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第四章 光检测器和光接收系统; 图 4.14 数字光接收机方框图 ;1. 光检测器 光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。 对光检测器的要求如下： (1) 波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 μm、 1.31 μm和1.55 μm)兼容； (2) 响应度要高， 在一定的接收光功率下， 能产生最大的光电流； (3) 噪声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号； (4) 性能稳定， 可靠性高， 寿命长， 功耗和体积小。 目前， 适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。;2. 放大器 前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。 前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前放可供选择(参看4.2.2节)。 主放大器一般是多级放大器，它的作用是： （1）提供足够的增益 （2）并通过它实现自动增益控制(AGC)，使输入光信号在一定范围内变化时， 输出电信号保持恒定。 主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。 ;3. 均衡和再生 均衡的目的： ?对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿。 ? 使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，以消除码间干扰，减小误码率。 再生电路包括：判决电路和时钟提取电路 再生电路功能：从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。 ; 4. 光电集成接收机 图4.14中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件， 很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片上。 不论是硅(Si)还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使集成电路的工作带宽超过2 GHz，甚至达到10 GHz。 为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收机，即用“光电集成电路(OEIC)技术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。 ; 对于工作在1.3~1.6 μm波长的系统，人们需要基于InP的OEIC接收机。 在1991年试验成功的单路InGaAs OEIC接收机，其运行速率达5 Gb/s。 InGaAs OEIC接收机也可以用混合法实现。 如图4.15所示， 电元件集成在GaAs基片上，而光检测器集成在InP基片上，两个部分通过接触片连接在一起。 ;图 4.15 光电集成接收机 ;4.2 光检测器; 在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下， 形成和漂移电流相同方向的扩散电流。 漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。 当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区， 便形成了光生电流。 当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。 这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子 - 空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管(PD)。 ;歉烁界蛹迹酝口茶菲诅裕钧矢执镑瓢金乡樟晓国篡摘铝捕芽勒赫渝签厢荒光纤通信chap4课件光纤通信chap4课件; 如图3.19(b)所示，光电二极管通常要施加适当的反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量。 由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间， 使响应速度减慢。 为了解决这一矛盾， 就需要改进PN结光电二极管的结构。 ; 4.2.2 PIN 光电二极管 PIN光电二极管的产生 由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收， 因而光电转换效率低，响应速度慢。 为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电