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第四章 光檢測(cè)器和光接收系統(tǒng),數(shù)字光接收機(jī)的功能是:把經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減、波形被展寬的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并放大處理，恢復(fù)為原始的數(shù)字碼流。 主要性能指標(biāo)：靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍 4.1 光接收機(jī)基本組成 直接強(qiáng)度調(diào)制，采用直接檢測(cè)方式的數(shù)字光接收機(jī)方框圖示于圖4.14。 主要包括： 光檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、均衡器、 時(shí)鐘提取電路、取樣判決器以及自動(dòng)增益控制(AGC)電路。,圖 4.14 數(shù)字光接收機(jī)方框圖,,光檢測(cè)器,,偏壓控制,,前置放大器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,AGC,電路,,,,均衡器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,判決器,,時(shí)鐘,提取,,再生碼流,主放大器,光信號(hào),1. 光檢測(cè)器 光檢測(cè)器是光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，其性能特別是響應(yīng)度和噪聲直接影響光接收機(jī)的靈敏度。 對(duì)光檢測(cè)器的要求如下： (1) 波長響應(yīng)要和光纖低損耗窗口(0.85 μm、 1.31 μm和1.55 μm)兼容； (2) 響應(yīng)度要高， 在一定的接收光功率下， 能產(chǎn)生最大的光電流； (3) 噪聲要盡可能低， 能接收極微弱的光信號(hào)； (4) 性能穩(wěn)定， 可靠性高， 壽命長， 功耗和體積小。 目前， 適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的光檢測(cè)器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。,2. 放大器 前置放大器應(yīng)是低噪聲放大器，它的噪聲對(duì)光接收機(jī)的靈敏度影響很大。 前放的噪聲取決于放大器的類型，目前有三種類型的前放可供選擇(參看4.2.2節(jié))。 主放大器一般是多級(jí)放大器，它的作用是： （1）提供足夠的增益 （2）并通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，使輸入光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)， 輸出電信號(hào)保持恒定。 主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。,3. 均衡和再生 均衡的目的： ?對(duì)經(jīng)光纖傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變(失真)的電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。 ? 使輸出信號(hào)的波形適合于判決(一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形)，以消除碼間干擾，減小誤碼率。 再生電路包括：判決電路和時(shí)鐘提取電路 再生電路功能：從放大器輸出的信號(hào)與噪聲混合的波形中提取碼元時(shí)鐘，并逐個(gè)地對(duì)碼元波形進(jìn)行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。,4. 光電集成接收機(jī) 圖4.14中除光檢測(cè)器以外的所有元件都是標(biāo)準(zhǔn)的電子器件， 很容易用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路(IC)技術(shù)將它們集成在同一芯片上。 不論是硅(Si)還是砷化鎵(GaAs)IC技術(shù)都能夠使集成電路的工作帶寬超過2 GHz，甚至達(dá)到10 GHz。 為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在努力開發(fā)單片光接收機(jī)，即用“光電集成電路(OEIC)技術(shù)”在同一芯片上集成包括光檢測(cè)器在內(nèi)的全部元件。,對(duì)于工作在1.3~1.6 μm波長的系統(tǒng)，人們需要基于InP的OEIC接收機(jī)。 在1991年試驗(yàn)成功的單路InGaAs OEIC接收機(jī)，其運(yùn)行速率達(dá)5 Gb/s。 InGaAs OEIC接收機(jī)也可以用混合法實(shí)現(xiàn)。 如圖4.15所示， 電元件集成在GaAs基片上，而光檢測(cè)器集成在InP基片上，兩個(gè)部分通過接觸片連接在一起。,圖 4.15 光電集成接收機(jī),4.2 光檢測(cè)器,4.2.1 光電二極管工作原理 光電二極管(PD)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能， 是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。,在耗盡層兩側(cè)是沒有電場(chǎng)的中性區(qū)，由于熱運(yùn)動(dòng)，部分光生電子和空穴通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入耗盡層，然后在電場(chǎng)作用下， 形成和漂移電流相同方向的擴(kuò)散電流。 漂移電流分量和擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電流。當(dāng)與P層和N層連接的電路開路時(shí)，便在兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。 