(hào)波形），從而在判決時(shí)刻消除碼間干擾影響的。碼間干擾影響的。66無(wú)源均衡器是簡(jiǎn)單的無(wú)源均衡器是簡(jiǎn)單的rc網(wǎng)絡(luò)，其傳遞函數(shù)為網(wǎng)絡(luò)，其傳遞函數(shù)為式中式中1=1/r1c1, 2=(r1+r2)/(r1r2c1)。對(duì)于完全對(duì)于完全均衡，均衡，1與前置放大器的轉(zhuǎn)折頻率相匹配，與前置放大器的轉(zhuǎn)折頻率相匹配， 這這樣放大器帶寬因均衡器而展寬到樣放大器帶寬因均衡器而展寬到2。傳遞函數(shù)值傳遞函數(shù)值減小

40、了減小了2/1倍，將其稱為均衡比，一般可達(dá)到倍，將其稱為均衡比，一般可達(dá)到幾十。對(duì)于這種無(wú)源均衡器，高頻時(shí)增益為幾十。對(duì)于這種無(wú)源均衡器，高頻時(shí)增益為1，對(duì)低頻的衰減等于均衡比。對(duì)低頻的衰減等于均衡比。67對(duì)于圖對(duì)于圖(b)(c)所示的有源均衡濾波器，其傳所示的有源均衡濾波器，其傳遞函數(shù)為遞函數(shù)為式中，式中，1，2與無(wú)源均衡器相同，但與無(wú)源均衡器相同，但kr3/r2，即均衡器的增益決定于即均衡器的增益決定于r3，可與可與1，2獨(dú)立進(jìn)行選擇。獨(dú)立進(jìn)行選擇。68 高阻抗放大器存在的高阻抗放大器存在的第二個(gè)問題第二個(gè)問題是動(dòng)是動(dòng)態(tài)范圍小。例如，在無(wú)源均衡器中，均衡態(tài)范圍小。例如，在無(wú)源均衡器中，均衡

41、過程實(shí)質(zhì)上是通過對(duì)帶內(nèi)低頻信號(hào)的衰減過程實(shí)質(zhì)上是通過對(duì)帶內(nèi)低頻信號(hào)的衰減來(lái)實(shí)現(xiàn)的。來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 因此放大器的增益必須非常高，以保因此放大器的增益必須非常高，以保證放大器輸出至均衡器的信號(hào)足夠強(qiáng)，而證放大器輸出至均衡器的信號(hào)足夠強(qiáng)，而最大輸出電壓受電源電壓和偏置條件的限最大輸出電壓受電源電壓和偏置條件的限制，因此接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍受到了限制。制，因此接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍受到了限制。69 (2)跨阻抗放大器：跨阻抗前置放大器同時(shí)具跨阻抗放大器：跨阻抗前置放大器同時(shí)具有高接收靈敏度和頻帶寬的特點(diǎn)，與高阻抗前置有高接收靈敏度和頻帶寬的特點(diǎn)，與高阻抗前置放大器相比，具有較大的動(dòng)態(tài)范圍。放大器相比，具有較大的動(dòng)態(tài)

42、范圍。 在跨阻抗前置放大器設(shè)計(jì)中，電阻在跨阻抗前置放大器設(shè)計(jì)中，電阻rl作為作為一個(gè)反饋電阻跨接在反向放大器的兩端。盡管一個(gè)反饋電阻跨接在反向放大器的兩端。盡管rl很大，很大， 但負(fù)反饋?zhàn)饔檬狗糯笃鞯牡刃л斎胱杩沟?fù)反饋?zhàn)饔檬狗糯笃鞯牡刃л斎胱杩菇档徒档蚲倍，倍，g是放大器的增益，這樣帶寬與高阻是放大器的增益，這樣帶寬與高阻抗前置放大器比較增加了抗前置放大器比較增加了g倍。倍。 在大多數(shù)光接收機(jī)中，均采用跨阻抗前置在大多數(shù)光接收機(jī)中，均采用跨阻抗前置放大器的方式。放大器的方式。70圖圖6-18 跨阻抗前置放大器的電路圖跨阻抗前置放大器的電路圖71 圖圖6-18為跨阻抗前置放大器的電路圖。為跨阻

