光纖通信

―原理與應(yīng)用

第4章光接收設(shè)備

第4章光接收設(shè)備

4.1光接收電路

4.2輸出電路

第4章光接收設(shè)備

4.1光接收電路4.1.1

基本構(gòu)成和主要性能指標(biāo)1．光接收電路的基本構(gòu)成將輸入光脈沖信號轉(zhuǎn)換為輸出電脈沖信號，即進行光/電轉(zhuǎn)換。

2．光接收電路的主要性能指標(biāo)（1）靈敏度Sr

定義為

其中，Pr是在給定誤碼率條件下，光接收機所需要的最小平均光功率，單位是W（瓦）。靈敏度反映光接收機接收弱光信號的能力大小。

光接收機的靈敏度指標(biāo)主要由光檢測器件和前置放大器的性能所決定。

其中，Pmax和Pmin分別是光接收機在所期望的誤碼率條件下的最大和最小平均接收光功率。其中Pmin就是靈敏度Sr對應(yīng)的Pr。動態(tài)范圍表示光接收機在指定的誤碼率條件下所能接收的光功率變化范圍的大小，它反映光接收機適應(yīng)強光信號的能力。（2）動態(tài)范圍D4.1.2光檢測器件（PIN和APD）（1）本征PN型光電二極管（PIN）

PIN是在薄的P區(qū)和N區(qū)之間夾入一層較厚的本征半導(dǎo)體材料，以增加PN結(jié)耗盡區(qū)的寬度，稱為I

區(qū)。PIN的特點是：光電轉(zhuǎn)換效率較高（無光生電流放大作用），響應(yīng)速度快。

(a)PIN光電二極管

(b)APD光電二極管（2）雪崩型光電二極管（APD）

APD在薄的重摻雜的P+區(qū)和N+區(qū)之間夾入I區(qū)（較厚）和P區(qū)，I區(qū)是耗盡區(qū)（作為光子的主要吸收區(qū)），P區(qū)是高電場區(qū)（高于I區(qū)電場，作為碰撞電離區(qū)）。

APD的特點是：光電轉(zhuǎn)換效率高（有光生電流放大作用，即雪崩倍增作用），響應(yīng)速度快。

光電二極管又稱為光敏二極管。其工作方式為負偏置方式，其中PIN的負偏壓約為幾至幾十伏，APD的負偏壓約為幾十至一百多伏。（3）光電二極管的主要特性參數(shù)

①截止工作波長（上限使用波長）c

光生載流子條件為h≥Eg，即≤hc/Eg

定義截止工作波長c為

chc/Eg

則得≤c

時能產(chǎn)生光生電流，＞c

時不能產(chǎn)生光生電流例如：c=1.06μm（Si）和1.6μm（Ge）

②暗電流Id

定義：無光照射時，光電二極管的反向電流，稱為暗電流Id。暗電流Id越小越好。

暗電流Id構(gòu)成本底背景噪聲，稱為暗電流散粒噪聲，其電流均方值為

G是APD倍增因子，x是附加噪聲指數(shù)。通常，PIN的Id＜1nA，APD的Id=1～幾十nA

③響應(yīng)度R

定義：單位入射光功率所產(chǎn)生的一次光生電流，稱為響應(yīng)度R。上式適合任何工作偏壓下的PIN和低偏壓無倍增條件下的APD。通常，R=0.5A/W左右。

④量子效率定義：一個入射光子所產(chǎn)生的一次光生電子數(shù)，稱為量子效率。

故的定義適合任何工作偏壓下的PIN和低偏壓無倍增條件下的APD。通常，

=30％～90％⑤響應(yīng)時間定義：光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的渡越時間d與光檢測回路的RC時間常數(shù)RC之和，稱為響應(yīng)時間。即

=d+RC

式中，d≈耗盡區(qū)寬度/光生載流子漂移速度。

RC≈RLCd,RL是負載電阻，Cd是光電二極管結(jié)電容。圖4-3

光電二極管等效電路

⑥APD倍增因子G

定義：APD有倍增時總的光生電流與未倍增的一次光生電流之比，稱為倍增因子G。即式中，V為外加反向偏壓；VB為擊穿電壓(一般選擇VB大的APD)；m是常數(shù)因子。此外，G與T有關(guān)，T則G。通常G=10～100。

