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光纤通信后2章编译 AGC电路 第四章光探测器与光接收机 光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将光信号转换回电信号，恢复光载波所 携带的原信号。光接收机通常由光探测器、前置放大器、主放大器和滤波器等组成，在数字光接 收机中，还要增加判决、时钟提取和自动增益控制（.. AGC）等电路。图.. 4.1给出了直接强度调制 （IM）的数字光信号直接检测（DD）光接收机的组成框图。 光电 变换 前置 放大 主放 大器 输出 光信号 均衡 滤波 判 决 器 译 码 器 时钟恢复 图.. 4.1直接检测数字光接收机框图 在光接收机中，首先由光电检测器（光电二极管或雪崩光电二极管），对光信号解调，将光 信号转换为电信号。光电检测器的输出电流信号很小，必须由低噪声前置放大器进行放大。光电 检测器和前置放大器构成光接收机前端，其性能是决定接收灵敏度的主要因素，主放大器与均衡 滤波器构成接收机的线性通道，对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。判决 器和时钟恢复电路对信号进行再生。如果在发送端进行了线路编码，在接收端则应有相应的译码 电路。 光接收机性能优劣的主要技术标志是接收灵敏度、误码率或信噪比、带宽和动态范围。降低 输入端噪声、提高灵敏度、降低误码率是光接收机理论的中心问题。 本章首先介绍光探测器的原理、结构和特性，然后讨论接收机主要组成部分的电路与特性， 在此基础上详细讨论接收机的噪声和灵敏度及降低噪声和提高灵敏度的方法。.. 4.1基本概念 光电检测过程的基本机制是光吸收，在如图.. 4.2所示半导体材料上，当入射光子能量.. hv超 过带隙能量时，半导体每吸收一个光子就产生一个电子—空穴对。在外加电压建立的电场作用下， 电子和空穴就在半导体中渡越并形成电流流动，称为光电流，其电流大小Ip 与入射光功率.. Pin 成比例.. IP =RPin （4.1.1） 式中，R称为光电检测器的响应度，单位为.. A/W。  功率为.. Pin的入射光中含有大量光子，能转换为光电流的光子数和入射总光子数之比称为量 子效率，可表示为.. Ip / q h = P / hv （4.1.2） in 因此响应度可表示为.. R = Ip/ Pin = hq / hv . hl /1.24 （4.1.3） 可见响应度随波长l增加而增大，这可以简单理解为对于相同的光功率随波长增加所含的光子数 增加。但当光子能量hv低于带隙能量.. Eg时，就不会产生电子空穴对，这时h →0。 量子效率η与波长l的关系与半导体材料的吸收系数a(l)密切相关。假设图.. 4.2所示的平 板的两端面镀有增透膜，宽度为W，则透射光功率Ptr =exp(-aW )Pin ，而被吸收的光功率为.. Pabs =Pin -Ptr = [1-exp(-aW )] Pin 。由于 每个被吸收的光子产生一个电子—空穴对， 则量子效率η又可表示为.. h =Pabs / Pin = 1-exp(-aW ) （4.1.4） 显然，当.. a =0时，h = 0，而当aW 1时， 则h趋近于.. 1。 图.. 4.2光电导探测器 图.. 4.3给出了通常用于光电检测器的一些半导体材料的.. a与波长l的关系。对应.. a= 0 的波 长lc 称为截止波长，用此材料制造的光电检测器只能检测l lc 的光信号。图中所示间接带隙 半导体材料.. Si和.. Ge可以用来制作光探测器，但它们的吸收边不如直接带隙半导体材料陡直。大 部分半导体材料的吸收系数可达.. 104cm-1，宽W约为.. 10μm时，h可接近于.. 1。这说明半导体材 料用于光探测具有较高的效率。 光探测器的带宽取决于它对输入光功率变化的响应速度。一般地，可引入上升时间Tr，定 义为当输入光功率突然增加时，光电流从最大值的.. 10%上升到.. 90%的时间。对于半导体光探测 器，Tr可表示为 86  图 4.3 几种常用半导体材料的吸收系数与波长的关系 Tr=(ln 9)(t tr + t RC ) （4.1.5） 其中ttr 为穿越时间，t RC为光探测器等效 RC电路的时间常数。ttr 为电子空穴对通过吸收区域 的时间，显然可通过减小吸收区域宽度 W来减小ttr 。然而，从（4.1.4）式可以看出， W减小量 子效率会降低，因此光探测器的响应率与带宽之间相互制约。由于电路寄生现象的影响，带宽主 要受 RC时间常数t RC的限制。ttr 和t RC的大小取决于探测器的结构，可以在相当大的范围内变 化。光探测器的带宽可描述为 - Df = [2p (ttr + t RC )] 1 （4.1.6） 除了带宽和响应率之外，暗电流 Id也是光探测器的一个重要参数。 Id是指在没有输入