43、抗前置放大器的電路圖。 圖中圖中rf為并聯(lián)反饋電阻；為并聯(lián)反饋電阻；cf為漏散電容；為漏散電容；rb為光電檢測(cè)器及晶體管的偏置電阻；為光電檢測(cè)器及晶體管的偏置電阻；c為并聯(lián)電容。為并聯(lián)電容。 如光電檢測(cè)器與接收放大器直流耦合，如光電檢測(cè)器與接收放大器直流耦合，則反饋電阻又可作光電檢測(cè)器的負(fù)載電阻，則反饋電阻又可作光電檢測(cè)器的負(fù)載電阻，rb可不用，該電路的傳遞函數(shù)為可不用，該電路的傳遞函數(shù)為72實(shí)用中實(shí)用中rbrf，al，則放大器的頻響特性如則放大器的頻響特性如圖圖6-18(b)所示，其所示，其3db帶寬為帶寬為若漏散電容很小，則與高阻抗放大器相比跨阻抗若漏散電容很小，則與高阻抗放大器相比跨阻抗

44、前置放大器帶寬要寬得多，至少展寬了前置放大器帶寬要寬得多，至少展寬了a倍，而倍，而且通過跨阻的增加，帶寬還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，這時(shí)且通過跨阻的增加，帶寬還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，這時(shí)接收機(jī)可以不需均衡，或只要少量均衡，動(dòng)態(tài)范接收機(jī)可以不需均衡，或只要少量均衡，動(dòng)態(tài)范圍增大了等于均衡比的量。圍增大了等于均衡比的量。73 雖然跨阻抗放大器的帶寬比高阻抗放大器提雖然跨阻抗放大器的帶寬比高阻抗放大器提高了高了a倍，但也不能通過無(wú)限增大開環(huán)增益來(lái)不倍，但也不能通過無(wú)限增大開環(huán)增益來(lái)不斷提高帶寬，因?yàn)樗艿搅藘蓚€(gè)限制：斷提高帶寬，因?yàn)樗艿搅藘蓚€(gè)限制： 因此反饋環(huán)內(nèi)的放大級(jí)數(shù)限于三級(jí)以下因此反饋環(huán)內(nèi)的放大級(jí)數(shù)限于三級(jí)以下

45、(100mhz)或僅一級(jí)或僅一級(jí)(1ghz)74 當(dāng)然反饋電阻的引進(jìn)，在高阻放大器上增加當(dāng)然反饋電阻的引進(jìn)，在高阻放大器上增加了一個(gè)熱噪聲源，其譜密度為了一個(gè)熱噪聲源，其譜密度為s=4kt/ rf 當(dāng)當(dāng)rbrf時(shí)，放大器反饋電阻時(shí)，放大器反饋電阻rf的熱噪聲將的熱噪聲將起主要作用。起主要作用。 隨著隨著rf的增加，該項(xiàng)噪聲隨之減小，但帶寬的增加，該項(xiàng)噪聲隨之減小，但帶寬也減小，二者必須折中考慮。也減小，二者必須折中考慮。 圖圖6-19給出了接收光功率與反饋電阻的關(guān)系，給出了接收光功率與反饋電阻的關(guān)系，可見動(dòng)態(tài)范圍的下限主要受接收機(jī)靈敏度的限制，可見動(dòng)態(tài)范圍的下限主要受接收機(jī)靈敏度的限制，上限受