當(dāng)連接的電路閉合時(shí)，N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)， 便形成了光生電流。 當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子 - 空穴對(duì)的運(yùn)動(dòng)，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡(jiǎn)單的光電二極管(PD)。,如圖3.19(b)所示，光電二極管通常要施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘?，目的是增加耗盡層的寬度，縮小耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的擴(kuò)散分量。 由于載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多，所以減小擴(kuò)散分量的比例便可顯著提高響應(yīng)速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會(huì)增加載流子漂移的渡越時(shí)間， 使響應(yīng)速度減慢。 為了解決這一矛盾， 就需要改進(jìn)PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。,4.2.2 PIN 光電二極管 PIN光電二極管的產(chǎn)生 由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收， 因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。 為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。,PIN光電二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)見圖3.20和圖3.21。 中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，用Π(N)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，用P+和N+表示。 I層很厚， 吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子 - 空穴對(duì)，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。 兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層， 因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。 另外，可通過控制耗盡層的寬度ω，來改變器件的響應(yīng)速度。,圖3. 21 PIN光電二極管結(jié)構(gòu),式中， hf 為光子能量， e為電子電荷。,(3.13),(3.14),PIN光電二極管具有如下主要特性： (一) 量子效率和光譜特性。 光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率η或響應(yīng)度ρ表示。量子效率η的定義為一次光生電子 -空穴對(duì)和入射光子數(shù)的比值,響應(yīng)度的定義為一次光生電流IP和入射光功率P0的比值,式中，α(λ)和ω分別為I層的吸收系數(shù)和厚度。由式(3.15)可以看到，當(dāng)α(λ)ω1時(shí)，η→1，所以為提高量子效率η，I層的厚度ω要足夠大。,（1）量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。 假設(shè)器件表面反射率為零，P層和N層對(duì)量子效率的貢獻(xiàn)可以忽略， 在工作電壓下，I層全部耗盡，那么PIN光電二極管的量子效率可以近似表示為,(3.15),（2） 量子效率的光譜特性取決于半導(dǎo)體材料的吸收光譜α(λ)，對(duì)長波長的限制由式(3.6)確定，即λc= h c/Eg。 圖3.22示出量子效率η和響應(yīng)度ρ的光譜特性，由圖可見，Si 適用于0.8~0.9μm波段，Ge 和InGaAs 適用于1.3~1.6 μm波段。響應(yīng)度一般為0.5~0.6 (A/W)。,圖3-22 PIN光電二極管響應(yīng)度 、量子效應(yīng)率 與波長 的關(guān)系,(二) 響應(yīng)時(shí)間和頻率特性。 光電二極管對(duì)高速調(diào)制光信號(hào)的響應(yīng)能力用脈沖響應(yīng)時(shí)間τ或截止頻率fc(帶寬B)表示。 對(duì)于數(shù)字脈沖調(diào)制信號(hào)，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時(shí)間，分別定義為脈沖上升時(shí)間τr和脈沖下降時(shí)間τf。 當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù)τ0時(shí)，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數(shù)函數(shù)exp(t/τ0)和exp(-t/τ0)，由此得到脈沖響應(yīng)時(shí)間 τ=τr=τf=2.2τ0 (3.16),對(duì)于幅度一定，頻率為ω=2πf 的正弦調(diào)制信號(hào)，用光生電流I(ω)下降3dB的頻率定義為截止頻率fc。當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù)τ0時(shí)，,（3.17）,PIN光電二極管響應(yīng)時(shí)間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越時(shí)間τd和包括光電二極管在內(nèi)的檢測(cè)電路RC常數(shù)所確定。