光电检测器与光纤接收机

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：APD光电检测器件的结构基本部分与PIN光电二极管相同，仍是PN结。光检测器和前置放大器合称为接收前端，它的性能是决定接收机灵敏度的主要因素。经过预放大的电信号被送入主放大器和均衡器，它们构成光接收机的线性通道，将前置放大器的输出信号进行高增益放大并整形，以提高信噪比、减少误码率。光检测器、放大器和组成光接收机各部分的电阻元件都会由于各自的性质而给系统引入不同类型的噪声。

1.半导体光电检测器

由于光纤传输过来的光信号，到达接收端遇到的第一器件就是光电检测器，它的功能是实现光信号转换为电信号。半导体光电检测器是利用半导体材料的光电效应来实现光电转换的。光电检测器是利用外加反向偏压的PN结，当入射光作用时，发生受激吸收产生光生电子—空穴对，这些电子—空穴对在耗尽层内受电场的作用下形成漂流电流，同时在耗尽层两侧部分电子—空穴对由于扩散运动进入耗尽层，在电场作用下形成扩散电流，这两部分电流之和为光生电流。常用的光电检测器分为PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管两种。

（1）PIN光电二极管。PIN光电二极管工作在反偏压，器件由PIN三层组成，基本结构是PN结。PIN光电检测器是为提高光电转换效率而在PN结内部设置掺杂浓度很低的本征半导体（I层），以扩大耗尽层宽度的光电二极管。

本征层在光电二极管中的作用是：

1）相对P区和N区来说，I层是高电阻区，工作时，反向偏置电压中的绝大部分降落在I层上，I层是耗尽层，它扩展了光电转换的有效工作区域，对提高量子效率有利。

2）普通的PN结光电二极管为了有较高的反向击穿电压，必须选用电阻率较高的基体材料，这样势必增加光电二极管的串联体电阻，损耗增加。采用PIN结构，击穿电压不再受基体材料的影响，从而可选用低电阻的基体材料，不但提高了击穿电压，而且减小了串联电阻和时间常数。

3）I层工作在反向偏置电压下，实际上是一个强电场区，对光子载流子起加速作用。即使I层较厚，对提高器件的频率响应能力有利。

（2）APD雪崩光电二极管。APD光电检测器件的结构基本部分与PIN光电二极管相同，仍是PN结。不同之处是在P区和N区中掺杂量增大，在外加很高的反向偏压，在其结构中构造一个强电场区，当光入射到PN结后，光子被吸收产生电子—空穴对，这些电子—空穴对运动进入强电场区后获得能量做高速运动，与原子晶格产生碰撞电离出新的电子—空穴对，该过程反复多次后使载流子雪崩式倍增，进而形成大的光电流。

（3）光电检测器的特性。光电检测器的特性用以下指标进行衡量：

1）响应度R0和量子效率η。响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的一种物理量。

2）响应时间。响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射信号变化快慢的状态。

3）暗电流。在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。

2.光接收机

（1）光接收机结构。在数字光纤通信系统中，光发送机发出的载有原有信息的光脉冲信号，经过光纤传输后脉冲信号波形发生畸变，其幅度降低、波形展宽。光接收机作为光纤通信系统中的重要组成部分，其主要任务就是以尽量小的附加噪声和失真，把接收到的发生过畸变的光脉冲信号转变为电脉冲信号，并经过放大处理后，尽可能好地把原信息恢复出来。光接收机除了作为接收设备以外，还可以用于信号中继。

光接收机的主要性能指标包括接收灵敏度、误码率（信噪比）、动态范围和带宽。构成光接收机的主要部分有光检测器、前置放大器、主放大器和均衡器。光纤数字接收机组成框图如图5-17 （a）所示。用于数字系统的光接收机还要增加判决、自动增益控制（AGC）、时钟恢复等辅助电路。图5-17 （b）给出的组成框图是用于直接强度调制（IM）的数字光信号直接检测（DD）的光接收机。