46、前置放大器的飽和及過載的限制。上限受前置放大器的飽和及過載的限制。75圖圖6-19 接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度與反饋電阻的關(guān)系接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度與反饋電阻的關(guān)系 76 總之，與高阻抗前置放大器相比跨阻抗前置總之，與高阻抗前置放大器相比跨阻抗前置放大器有許多優(yōu)點(diǎn)，可歸納如下：放大器有許多優(yōu)點(diǎn)，可歸納如下：放大器的總電阻小，電路的時(shí)間常數(shù)小，減小放大器的總電阻小，電路的時(shí)間常數(shù)小，減小了波形失真，通常不必考慮均衡；了波形失真，通常不必考慮均衡；動(dòng)態(tài)范圍大；動(dòng)態(tài)范圍大；輸出電阻小，放大器不宜感應(yīng)噪聲，不宜發(fā)生輸出電阻小，放大器不宜感應(yīng)噪聲，不宜發(fā)生串話和電磁干擾；串話和電磁干擾；負(fù)反饋使放大器的特性

47、容易控制，穩(wěn)定性也顯負(fù)反饋使放大器的特性容易控制，穩(wěn)定性也顯著提高；著提高；靈敏度在寬帶應(yīng)用時(shí)僅比高阻抗放大器低靈敏度在寬帶應(yīng)用時(shí)僅比高阻抗放大器低23db。77 目前光接收機(jī)中最常用的是以場(chǎng)效應(yīng)目前光接收機(jī)中最常用的是以場(chǎng)效應(yīng)管管(fet)構(gòu)成最前端的跨阻抗前置放大器，構(gòu)成最前端的跨阻抗前置放大器，光電檢測(cè)器一般多采用光電檢測(cè)器一般多采用pin管。管。 為了盡量減小引線電容等雜散電容，為了盡量減小引線電容等雜散電容，提高響應(yīng)速度和靈敏度，通常利用混合集提高響應(yīng)速度和靈敏度，通常利用混合集成工藝，將成工藝，將pin光電二極管與場(chǎng)效應(yīng)管光電二極管與場(chǎng)效應(yīng)管(fet)前置放大器電路混合集成在一起做

48、前置放大器電路混合集成在一起做成成pin-fet光接收組件，使用效果較好，光接收組件，使用效果較好，已被光接收電路普遍采用。已被光接收電路普遍采用。78圖圖6-20 跨阻抗接收機(jī)前端跨阻抗接收機(jī)前端 (a) 44.7mhz前端前端 (b) 2ghz前端前端79 其中圖其中圖(a)為為44.7mhz光纖通信系統(tǒng)的接收機(jī)光纖通信系統(tǒng)的接收機(jī)前端。前端。 光檢測(cè)器為光檢測(cè)器為si-apd，晶體管為輸入電容小、晶體管為輸入電容小、大的普通晶體管。大的普通晶體管。 晶體管晶體管bgl和和bg2構(gòu)成一反饋對(duì)，構(gòu)成一反饋對(duì)，rf為并聯(lián)為并聯(lián)反饋電阻。反饋電阻。bg3提供提供3.7倍的增益，使得在最小輸倍的增

49、益，使得在最小輸入光功率時(shí)，輸出信號(hào)的峰峰值達(dá)到入光功率時(shí)，輸出信號(hào)的峰峰值達(dá)到4mv,有效有效跨阻達(dá)跨阻達(dá)14.8k。 當(dāng)誤碼率為當(dāng)誤碼率為10-9，apd最佳增益為最佳增益為80時(shí)，接時(shí)，接收靈敏度為收靈敏度為-55dbm。80 圖圖(b)為為1300nm波段的接收機(jī)前端電路，波段的接收機(jī)前端電路，rf400時(shí)平坦帶寬為時(shí)平坦帶寬為2ghz。 此處我們采用微波此處我們采用微波si-bjt(ne6400，fc10ghz)，因因gaas-mes-fet在噪聲方面的優(yōu)勢(shì)在噪聲方面的優(yōu)勢(shì)在高速跨阻抗接收機(jī)中已經(jīng)消失，放大器第一級(jí)在高速跨阻抗接收機(jī)中已經(jīng)消失，放大器第一級(jí)采用并聯(lián)負(fù)反饋，采用并聯(lián)負(fù)反