,當(dāng)調(diào)制頻率ω與渡越時(shí)間τd的倒數(shù)可以相比時(shí)， 耗盡層(I層)對(duì)量子效率η(ω)的貢獻(xiàn)可以表示為,(3.18),由η(ω)/η(0)= 得到由渡越時(shí)間τd限制的截止頻率,（3.19）,式中，渡越時(shí)間τd= ω/vs， ω為耗盡層寬度，vs為載流子渡越速度， 比例于電場(chǎng)強(qiáng)度。 由式(3.19)和式(3.18)可以看出， 減小耗盡層寬度ω，可以減小渡越時(shí)間τd，從而提高截止頻率fc，但是同時(shí)要降低量子效率η。,圖3.23 內(nèi)量子效率和帶寬的關(guān)系,式中，Rt為光電二極管的串聯(lián)電阻和負(fù)載電阻的總和，Cd為結(jié)電容Cj和管殼分布電容的總和。,式中，ε為材料介電常數(shù)，A為結(jié)面積，w為耗盡層寬度。,(3.20),(3.21),(三) 噪聲。 噪聲影響光接收機(jī)的靈敏度。 噪聲包括散粒噪聲(Shot Noise)(由信號(hào)電流和暗電流產(chǎn)生) 熱噪聲(由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生) （ 1 ）均方散粒噪聲電流  〈 i2sh〉=2e(IP+Id)B (3.22) e為電子電荷，B為放大器帶寬，IP和Id分別為信號(hào)電流和暗電流。 2eIPB 稱為量子噪聲(由于入射光子和所形成的電子-空穴對(duì)都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生) 2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲。 暗電流是器件在反偏壓條件下，沒有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向直流電流。,（1）均方熱噪聲電流, 式中，k=1.38×10-23J/K為波爾茲曼常數(shù)，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負(fù)載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結(jié)果。  因此， 光電二極管的總均方噪聲電流為,4.2.3 雪崩光電二極管(APD) 光電二極管輸出電流 I和反偏壓U的關(guān)系示于圖3.24。 隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。 當(dāng)反向偏壓增加到一定數(shù)值時(shí)，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個(gè)電壓稱為擊穿電壓UB。 APD就是根據(jù)這種特性設(shè)計(jì)的器件。 根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)， 光子被吸收而產(chǎn)生電子 - 空穴對(duì)。,如果電壓增加到使電場(chǎng)達(dá)到200 kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場(chǎng)區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。 高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子 - 空穴對(duì)。 新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。 如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，見圖3.25。 所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。,圖 3.24 光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關(guān)系,圖 3.25 APD載流子雪崩式倍增示意圖(只畫出電子）,APD的響應(yīng)度比PIN增加了g倍。,U為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長有關(guān)的常數(shù)，R為體電阻。 當(dāng)U≈UB時(shí)，RIo/UB1，上式可簡(jiǎn)化為,對(duì)APD特性新引入的參數(shù)是倍增因子和附加噪聲指數(shù) 倍增因子 倍增因子g(一次光生電流產(chǎn)生的平均增益的倍數(shù))定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。,(3.25),(3.26),(3.27),2. 過剩噪聲因子 雪崩效應(yīng)不僅對(duì)信號(hào)電流而且對(duì)噪聲電流同樣起放大作用。APD的均方量子噪聲電流為 〈i2q〉=2eIPBg2 (3.26a) 這是對(duì)噪聲電流直接放大產(chǎn)生的，并未引入新的噪聲成分。 引入新的噪聲成分， 并表示為附加噪聲因子F。 F(1)是雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性引起噪聲增加的倍數(shù)，設(shè)F=gx，APD的均方量子噪聲電流應(yīng)為  〈i2q〉=2eIPBg2+x (3.26b) 式中， x為附加噪聲指數(shù)。,同理，APD暗電流產(chǎn)生的均方噪聲電流應(yīng)為 〈 i2d〉=2eId Bg2+x (3.27) 附加噪聲指數(shù)x與器件所用材料和制造工藝有關(guān) Si-APD的x=0.3~0.5，Ge-APD的x=0.8~1.0，InGaAs-APD的x=0.5~0.7。 當(dāng)式(3.26)和式(3.27)的g=1時(shí)，得到的結(jié)果和PIN相同,4.2.4 光電二極管一般性能和應(yīng)用 表3.3和表3.4列出半導(dǎo)體光電二極管(PIN和APD)的一般性能。 APD是有增益的光電二極管，在光接收機(jī)靈敏度要求較高的場(chǎng)合，采用APD有利于延長系統(tǒng)的傳輸距離。 靈敏度要求不高的場(chǎng)合，一般采用PIN-PD。