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图5-17　光接收机的结构

（a）光接收机的基本组成；（b）直接检测数字光接收机

光信号进入接收机之后，首先被光检测器转换为电信号。光检测器的输出电流非常微弱，必须对这种电信号进行多级放大。电信号首先经过的前置放大器（即多级放大器的前级）有很高的低噪声要求，从这里输出的是经过初步放大的小噪声信号。光检测器和前置放大器合称为接收前端，它的性能是决定接收机灵敏度的主要因素。

经过预放大的电信号被送入主放大器和均衡器，它们构成光接收机的线性通道，将前置放大器的输出信号进行高增益放大并整形，以提高信噪比、减少误码率。接收机的噪声正比于接收机带宽，通常采用单边带宽小于比特率的低通滤波器来抑制噪声。但是这样会造成脉冲展宽，可能引起码间串扰，均衡滤波器能满足展宽的脉冲无码间串扰。

AGC电路用于扩大接收机的动态范围，它可以根据输入信号（均值）的大小自动调整主放大器的增益，使主放大器的输出信号保持恒定，在一定范围内不受输入信号的影响。判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电路，即把均衡器输出的信号恢复为“1”或 “0”的数字信号。解码器是将信息变换为原来适合于PCM传输的码型。

（2）误差源。理想的光接收机经过光电转换、放大、整形等处理之后，应该能够把接收到的信号无差错地转换成与原信号相同的电信号输出。但实际上，除了传输过程中造成的误码以外，接收机部分也有可能使信号发生畸变，引入新的差错。

所有的电路或元件都会在经过的信号上不同程度地叠加噪声，它是造成误码的主要原因。系统噪声分为散粒噪声和热噪声两类。散粒噪声包括光检测器的量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声。光检测器、放大器和组成光接收机各部分的电阻元件都会由于各自的性质而给系统引入不同类型的噪声。除了选择噪声性能较好的元件组成系统之外，根据使用的码型和信道特性选择合适的判决门限也可以降低这种原因引起的误码率。

（3）数字信号传输系统构成。所有信息传输系统都具有发送—传输—接收的结构，光纤通信系统也不例外。它的特殊之处在于使用了与以往不同的信号载波和传输介质，并由此使通信系统的其他结构也与传统的传输方式产生区别。

光纤通信系统广泛应用于数字信息的传输。如图5-18所示，一般的数字通信系统以电信号传输，原始信号经过编码后送入调制器，已调信号在进入传输系统之前先进行复用以合理地利用带宽。经过一段距离的传输后，信号会发生形变质量下降，需要经过中继器对信号进行整形再生。再生后的信号继续传输，途中根据需要可能经过多次中继，然后到达接收端。在接收端复用的信号先被解复用，得到的单路信号被送入解调器解调，再经过解码得到最终的恢复信号。理想的恢复信号与原始信号相比，除了在时间轴上的平移和幅度上的衰减或倍增以外没有其他差别。

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图5-18　数字通信系统框图

在光纤数字传输系统中，信息的载体是光波。光信号的产生和调制由光发送机完成。激光器发出的光载波进入调制器后，已经编码的电信号作为调制信号控制调制器的光输出得到已调光信号，在信息速率不太高的情况下，也可以用电信号控制激光器的光输出实现调制。多路不同波长的已调光信号可以采用复用技术来提高光纤的频带利用率，需要用到波分复用/解复用器，或者称为合波器/分波器。要进一步提高线路的使用率，在数字复用的基础上，还可以加入分插复用技术，完成这种功能的单元称为分插复用器。经过处理的信号被送入光纤进行传输，光信号在传输过程中同样会受到各种因素的影响而发生形变，使信号质量下降，因此需要对光信号中继。光信号中继是利用光放大器直接对光信号进行中继，不再需要光电和电光转换。利用这种方式可以实现3R （Re-timing，Re-shaping，Re-ampliying，即再定时、再整形、再放大）再生。直接光中继可以克服因为电处理设备带来的带宽限制，这是今后的一个发展方向。信号到达接收端，解复用之后要经过解调和解码，这两个功能都由光接收机完成。从光接收机中输出的是恢复后的电信号，理论上应该与编码之前的原始信号相同。

光电检测器与光纤接收机

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