50、饋， 使引起不穩(wěn)定的環(huán)路延遲減使引起不穩(wěn)定的環(huán)路延遲減到最小。包括漏散電容的到最小。包括漏散電容的cf可以補(bǔ)償放大器的可以補(bǔ)償放大器的高頻響應(yīng)。高頻響應(yīng)。 第二級(jí)為串聯(lián)負(fù)反饋第二級(jí)為串聯(lián)負(fù)反饋(通過級(jí)間阻抗失配來(lái)通過級(jí)間阻抗失配來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn))，集電極電阻為，集電極電阻為50，以與負(fù)載匹配。以與負(fù)載匹配。81 放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是放大器件，常采用雙極放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是放大器件，常采用雙極性晶體管性晶體管(bjt)和場(chǎng)效應(yīng)晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管(fet)作為輸入級(jí)作為輸入級(jí),其中最常用的是其中最常用的是si-jfet及及si-bjt。 頻率較低時(shí)頻率較低時(shí),由于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸入阻抗由于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸

51、入阻抗高、噪聲小常被采用。高、噪聲小常被采用。 而在頻率高時(shí)，常使用雙極性晶體管。而在頻率高時(shí)，常使用雙極性晶體管。bjt用于用于apd檢測(cè)器時(shí)，接收機(jī)的噪聲主要受倍增增檢測(cè)器時(shí)，接收機(jī)的噪聲主要受倍增增益支配。但對(duì)低噪聲高速應(yīng)用來(lái)說益支配。但對(duì)低噪聲高速應(yīng)用來(lái)說gaas-fet具具有最佳性能，但其價(jià)格較高。有最佳性能，但其價(jià)格較高。82 光接收機(jī)的線性通道由一個(gè)高增益放大器光接收機(jī)的線性通道由一個(gè)高增益放大器(稱為主放大器稱為主放大器)和一個(gè)低通濾波器組成。和一個(gè)低通濾波器組成。 有時(shí)在主放大器前接入一個(gè)均衡器以校正前有時(shí)在主放大器前接入一個(gè)均衡器以校正前端有限的帶寬。端有限的帶寬。 自動(dòng)增

52、益控制自動(dòng)增益控制(agc)將放大器的平均輸出電將放大器的平均輸出電壓限制在固定電平而不隨輸入平均光功率而變。壓限制在固定電平而不隨輸入平均光功率而變。 低通濾波器使電壓脈沖整形，降低噪聲，低通濾波器使電壓脈沖整形，降低噪聲，控制可能出現(xiàn)的碼間串?dāng)_控制可能出現(xiàn)的碼間串?dāng)_(isi)。83 接收機(jī)噪聲正比于接收機(jī)帶寬，為降接收機(jī)噪聲正比于接收機(jī)帶寬，為降低噪聲，采用帶寬低噪聲，采用帶寬f小于比特率小于比特率b的低通的低通濾波器。濾波器。 在接收機(jī)設(shè)計(jì)中其他部件的帶寬均大在接收機(jī)設(shè)計(jì)中其他部件的帶寬均大于濾波器帶寬，因此接收機(jī)帶寬主要由線于濾波器帶寬，因此接收機(jī)帶寬主要由線性通道的低通濾波器決定。性

53、通道的低通濾波器決定。 當(dāng)當(dāng)fs，熱噪聲決定了接收的性能，散粒噪聲可忽略，則上熱噪聲決定了接收的性能，散粒噪聲可忽略，則上式變成式變成上式表明，在熱噪聲限制下，上式表明，在熱噪聲限制下，snr與與pin2成正比，而成正比，而且可以通過增加負(fù)載電阻且可以通過增加負(fù)載電阻rl來(lái)提高來(lái)提高snr，這說明了這說明了大多數(shù)光接收機(jī)采用高阻抗或互阻抗前端的原因。大多數(shù)光接收機(jī)采用高阻抗或互阻抗前端的原因。 熱噪聲的影響通常用一個(gè)稱為噪聲等效功率熱噪聲的影響通常用一個(gè)稱為噪聲等效功率(nep)的量來(lái)表示，它定義為產(chǎn)生的量來(lái)表示，它定義為產(chǎn)生snr=l所要求的單所要求的單位帶寬內(nèi)的最小光功率。位帶寬內(nèi)的最小光