,4.3 光接收機(jī)的特性 4.3.1 噪聲特性 光接收機(jī)的噪聲有兩部分： 外部電磁干擾產(chǎn)生 這部分噪聲的危害可以通過屏蔽或?yàn)V波加以消除； 內(nèi)部產(chǎn)生 這部分噪聲是在信號(hào)檢測(cè)和放大過程中引入的隨機(jī)噪聲，只能通過器件的選擇和電路的設(shè)計(jì)與制造盡可能減小， 一般不可能完全消除。,我們要討論的噪聲是指內(nèi)部產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲。 光接收機(jī)噪聲的主要來源是:光檢測(cè)器的噪聲和前置放大器的噪聲。因?yàn)榍爸眉?jí)輸入的是微弱信號(hào)，其噪聲對(duì)輸出信噪比影響很大，而主放大器輸入的是經(jīng)前置級(jí)放大的信號(hào)，只要前置級(jí)增益足夠大，主放大器引入的噪聲就可以忽略。,圖 4.16 光接收機(jī)的噪聲等效模型,圖4.16示出光接收機(jī)的噪聲等效模型， 由光檢測(cè)器和放大器兩部分組成。 〈iq2〉光檢測(cè)器的量子噪聲產(chǎn)生的均方噪聲電流(等效噪聲功 率) ，相應(yīng)的功率譜密度表示為 Sq 〈id2〉光檢測(cè)器的暗電流噪聲產(chǎn)生的均方噪聲電流(等效噪聲功率)， 其相應(yīng)的功率譜密度 Sd ip 光檢測(cè)器的輸出光生電流 R 光檢測(cè)器的偏置電阻 C 光檢測(cè)器的電容(結(jié)電容和其他電容),放大器分解為: 理想放大器 等效噪聲電流源〈i02〉相應(yīng)的功率譜密度 SI 等效噪聲電壓源〈u02〉，相應(yīng)的功率譜密度SE Rin放大器的輸入電阻。,折合到電放大器輸入端的噪聲主要包括光檢測(cè)器產(chǎn)生的量子 噪聲、暗電流噪聲和電阻熱噪聲及放大器產(chǎn)生的噪聲。它們 的電流均方值分別為,其中， 為一次光生信號(hào)電流，Id 為暗電流。,放大器噪聲特性取決于所采用的前置放大器類型， 根據(jù)放大器噪聲等效電路和晶體管理論可以計(jì)算。常用三種類型前置放大電路示于圖4.17，,這樣，折合到放大器輸入端的均方噪聲電流為,圖 4.17 光接收機(jī)的前置級(jí)放大電路 (a) 雙極型晶體管； (b) 場(chǎng)效應(yīng)管； (c) 跨阻型,三種類型前置放大器的比較： (1) 雙極型晶體管前置放大器的主要特點(diǎn)是輸入阻抗低， 電路時(shí)間常數(shù)RC小于信號(hào)脈沖寬度T，因而碼間干擾小，適用于高速率傳輸系統(tǒng)。 (2) 場(chǎng)效應(yīng)管前置放大器的主要特點(diǎn)是輸入阻抗高， 噪聲小，高頻特性較差，適用于低速率傳輸系統(tǒng)。 (3) 跨阻型前置放大器最大的優(yōu)點(diǎn)是改善了帶寬特性和動(dòng)態(tài)范圍，并具有良好的噪聲特性。,4.3.2 誤碼率 由于噪聲的存在，放大器輸出的是一個(gè)隨機(jī)過程， 其取樣值是隨機(jī)變量，因此在判決時(shí)可能發(fā)生誤判，把發(fā)射的“0”碼誤判為“1”碼，或把“1”碼誤判為“0”碼。 光接收機(jī)對(duì)碼元誤判的概率稱為誤碼率(在二元制的情況下，等于誤比特率，BER)， 用較長時(shí)間間隔內(nèi)，在傳輸?shù)拇a流中，誤判的碼元數(shù)和接收的總碼元數(shù)的比值來表示。 碼元被誤判的概率， 可以用噪聲電流(壓)的概率密度函數(shù)來計(jì)算。 如圖4.18所示，I1是“1”碼的電流，I0是“0”碼的電流。 Im是“１”碼的平均電流，而“0”碼的平均電流為0。D為判決門限值，一般取D= Im /2。,圖 4.18 計(jì)算誤碼率的示意圖,在“１”碼時(shí)，如果在取樣時(shí)刻帶有噪聲的電流I1D，則可能被誤判為“１”碼。 要確定誤碼率，不僅要知道噪聲功率的大小，而且要知道噪聲的概率分布。 光接收機(jī)輸出噪聲的概率分布十分復(fù)雜，一般假設(shè)噪聲電流(或電壓)的瞬時(shí)值服從高斯分布，其概率密度函數(shù)為:,式中x是代表噪聲這一高斯隨機(jī)變量的取值， 其均值為零，方差為σ2。,(4.8),在已知光檢測(cè)器和前置放大器的噪聲功率，并假設(shè)了噪聲的概率分布后， 現(xiàn)在可以分別計(jì)算“0”碼和“１”碼的誤碼率了。 在發(fā)“0”碼時(shí)， 平均噪聲功率N0=NA，NA為前置放大器的平均噪聲功率。 這時(shí)沒有光信號(hào)輸入，光檢測(cè)器的平均噪聲功率ND=0(略去暗電流)。由式(4.8)得到發(fā)“0”碼的條件下噪聲的概率密度函數(shù)為 :,(4.9),根據(jù)誤碼率的定義，把“0”碼誤判為“1”碼的概率， 應(yīng)等于I0值超過D值的概率，即,式中x=I0/,在發(fā)“1”碼時(shí)，平均噪聲功率N1=NA+ND。ND是在放大器輸出端光檢測(cè)器的平均噪聲功率。 這時(shí)噪聲電流的幅度為I1-Im，判決門限值仍為D，則只要取樣值Im-I1Im-D或I1-ImD-Im，就可能把“１”碼誤判為“0”碼。,(4.10a),式中y=(I1-Im)/ 。 “0”碼和“1”碼的誤碼率一般是不相等的，但對(duì)于“0”碼和“1”碼等概率的碼流而言，一般認(rèn)為Pe,01=Pe,10時(shí)，可以使誤碼率達(dá)到最小。,(4.11a),把“1”碼誤判為“0”碼的概率為：,因此，總誤碼率(BER)可以表示為：,(4.12),Q稱為超擾比，含有信噪比的概念。它還表示在對(duì)“0”碼進(jìn)行取樣判決時(shí)，判決門限值D超過放大器平均噪聲電流 的倍數(shù)。,由此可見，只要知道Q值，就可根據(jù)式(4.12) 的積分求出誤碼率，結(jié)果示于圖4.19。例如：Q=6, BER≈10-9，Q≈7， BER=10-12。,圖4.19 誤碼率和Q的關(guān)系,Pr =10lg (4.14),4.3.3 靈敏度 靈敏度是衡量光接收機(jī)性能的綜合指標(biāo)。靈敏度Pr的定義是，在保證通信質(zhì)量(限定誤碼率或信噪比)的條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率〈P〉min，并以dBm為單位。由定義得到,靈敏度表示光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，能夠接收微弱光信號(hào)的能力。 提高靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號(hào)。