經(jīng)驗公式

⑦量子噪聲與APD附加噪聲指數(shù)定義：光束中光子數(shù)目波動引起光生電流波動，產(chǎn)生光生電流散粒噪聲，稱為量子噪聲。其均方值為

2eIPfG2是倍增噪聲，Gx是倍增噪聲附加項。x稱為附加噪聲指數(shù)，x≤1。例如，Si-APD（0.85m）的x=0.3～0.5，Ge-APD（1.31m）的x=0.8～1.0，InGaAsP-APD（1.31m）的x=0.5～0.7。

4.1.3前置放大器

1．基本功能

將光檢測器件輸出的微弱電流信號（通常為10-7～10-5A）進行放大，以適合后續(xù)電路的需要。前置放大器的重要指標(biāo)是：低噪聲高靈敏度合適的帶寬大的動態(tài)范圍良好的溫度穩(wěn)定性等2．典型電路：FET互阻抗前置放大器

該電路的主要特點：采用了共源-共基-共集方式，內(nèi)部反饋小，即后級電路對前級電路的影響小，電路穩(wěn)定性好；采用了負反饋，使放大器輸入阻抗有所減小，有利于增大帶寬。4.1.4主放大器1．基本功能

將前置放大器輸出電壓信號（通常為毫伏數(shù)量級）放大到適合于后級判決電路所需要的幅度范圍（幾伏數(shù)量級）。主放大器的電壓增益變化范圍要求比較大，以適應(yīng)前端入射光功率動態(tài)范圍大的特點，為此需要有自動增益控制（AGC）功能。2．典型電路：雙柵FET主放大器3．級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)

式中，NF1和NF2分別為前置放大器和主放大器的噪聲系數(shù)，KP1為前置放大器的功率增益。

可見，當(dāng)KP1足夠大時，以致右邊第二項很小可以略去，則NF≈NF1。這表明，當(dāng)前置放大器的功率增益足夠大時，則級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)主要由前置放大器的噪聲系數(shù)來決定。由前置放大器和主放大器構(gòu)成的級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)NF滿足公式：減小級聯(lián)放大器噪聲系數(shù)的關(guān)鍵是使前置級具有高增益和低噪聲4.1.5均衡器

1．基本功能

對主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號進行整形，使其變?yōu)樯嘞倚盘?，以利于克服碼間干擾進行幅度判決。

2．碼間干擾（ISI）（1）產(chǎn)生原因

光纖色散引起光脈沖展寬，當(dāng)光脈沖展寬超過分配給它們的時隙時，以致一部份光脈沖能量進入相鄰時隙，對鄰近碼元信號產(chǎn)生干擾，稱為碼間干擾；而留在本時隙內(nèi)的光脈沖能量減小，使判決電路的輸入信噪比降低。所以，碼間干擾是產(chǎn)生誤碼的重要原因。

（2）碼間干擾消除方法

若單個碼元的時域展寬波形的主峰峰值對應(yīng)時刻以及各個零點對應(yīng)時刻是等間隔分布的，并且其間隔時間t等于碼元周期Tb，則用這種碼元時域展寬波形組成的碼元序列，在傳號碼元波形的主峰峰值對應(yīng)時刻上不會出現(xiàn)其他碼元信號的非零值，在空號碼元的零值中心時刻上也不會出現(xiàn)其他碼元信號的非零值，因而就不會產(chǎn)生碼間干擾（見下頁插圖）。所以，在傳號碼元的主峰峰值對應(yīng)時刻上和在空號碼元的零值中心時刻上進行幅度判決，不會產(chǎn)生誤碼。

升余弦信號符合以上要求，其特點為：①具有等間隔分布的主峰峰值時刻和零點時刻；②具有比尖銳截止低通信號更短和更細的拖尾(即次峰個數(shù)少、幅度低)

圖4-8

碼間干擾消除方法示意圖

當(dāng)均衡器輸出升余弦波形時，發(fā)送端輸出的基帶數(shù)字脈沖信號，只要嚴格按照fb=1/Tb的速率發(fā)送，則在均衡器輸出信號的波峰峰值處不會產(chǎn)生碼間干擾。3．均衡電路均衡電路是專門的濾波及頻率補償電路，其輸出波形應(yīng)當(dāng)接近升余弦波。實現(xiàn)方法是，補償某些頻率、抑制某些頻率。LRC濾波器均衡電路圖：