54、功率。nep的倒數(shù)的倒數(shù)(nep)-1稱為探稱為探測(cè)本領(lǐng)，也可以用于表征熱噪聲的影響。測(cè)本領(lǐng)，也可以用于表征熱噪聲的影響。ffrktprsnrnlin )/(422113 相反，在散粒噪聲限制下相反，在散粒噪聲限制下st，由于由于s隨隨pin線性增加，增大入射功率可達(dá)到散粒噪線性增加，增大入射功率可達(dá)到散粒噪聲限制，同時(shí)減小暗電流聲限制，同時(shí)減小暗電流id的影響的效果，當(dāng)忽的影響的效果，當(dāng)忽略略id的影響時(shí)，的影響時(shí)，snr表達(dá)式變?yōu)楸磉_(dá)式變?yōu)榭梢姡谏⒘Ｔ肼曄拗葡?，可見，在散粒噪聲限制下，snr隨隨pin線性增加，線性增加，并隨量子效率并隨量子效率、有效噪聲帶寬有效噪聲帶寬f和光子能量和光子

55、能量h而變。而變。)p(22p2rpsnrinininhffhfq 114同理，可以得到同理，可以得到apd光接收機(jī)在判決光接收機(jī)在判決點(diǎn)上的信噪比表達(dá)式為：點(diǎn)上的信噪比表達(dá)式為：totonssnraapdnnp115 由于由于apd光電二極管的內(nèi)部增益，使光電流因光電二極管的內(nèi)部增益，使光電流因響應(yīng)度響應(yīng)度r而增加了而增加了m倍，由此可見，倍，由此可見，snr將增大將增大m2倍，但是在響應(yīng)度增加過程中，倍，但是在響應(yīng)度增加過程中，apd的噪聲也增大的噪聲也增大了，因此了，因此snr并不像預(yù)期的那樣增大并不像預(yù)期的那樣增大m2倍。倍。 由于由于apd光電二極管的內(nèi)部增益，使光電流因光電二極管的

56、內(nèi)部增益，使光電流因響應(yīng)度響應(yīng)度r而增加了而增加了m倍，由此可見，倍，由此可見，snr將增大將增大m2倍，但是在響應(yīng)度增加過程中，倍，但是在響應(yīng)度增加過程中，apd的噪聲也增大的噪聲也增大了，因此了，因此snr并不像預(yù)期的那樣增大并不像預(yù)期的那樣增大m2倍。倍。 實(shí)際上，倍增因子本身也是隨機(jī)變化的，所以實(shí)際上，倍增因子本身也是隨機(jī)變化的，所以倍增因子倍增因子m僅是取其平均值。僅是取其平均值。116 可計(jì)算出總的散粒噪聲，其結(jié)果為可計(jì)算出總的散粒噪聲，其結(jié)果為式中，式中，fa為為apd的過剩噪聲因子。的過剩噪聲因子。 實(shí)際上，當(dāng)散粒噪聲起支配作用時(shí)，實(shí)際上，當(dāng)散粒噪聲起支配作用時(shí)，apd接收機(jī)的

57、接收機(jī)的snr比比pin接收機(jī)的接收機(jī)的snr更差，因?yàn)楦?，因?yàn)閍pd中產(chǎn)生了過剩噪聲。在實(shí)際光接收機(jī)中熱噪中產(chǎn)生了過剩噪聲。在實(shí)際光接收機(jī)中熱噪聲占支取作用，因而聲占支取作用，因而apd仍具有吸引能力。仍具有吸引能力。 當(dāng)散粒噪聲和熱噪聲同時(shí)存在時(shí)當(dāng)散粒噪聲和熱噪聲同時(shí)存在時(shí)apd接收接收機(jī)的機(jī)的snr，它由下式給出它由下式給出firpfqmdinas )(222ffrktfirpfqmprmisnrnldinaintsp )/(4)(22222222117 我們比較一下兩種限制情況下兩種光接收機(jī)我們比較一下兩種限制情況下兩種光接收機(jī)的性能，在熱噪聲限制下，的性能，在熱噪聲限制下，ts，上