,1. 理想光接收機(jī)的靈敏度 假設(shè)光檢測(cè)器的暗電流為零，放大器完全沒有噪聲，系統(tǒng)可以檢測(cè)出單個(gè)光子形成的電子 - 空穴對(duì)所產(chǎn)生的光電流， 這種接收機(jī)稱為理想光接收機(jī)。 它的靈敏度只受到光檢測(cè)器的量子噪聲的限制，因?yàn)榱孔釉肼暿前殡S光信號(hào)的隨機(jī)噪聲，只要有光信號(hào)輸入，就有量子噪聲存在。,首先考慮理想光接收機(jī)的誤碼率。當(dāng)光檢測(cè)器沒有光輸入時(shí)， 放大器就完全沒有電流輸出，因此“0”碼誤判為“１”碼的概率為0，即Pe, 01=0。 產(chǎn)生誤碼的惟一可能就是當(dāng)一個(gè)光脈沖輸入時(shí)，光檢測(cè)器沒有產(chǎn)生光電流，放大器沒有電流輸出。 這個(gè)概率，即“1”碼誤判為“0”碼的概率Pe, 10=exp(-n)，n為一個(gè)碼元的平均光子數(shù)。 當(dāng)“0”碼和“1”碼等概率出現(xiàn)時(shí)， 誤碼率為： n為一個(gè)碼元平均光子數(shù),現(xiàn)在考慮理想光接收機(jī)的靈敏度。設(shè)傳輸?shù)氖欠菤w零碼(NRZ)，每個(gè)光脈沖最小平均光能量為Ed，碼元寬度為Tb， 一個(gè)碼元平均光子數(shù)為n，那么光接收機(jī)所需最小平均接收功率為 :,式中，因子2是“0”碼和“1”碼功率平均的結(jié)果，h=6.628×10-34J·s為普朗克常數(shù)，f=c/λ，f、λ分別為光頻率和光波長，c為真空中的光速, η為光/電轉(zhuǎn)換時(shí)的量子效率。 利用Tb=1/fb，fb為傳輸速率,Pr= 10 lg (4.17),對(duì)于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，一般要求誤碼率 ，根據(jù)式(4.15)得到n≥21。 這表明至少要有21個(gè)光子產(chǎn)生的光電流， 才能保證判決時(shí)誤碼率小于或等于10-9。 設(shè)η=0.7，并把相關(guān)的常數(shù)代入式(4.17)， 計(jì)算出的不同λ和不同fb的Pr值列于表4.1。 這是光接收機(jī)可能達(dá)到的最高靈敏度，這個(gè)極限值是由量子噪聲決定的，所以稱為量子極限。 由表 4.1 我們明顯看到了靈敏度與光波長和傳輸速率的關(guān)系。,把這些關(guān)系代入式(4.16)， 得到理想光接收機(jī)靈敏度:,2. 實(shí)際光接收機(jī)的靈敏度 影響實(shí)際光接收機(jī)靈敏度的因素很多，計(jì)算也十分復(fù)雜， 這里只作簡(jiǎn)要介紹。利用誤碼率的公式(4.12)、(4.13)可以計(jì)算最小平均接收光功率。 為此，應(yīng)建立超擾比Q與入射光功率的關(guān)系。在發(fā)“0”碼的情況下，入射信號(hào)的光功率P0=0，輸出光電流I0=0。在發(fā)“1”碼的情況下，入射信號(hào)的光功率P1和光電流Ip1的關(guān)系為,式中，g為APD倍增因子(對(duì)于PINPD，g=1)，ρ為光檢測(cè)器的響應(yīng)度，〈P〉=(P1+P0)/2為“0”碼和“１”碼的平均光功率。,Q= (4.19),式中，N0和N1分別為傳輸“0”碼和“1”碼時(shí)的平均噪聲功率。如前所述，在略去暗電流的情況下，,（4.20）,在放大器輸出端“１”碼的平均電流Im=I1A，A為放大器增益，利用式(4.13)和式(4.18)得到,給定Q值， 便得到限定誤碼率的最小平均接收光功率,N0=NA N1=NA+ND 式中，NA是前置放大器的平均噪聲功率， 如式(4.4)~式(4.7)所示；ND是在放大器輸出端光檢測(cè)器的平均噪聲功率， ， 為均方量子噪聲電流，如式(3.22)和式(3.26)所示。 對(duì)于PIN光電二極管，NDNA，g=1，式(4.20)可以簡(jiǎn)化為,式中nA=NA/A2是折合到輸入端的放大器噪聲功率。,設(shè)PIN-PD光接收機(jī)的工作參數(shù)如下：光波長λ=0.85 μm，傳輸速率fb=8.448Mb/s，光電二極管響應(yīng)度ρ=0.4，互阻抗前置放大器(FET)的nA≈10-18。要求誤碼率Pe=10-9，即Q=6， 由式(4.21)計(jì)算得到〈P〉min=1.5×10-8W，Pr=-48.2 dBm。 這樣計(jì)算光接收機(jī)的靈敏度是一種粗略的方法，其中沒有考慮下列因素：波形引起的碼間干擾的影響；均衡器頻率特性的影響；光檢測(cè)器暗電流和信號(hào)含直流光的影響。,圖4.20示出典型短波長光接收機(jī)靈敏度與傳輸速率的關(guān)系曲線。圖中誤碼率限定為1×10-9，假設(shè)光檢測(cè)器量子效率η=0.5， 附加噪聲系數(shù)x=0.4，暗電流Id=1nA，滾降因子β=1， 相對(duì)脈沖展寬σ/T=0.3。 由圖可見，在限定誤碼率的條件下， 決定光接收機(jī)靈敏度的主要因素是： ? 傳輸速率和光檢測(cè)器 ?前置放大器的噪聲特性 作為例子，圖4.21示出一個(gè)長波長系統(tǒng)的實(shí)測(cè)誤碼率和平均接收光功率的關(guān)系。,圖 4.20 典型短波長光接收機(jī)靈敏度與傳輸速率的關(guān)系的關(guān)系,4.21 實(shí)測(cè)誤碼率與平均接收光功率,A= (4.22),4.3.4 自動(dòng)增益控制和動(dòng)態(tài)范圍 放大器是一個(gè)普通的寬帶高增益放大器， 由于前置放大器輸出信號(hào)幅度較大，所以主放大器的噪聲通常不必考慮。 主放大器一般由多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)構(gòu)成， 其功能是提供足夠的增益A，以滿足判決所需的電平Im。Im=Ip1A，利用式(4.18)得到,式中，g為APD倍增因子，ρ為光檢測(cè)器的響應(yīng)度，〈P〉為“0”碼和“1”碼的平均光功率。 主放大器的另一個(gè)功能是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，使光接收機(jī)具有一定的動(dòng)態(tài)范圍，以保證在入射光強(qiáng)度變化時(shí)輸出電流基本恒定。