調(diào)試該電路時，須根據(jù)眼圖的狀況來調(diào)整Rc和Re。4．眼圖眼圖張開程度越大，則碼間干擾越小，越有利于判決。圖4-11

升余弦信號的眼圖4.1.6基線恢復(fù)

1．基本功能

將升余弦信號的基線固定在某一電平上不變。

2．典型電路

（1）二極管鉗位器(用于速率≤34Mb/s的光纖通信系統(tǒng))（2）差分電路負反饋鉗位器（用在速率為140Mb/s的光纖通信系統(tǒng)中）4.1.7幅度判決

1．基本功能將均衡器輸出并經(jīng)過基線恢復(fù)處理的升余弦波信號整形為非歸零（NRZ）的矩形脈沖信號，以利于時鐘提取。2．典型電路3．判決門限與誤碼率的關(guān)系

設(shè)基線恢復(fù)電路的輸出電信號是

x(t)=s(t)+n(t)(0≤t≤Tb)

s(t)是待判決的升余弦信號，n(t)是N(0,σ2)型正態(tài)噪聲，Tb是碼元周期。取t=tj為判決時刻，則s(tj)和n(tj)分別為

觀測模型為式中含有“1”碼的x(tj)和含有“0”碼的x(tj)出現(xiàn)的概率密度分別為

p(x/V1)和p(x/V0)隨x變化的曲線判決準(zhǔn)則為（判決門限設(shè)為Vd）虛警概率α（發(fā)“0”碼而錯判為“1”碼）為漏警概率（發(fā)“1”碼而錯判為“0”碼）為其中，稱為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)?？偟腻e誤概率Pe（即誤碼率）為

Pe=P(V0)+P(V1)

式中，P(V0)是發(fā)“0”碼的概率，P(V1)是發(fā)“1”碼的概率，且P(V0)+P(V1)=1。

上式是誤碼率與判決門限Vd的一般關(guān)系式。

幅度判決時，選擇判決門限Vd使誤碼率減至最小，即

解得故最佳判決門限為若P(V1)≈P(V0)，σ1≈σ0，則K很小最后化得故得此式是最小誤碼率與最佳判決門限Vd的關(guān)系式。

光纖通信一般要求Pe=10-9，則由上式可得對應(yīng)的

Q≈6。于是，最小誤碼率為Pe=P(V0)[1-

(Q)]+P(V1)

(?Q)=

(?Q)

即4．靈敏度與誤碼率的關(guān)系

設(shè)P(V0)=P(V1)=1/2，則平均電壓脈沖幅度為

V=(V0+V1)/2

即平均每2Tb內(nèi)出現(xiàn)由于光脈沖與電脈沖的一一對應(yīng)關(guān)系，故有P(Pr0)=P(Pr1)=1/2則平均光功率為

Pr=(Pr0+Pr1)/2即平均每2Tb內(nèi)出現(xiàn)

即可得Q(1+0)=V1?V0=V1(1?V0/V1)=V1(1?)

根據(jù)

如果預(yù)先給定Pe、、1及0，則按以下步驟可以確定靈敏度Sr，即：4.1.8非線性處理1．基本功能將幅度判決輸出的非歸零矩形脈沖序列信號變?yōu)闅w零矩形脈沖序列信號，以利于提取時鐘信號。

NRZ與RZ脈沖序列信號的區(qū)別如下：

（1）時域：NRZ脈沖寬度τ等于碼元周期Tb，RZ脈沖寬度τ小于碼元周期Tb(τ=Tb/m，其中m=2,3,4…)。

（2）頻域：NRZ功率譜沒有時鐘頻率的線譜分量，RZ功率譜則有之。

圖4-16單極性NRZ和RZ脈沖序列信號的時域和頻域波形圖

2．典型電路圖4-17非線性處理電路及其各點信號的波形圖

4.1.9時鐘提取

1．基本功能從非線性處理電路輸出的RZ信號中獲得按時鐘頻率fb振蕩的余弦信號。其中fb=1/Tb。2．典型電路：LC諧振放大器4.1.10限幅移相

1．基本功能將時鐘提取電路輸出的一列幅度變化很大的余弦振蕩信號進行限幅，得到矩形脈沖信號，再經(jīng)過移相和電平變換，變成后