58、式變?yōu)樯鲜阶優(yōu)樯鲜脚c上式與pin接收機(jī)在熱噪聲限制下情況相比可見，接收機(jī)在熱噪聲限制下情況相比可見，apd接收機(jī)的接收機(jī)的snr因倍增增益的影響比因倍增增益的影響比pin接收接收機(jī)提高了機(jī)提高了m2倍。倍。 在散粒噪聲限制下在散粒噪聲限制下st，上式變?yōu)樯鲜阶優(yōu)樯鲜脚c上式與pin接收機(jī)在散粒噪聲限制下情況相比可接收機(jī)在散粒噪聲限制下情況相比可見，見，apd接收機(jī)的接收機(jī)的snr因過剩噪聲因子因過剩噪聲因子fa的影響，的影響，比比pin接收機(jī)降低了接收機(jī)降低了fa倍。倍。ffrktprmsnrnlin )/(4222)p(22rpsnrininhfffqfaa 118 光接收機(jī)的靈敏度是描述其準(zhǔn)

59、確檢測(cè)光接收機(jī)的靈敏度是描述其準(zhǔn)確檢測(cè)光信號(hào)能力的一種性能指標(biāo)，在眾多接收光信號(hào)能力的一種性能指標(biāo)，在眾多接收機(jī)中，如果某一接收機(jī)能在較低的入射功機(jī)中，如果某一接收機(jī)能在較低的入射功率下達(dá)到同樣的性能，就稱該接收機(jī)比較率下達(dá)到同樣的性能，就稱該接收機(jī)比較靈敏。靈敏。 數(shù)字光接收機(jī)的性能標(biāo)準(zhǔn)由誤碼率數(shù)字光接收機(jī)的性能標(biāo)準(zhǔn)由誤碼率(ber)決定，它定義為接收機(jī)判決電路錯(cuò)決定，它定義為接收機(jī)判決電路錯(cuò)誤確定一個(gè)比特的概率，誤確定一個(gè)比特的概率，110-6的的ber相相應(yīng)于每百萬(wàn)比特中平均有一個(gè)錯(cuò)碼。應(yīng)于每百萬(wàn)比特中平均有一個(gè)錯(cuò)碼。119 對(duì)數(shù)字光接收機(jī)通常使用的標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)數(shù)字光接收機(jī)通常使用的標(biāo)準(zhǔn)要

60、求ber10-9，這是通常實(shí)際光波系統(tǒng)的系統(tǒng)規(guī)范。這是通常實(shí)際光波系統(tǒng)的系統(tǒng)規(guī)范。 這樣，光接收機(jī)的靈敏度就定義為接收機(jī)工作這樣，光接收機(jī)的靈敏度就定義為接收機(jī)工作于于10-9的的ber所要求的最小平均接收光功率所要求的最小平均接收光功率pr。 對(duì)新型高性能光波系統(tǒng)，規(guī)定壽命終了時(shí)尚要對(duì)新型高性能光波系統(tǒng)，規(guī)定壽命終了時(shí)尚要求求ber10-12。 對(duì)于模擬光接收機(jī)，則定義為接收機(jī)工作于對(duì)于模擬光接收機(jī)，則定義為接收機(jī)工作于給定信噪比給定信噪比(snr)所要求的最小平均接收光功率。所要求的最小平均接收光功率。本節(jié)只討論數(shù)字光接收機(jī)的靈敏度。本節(jié)只討論數(shù)字光接收機(jī)的靈敏度。 由于由于pr決定于決定