,DR = 10lg (4.23),對(duì)于APD光接收機(jī)，AGC控制光檢測(cè)器的偏壓和放大器的輸出； 對(duì)于PIN光接收機(jī)，AGC只控制放大器的輸出。,動(dòng)態(tài)范圍(DR)的定義是：在限定的誤碼率條件下，光接收機(jī)所能承受的最大平均接收光功率〈P〉max和所需最小平均接收光功率〈P〉min的比值，用dB表示。根據(jù)定義,動(dòng)態(tài)范圍是光接收機(jī)性能的另一個(gè)重要指標(biāo)，它表示光接收機(jī)接收強(qiáng)光的能力，數(shù)字光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍一般應(yīng)大于15 dB。,由于使用條件不同，輸入光接收機(jī)的光信號(hào)大小要發(fā)生變化，為實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍，采用AGC是十分有必要的。AGC一般采用直流運(yùn)算放大器構(gòu)成的反饋控制電路來實(shí)現(xiàn)。,4.4 線路編碼,在光纖通信系統(tǒng)中，從電端機(jī)輸出的是適合于電纜傳輸?shù)碾p極性碼。光源不可能發(fā)射負(fù)光脈沖，因此必須進(jìn)行碼型變換，以適合于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)囊蟆?數(shù)字光纖通信系統(tǒng)普遍采用二進(jìn)制二電平碼，即“有光脈沖”表示“１”碼， “無光脈沖”表示“0”碼。,簡(jiǎn)單的二電平碼會(huì)帶來如下問題： ? 在碼流中，出現(xiàn)“１”碼和“0”碼的個(gè)數(shù)是隨機(jī)變化的， 因而直流分量也會(huì)發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)(基線漂移)， 給光接收機(jī)的判決帶來困難。 ? 在隨機(jī)碼流中，容易出現(xiàn)長串連“１”碼或長串連“0”碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時(shí)提取造成困難或產(chǎn)生較大的定時(shí)誤差。 ? 不能實(shí)現(xiàn)在線(不中斷業(yè)務(wù))的誤碼檢測(cè)， 不利于長途通信系統(tǒng)的維護(hù)。,數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對(duì)線路碼型的主要要求是保證傳輸?shù)耐该餍?，具體要求有： (1) 能限制信號(hào)帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。這樣就可以減小基線漂移、提高輸出功率的穩(wěn)定性和減小碼間干擾， 有利于提高光接收機(jī)的靈敏度。 (2) 能給光接收機(jī)提供足夠的定時(shí)信息。因而應(yīng)盡可能減少連“１”碼和連“0”碼的數(shù)目，使“1”碼和“0”碼的分布均勻， 保證定時(shí)信息豐富。 (3) 能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測(cè)和公務(wù)通信。但對(duì)高速光纖通信系統(tǒng)，應(yīng)適當(dāng)減少冗余碼，以免占用過大的帶寬。,4.4.1 擾碼 為了保證傳輸?shù)耐该餍?，在系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)的調(diào)制器前， 需要附加一個(gè)擾碼器，將原始的二進(jìn)制碼序列加以變換，使其接近于隨機(jī)序列。 相應(yīng)地，在光接收機(jī)的判決器之后，附加一個(gè)解擾器，以恢復(fù)原始序列。擾碼與解擾可由反饋移位寄存器和對(duì)應(yīng)的前饋移位寄存器實(shí)現(xiàn)。 擾碼改變了“１”碼與“0”碼的分布， 從而改善了碼流的一些特性。,例如： 擾碼前： 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 … 擾碼后： 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 …,① 不能完全控制長串連“１”和長串連“0”序列的出現(xiàn) ② 沒有引入冗余， 不能進(jìn)行在線誤碼監(jiān)測(cè)； ③ 信號(hào)頻譜中接近于直流的分量較大， 不能解決基線漂移。 因?yàn)閿_碼不能完全滿足光纖通信對(duì)線路碼型的要求， 所以許多光纖通信設(shè)備除采用擾碼外還采用其它類型的線路編碼。,擾碼有下列缺點(diǎn)：,4.4.2 mBnB碼 mBnB碼是把輸入的二進(jìn)制原始碼流進(jìn)行分組，每組有m個(gè)二進(jìn)制碼，記為mB，稱為一個(gè)碼字，然后把一個(gè)碼字變換為n個(gè)二進(jìn)制碼，記為nB，并在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)輸出。 這種碼型是把mB變換為nB，所以稱為mBnB碼，其中m和n都是正整數(shù)， nm，一般選取n=m+1。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、 8B9B、 17B18B等等。,1. mBnB碼編碼原理 最簡(jiǎn)單的mBnB碼是1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“０”變換為“01”， 把“1”變換為“10”。 因此最大的連“０”和連“１”的數(shù)目不會(huì)超過兩個(gè)，例如1001和0110。但是在相同時(shí)隙內(nèi)，傳輸1比特變?yōu)閭鬏?比特， 碼速提高了1倍。,以3B4B碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共有(23)8個(gè)碼字， 變換為4B碼時(shí)， 共有(24)16個(gè)碼字，見表4.2。 為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的16個(gè)碼字中挑選8個(gè)碼字來代替3B碼。 設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)最佳線路碼特性的原則來選擇碼表。 