【正文】 () 2mIgP? ?? 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 。 由圖可見(jiàn) ， 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 均接收光功率的關(guān)系 。 圖 曲線 。 要求誤碼率 Pe=109， 即 Q=6， 由式()計(jì)算得到 〈 P〉 min= 108W， Pr= dBm。 對(duì)于 PIN光電二極管 ， NDNA， g=1， 式 ()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 。 （ ） Ip1=gρP1=2gρ〈 P〉 Q= () 012 g P ANN? ???式中 ， N0和 N1分別為傳輸 “ 0”碼和 “ 1”碼時(shí)的 平均噪聲功率 。 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。 利用誤碼率的公式 ()、 ()可以計(jì)算最小平均接收光功率 。 由表 我們明顯看到了靈敏度與光波長(zhǎng)和傳輸速率的關(guān)系 。 設(shè) η=， 并把相關(guān)的常數(shù)代入式 ()， 計(jì)算出的不同 λ和不同 fb的 Pr值列于表 。 利用 Tb=1/fb， fb為傳輸速率 〈 P〉 min= 22dbbE nhfTT??? （ ） Pr= 10 lg () ??2bnhcf 對(duì)于數(shù)字光纖通信系統(tǒng) ， 一般要求誤碼率 ， 根據(jù)式()得到 n≥21。 設(shè)傳輸?shù)?是非歸零碼(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= 1034J 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)光檢測(cè)器沒(méi)有光輸入時(shí) ， 放大器就完全沒(méi)有電流輸出 ， 因此 “ 0”碼誤判為 “ １ ”碼的概率為 0， 即 Pe, 01=0。 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 。 提高靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號(hào) 。 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 。 例如： Q=6, BER≈109， Q≈7， BER=1012。 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(guò)放大器平均噪聲電流 的倍數(shù) 。 “ 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 。 這時(shí)噪聲電流的幅度為 I1Im， 判決門限值仍為 D， 則只要取樣值 ImI1ImD或 I1ImDIm， 就可能把 “ １ ” 碼誤判為 “ 0”碼 。 由式 ()得到 發(fā) “ 0”碼的條件下噪聲的概率密度函數(shù)為 : ]2e x p[21)(02000 NINIf ???() 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(guò) D值的概率 ， 即 式中 x=I0/ 0N 在發(fā) “ 1”碼時(shí) ， 平均噪聲功率 N1=NA+ND。 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 。 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。 圖 計(jì)算誤碼率的示意圖 tIsImI1( t )I0( t )判 決 門 限 D0 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 “ 0”碼； 在 “ 0”碼時(shí) ， 如果在取樣時(shí)刻帶有噪聲的電流 I0D， 則可能被誤判為 “ １ ” 碼 。 Im是 “ １ ” 碼的平均電流 ， 而 “ 0”碼的平均電流為 0。 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(lái)計(jì)算 。 誤碼率 由于噪聲的存在 ， 放大器輸出的是一個(gè)隨機(jī)過(guò)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 。 (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) 。 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 。 22222224xqpxddTLi e I g Bi e I g Bk T FBiR?????0()pPeIhf?? 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。 圖 光接收機(jī)的噪聲等效模型 放大器Rini20SISECRSdi 2 dSqi 2 qip放大器光電檢測(cè)器～u 2 0 圖 ， 由 光檢測(cè)器 和 放大器兩部分組成 。 光接收機(jī) 噪聲的主要來(lái)源是 :光檢測(cè)器的噪聲和前置放大器的噪聲 。 5~15 5~15 工作電壓 /V 1~2 ~1 結(jié)電容 Cj/pF ~1 2~10 響應(yīng)時(shí)間 2~5 ~1 暗電流 Id/nA ( ) ( ) 響應(yīng)度 ~ ~ 波長(zhǎng)響應(yīng) InGaAsPIN SiPIN μm/??)W/(A 1???ns/?μm μm表 PIN光電二極管一般特性 ns/?~ ~ 附加噪聲指數(shù) x 20~30 30~100 倍增因子 g 40~60 50~100 工作電壓 /V 1~2 結(jié)電容 Cj/pF ~ ~ 響應(yīng)時(shí)間 10~20 ~1 暗電流 Id/nA 05~ 響應(yīng)度 1~ ~ 波長(zhǎng)響應(yīng) InGaAsAPD SiAPD )W/(A 1???μm/??表 雪崩光電二極管（ APD）一般性能 光接收機(jī)的特性 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(guò)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(guò)程中引入的隨機(jī)噪聲 ，只能通過(guò)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。 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(zhǎng)系統(tǒng)的傳輸距離 。 同理， APD暗電流 產(chǎn)生的均方噪聲電流應(yīng)為 〈 i2d〉 =2eId Bg2+x () 附加噪聲指數(shù) x與器件所用材料和制造工藝有關(guān) SiAPD的 x=~， GeAPD的 x=~，InGaAsAPD的 x=~。 引入新的噪聲成分 ， 并表示為 附加噪聲因子 F。 PIIg 0?() nBnB URIUUUIg]/)[(11)/(1 00?????() 210)(PBBn R IUn R IUg ?? () 2. 過(guò)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 。 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(zhǎng)有關(guān)的常數(shù) ， R為 體電阻 。I00 UB 圖 APD (只畫(huà)出電子 ） ＋－I0NP P ( N )光圖 APD結(jié)構(gòu)圖 電極電極光抗 反 射 膜N＋PP＋?? ( P )E 圖 N+PΠP+結(jié)構(gòu)被稱為 拉通型 APD。193。181。185。179。暗電流202。 193。 181。 U185。 209。 198。 207。 圖 光電二極管輸出電流 I和反向偏壓 U的關(guān)系 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(jiàn)圖 。 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) 。 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) 。 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。 因此 ， 光電二極管的 總均方噪聲電流 為 〈 i2〉 =2e(IP+Id)B+ RKTB4 () RKTB4() 〈 i2T〉 = 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 。 暗電流 是器件在 反 偏壓 條件下 ， 沒(méi)有入射光時(shí)產(chǎn)生的 反向直流電流 。 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 () 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。 dtc cRf ?21? ()