例如：在3B碼中有2個(gè)“0”，變?yōu)?B碼時(shí)補(bǔ)1個(gè)“１”；在3B碼中有2個(gè)“1”， 變?yōu)?B碼時(shí)補(bǔ)1個(gè)“0”。而000用0001和1110交替使用； 111用0111和1000交替使用。同時(shí)，規(guī)定一些禁止使用的碼字， 稱為禁字，例如0000和1111。,作為普遍規(guī)則，引入“碼字?jǐn)?shù)字和”(WDS)來描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性。 所謂“碼字?jǐn)?shù)字和”，是在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼， 用“+1”代表“１”碼，整個(gè)碼字的代數(shù)和即為WDS。 如果整個(gè)碼字“１”碼的數(shù)目多于“0”碼，則WDS為正；如果“0”碼的數(shù)目多于“1”碼， 則WDS為負(fù)；如果“0”碼和“1”碼的數(shù)目相等，則WDS為0。 例如：對(duì)于0111，WDS=+2；對(duì)于0001， WDS=-2；對(duì)于0011，WDS=0。,nB碼的選擇原則是：盡可能選擇|WDS|最小的碼字， 禁止使用|WDS|最大的碼字。 以3B4B為例，應(yīng)選擇WDS=0和WDS=±2的碼字， 禁止使用WDS=±4的碼字。 表4.3 示出根據(jù)這個(gè)規(guī)則編制的一種3B4B碼表，表中正組和負(fù)組交替使用。,我國3次群和4次群光纖通信系統(tǒng)最常用的線路碼型是5B6B碼，其編碼規(guī)則如下： 5B碼共有(25)32個(gè)碼字，變換6B碼時(shí)共有(26)64個(gè)碼字，其中WDS=0有20個(gè)，WDS=±2有15個(gè)，WDS=-2有15個(gè)，共有50個(gè)|WDS|最小的碼字可供選擇。 由于變換為6B碼時(shí)只需32個(gè)碼字，為減少連“１”和連“0”的數(shù)目， 刪去： 000011、 110000、 001111和111100。 當(dāng)然禁用WDS=±4和±6的碼字。 表4.4示出根據(jù)這個(gè)規(guī)則編制的一種5B6B碼表，正組和負(fù)組交替使用。 表中正組選用20個(gè)WDS=0和12個(gè)WDS=+2，負(fù)組選用20個(gè)WDS=0和12個(gè)WDS=-2。,mBnB碼是一種分組碼，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)傳輸特性的要求確定某種碼表。mBnB碼的特點(diǎn)是： (1) 碼流中“0”和“1”碼的概率相等， 連“0”和連“1”的數(shù)目較少，定時(shí)信息豐富。 (2) 高低頻分量較小，信號(hào)頻譜特性較好，基線漂移小 (3) 在碼流中引入一定的冗余碼， 便于在線誤碼檢測(cè)。 mBnB碼的缺點(diǎn)是傳輸輔助信號(hào)比較困難。因此，在要求傳輸輔助信號(hào)或有一定數(shù)量的區(qū)間通信的設(shè)備中，不宜用這種碼型。,2. 編譯碼器 有兩種編譯碼電路： ? 一種是 組合邏輯電路，就是把整個(gè)編譯碼器都集成在一小塊芯片上，組成一個(gè)大規(guī)模專用集成塊， 國外設(shè)備大多采用這種方法。 ? 一種是把設(shè)計(jì)好的碼表全部存儲(chǔ)到一塊只讀存儲(chǔ)器(PROM)內(nèi)而構(gòu)成，國內(nèi)設(shè)備一般采用這種方法。 以3B4B碼為例，碼表存儲(chǔ)編碼器的工作原理示于圖4.22。 首先把設(shè)計(jì)好的碼表存入PROM內(nèi)，待變換的信號(hào)碼流通過串 - 并變換電路變?yōu)?比特一組的碼b1、b2、b3，并行輸出作為PROM的地址碼，在地址碼作用下，PROM根據(jù)存儲(chǔ)的碼表， 輸出與地址對(duì)應(yīng)的并行4B碼，再經(jīng)過并 - 串變換電路，讀出已變換的4B碼流。,圖 4.22 碼表存儲(chǔ)編碼器原理,圖中A、B、C三條線為組別控制控制線，當(dāng)WDS=±2時(shí)， 從A、B分別送出控制信號(hào)， 通過C線決定組別。 譯碼器與編碼器基本相同，只是除去組別控制部分。 譯碼時(shí)，把送來的已變換的4B信號(hào)碼流，每4比特并聯(lián)為一組， 作為PROM的地址，然后讀出3B碼，再經(jīng)過并 - 串變換還原為原來的信號(hào)碼流。 其他的mBnB碼編譯碼電路原理相同，只是電路復(fù)雜程度有所區(qū)別而已。,4.4.3 插入碼 插入碼是把輸入二進(jìn)制原始碼流分成每m比特(mB)-一組，然后在每組mB碼末尾按一定規(guī)律插入一個(gè)碼，組成m+1個(gè)碼為一組的線路碼流。 根據(jù)插入碼的規(guī)律，可以分為mB1C碼、mB1H碼和mB1P碼。,1. 插入碼的編碼原理 mB1C碼的編碼原理是，把原始碼流分成每m比特(mB)一組， 然后在每組mB碼的末尾插入1比特補(bǔ)碼，這個(gè)補(bǔ)碼稱為C碼， 所以稱為mB1C碼。補(bǔ)碼插在mB碼的末尾，連“0”碼和連“1”碼的數(shù)目最少。,mB1C碼的結(jié)構(gòu)如圖4.23所示，例如： mB碼為： 100 110 001 101…… mB1C碼為： 1001 1101 0010 1010……,C碼的作用是引入冗余碼，可以進(jìn)行在線誤碼率監(jiān)測(cè)； 同時(shí)改善了“0”碼和“1”碼的分布，有利于定時(shí)提取。,,mB1H碼是mB1C碼演變而成的，即在mB1C碼中，扣除部分C碼，并在相應(yīng)的碼位上插入一個(gè)混合碼(H碼)，所以稱為mB1H碼。所插入的H碼可以根據(jù)不同用途分為三類： 第一類是C碼，它是第m位碼的補(bǔ)碼，用于在線誤碼率監(jiān)測(cè)； 第二類是L碼，用于區(qū)間通信； 第三類是G碼，用于幀同步、公務(wù)、數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)等信息的傳輸。,圖 4.23 mB1C碼的結(jié)構(gòu),常用的插入碼是mB1H碼，有1B1H碼、4B1H碼和8B1H碼。以4B1H碼為例，它的優(yōu)點(diǎn)是碼速提高不大，誤碼增值??； 可以實(shí)現(xiàn)在線誤碼檢測(cè)、區(qū)間通信和輔助信息傳輸。 缺點(diǎn)是碼流的頻譜特性不如mBnB碼。但在擾碼后再進(jìn)行4B1H變換， 可以滿足通信系統(tǒng)的要求。,在mB1P碼中，P碼稱為奇偶校驗(yàn)碼， 其作用和C碼相似， 但P碼有以下兩種情況： (1) P碼為奇校驗(yàn)碼時(shí)， 其插入規(guī)律是使m+1個(gè)碼內(nèi)“1”碼的個(gè)數(shù)為奇數(shù)， 例如：,mB碼為： 100 000 001 110…… mB1P碼為： 1000 0001 0010 1101…… 當(dāng)檢測(cè)得m+1個(gè)碼內(nèi)“１”碼為奇數(shù)時(shí)，則認(rèn)為無誤碼。,(2) P碼為偶校驗(yàn)碼時(shí)，其插入規(guī)律是使m+1個(gè)碼內(nèi)“１”碼的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，,,例如： m B碼為： 100 000 001 110…… mB1P碼為： 1001 0000 0011 1100…… 當(dāng)檢測(cè)得m+1個(gè)碼內(nèi)“１”碼為偶數(shù)時(shí)， 則認(rèn)為無誤碼。,2. 編譯碼器 和mBnB碼不同，mB1H碼沒有一一對(duì)應(yīng)的碼結(jié)構(gòu)，所以mB1H碼的變換不能采用碼表法，一般都采用緩存插入法來實(shí)現(xiàn)。 圖4.24示出4B1H編碼器原理，它由緩存器、寫入時(shí)序電路、插入邏輯和讀出時(shí)序電路四部分組成。4B1H碼是每4個(gè)信號(hào)碼插入一個(gè)H碼， 因此變換后碼速增加1/4。 設(shè)信號(hào)碼的碼速為34 368 kb/s， 經(jīng)4B1H變換后， 線路碼的碼速為(5/4)34 368 kb/s=42 960 kb/s。34 368 kb/s的NRZ信號(hào)碼送入緩存器。,圖 4.24 4B1H編碼器原理,緩存器是4D觸發(fā)器， 它利用鎖相環(huán)中的4分頻信號(hào)作為寫入時(shí)序脈沖，隨機(jī)但有順序地把34 368 kb/s信號(hào)碼流分為4比特一組，與H碼一起并聯(lián)送入插入邏輯。 插入邏輯電路實(shí)際上是一個(gè)5選1的電路，它利用鎖相環(huán)中5分頻電路輸出讀出時(shí)序脈沖。由插入邏輯輸出碼速為42 960 kb/s的4B1H碼。 圖4.25示出4B1H譯碼器原理，它由B碼還原、H碼分離、幀同步和相應(yīng)的時(shí)鐘頻率變換電路組成。把42960 kb/s的4B1H碼加到緩存器，因4B1H碼是5比特為一組，所以緩存器應(yīng)有5級(jí)， 并用不同的時(shí)鐘寫入。,圖 4.25 4B1H譯碼器原理,頻率變換電路要保證向各個(gè)部分提供所需的準(zhǔn)確時(shí)鐘信號(hào)。通過緩存器，實(shí)際上已把B碼和H碼分開， 只要用34 368 kHz的時(shí)鐘把B碼按順序讀出，B碼就還原了。 B碼的還原電路實(shí)際上就是并串變換電路，由4選1電路來實(shí)現(xiàn)。 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)常用幾種線路碼的主要性能列于表4.5。,4.5 光 無 源 器 件,一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)，除光纖、光源和光檢測(cè)器外，還需要許多其他光器件，特別是無源器件。這些器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展或性能的提高都是不可缺少的。 無源光器件的要求： 插入損耗小、反射損耗大、工作溫度范圍寬、性能穩(wěn)定、壽命長、 體積小、價(jià)格便宜、便于集成等。,4.4.1 連接器和接頭 連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動(dòng))連接的器件， 主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。,4.4.2 光耦合器 耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出， 或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出。 1. 耦合器類型 T形耦合器 星形耦合器 定向耦合器 波分復(fù)用器/解復(fù)用器,4.4.3 光隔離器與光環(huán)行器 耦合器和其他大多數(shù)光無源器件的輸入端和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。 隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個(gè)方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。 隔離器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。 插入損耗和隔離度是隔離器。 環(huán)形器除了有多個(gè)端口外，其工作原理與隔離器相似 。,圖 3.36 光環(huán)行器 (a) 三端口； (b) 四端口,,,,,,,,,,,,1,3,2,(a),(b),,,,,,,,,,1,3,2,,,,,4,4.4.4 光調(diào)制器 調(diào)制器可以用電光效應(yīng)、 磁光效應(yīng)或聲光效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。最有用的調(diào)制器是利用具有強(qiáng)電光效應(yīng)的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體制成的。,4.4.5 光開關(guān) 光開關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路， 實(shí)現(xiàn)光交換， 它是光網(wǎng)絡(luò)的重要器件。 光開關(guān)可分為兩大類： 機(jī)械光開關(guān) 固體光開關(guān),