目录
3.1 光接收机 2
3.1.1 光接收机的分类与性能指标 2
3.1.2 直接检测光接收机的构成及功能 2
3.2 光电检测器 3
3.2.1 PN结的光电效应 4
3.2.2 PIN光电二极管 4
3.2.3 雪崩光电二极管（APD） 6
3.3 放大电路及其噪声 7
3.3.1 噪声的数学处理 8
3.3.2 放大器输入端的噪声源 8
3.3.3 场效应管和双极晶体管的噪声源 10
3.3.4 前置放大器的设计 10
3.4光接收机的灵敏度 11
3.4.1 灵敏度计算的一般方法 11
3.4.2 影响光接收机灵敏度的主要因素 11
3.5光接收机的组成模块 12
3.5.1 码间干扰问题与滤波均衡电路 12
3.5.2 接收机的动态范围和自动增益控制电路 14
3.5.3 再生电路 14
3.6 相干检测光接收机简介 16
3.6.1 相干检测原理简介 16
3.6.2 DPSK信号的准相干检测 17
第三章 光接收机
3.1 光接收机
光接收机的作用：将承载信息的光信号变成电信号。
检测微弱光信号，并将光信号成比例地转换为电信号，还要能对接收到的电信号进行整形、放大以及再生。
3.1.1 光接收机的分类与性能指标
光接收机按照是否有本振激光器可分为直接检测接收机和相干检测接收机。
直接检测不需要本振激光器，实现简单，但只能检测光信号的强度信息；相干检测需要本振激光器，且要保持本振激光器与信号光之间的相干性，可以检测光信号的相位信息，但实现复杂
现实中多使用直接检测方式。
3.1.2 直接检测光接收机的构成及功能
直接检测光接收机分为模拟光接收机和数字光接收机两种，主要使用数字光接收机。主要组成如图所示。
7个器件：
光电检测器：负责光电转换，实现光信号转换为电信号，即对光进行解调。
前置放大器：对光电检测器产生的微弱电流信号进行放大。
主放大器：提供足够的增益
自动增益控制（AGC）电路：可以控制主放大器的增益使得输出信号的幅度在一定的范围内不受输入信号幅度的影响。。
滤波均衡器：对主放大输出的失真数字进行整形，保证判决时不存在码间干扰，以得到最小的误码率。
判决器和时钟恢复电路：对信号进行再生。
3.2 光电检测器
常用光电检测器有光电二极管（PD）和雪崩二极管（APD）两种类型，
光纤通信中对光电检测器的要求：
在所用光源的波长范围内有较高的响应度；
较小的噪声；
响应速度快；
对温度变化不敏感；
与光纤尺寸匹配；
工作寿命长
3.2.1 PN结的光电效应
光电检测器本质上是一种光电转换效应，利用PN结的光电效应，光电二极管能把光信号高效且快速地转换为电信号。当入射光变化时，光生电流随之发生线性变化，从而把光信号转化为电信号。
3.2.2 PIN光电二极管
1.原理与结构
在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体以扩大耗尽区宽度，这种结构便是常用的PIN光电二极管。I层是一个接近本征，掺杂很低的N区，I区很厚，耗尽层几乎占据了整个PN结，从而使光子在零点场区被吸收的可能性很小，而在耗尽层里被充分吸收。
2.光电二极管的波长响应范围（光谱特性）
（1）响应波长的上限
入射光必须小于某个临界值，才会发生光电效应，这个临界值就叫做上截止波长，定义为：
（2）响应波长的下限和波长响应范围
Si光电二极管的波长响应范围为0.5-1.0μm,Ge和InGaAs光电二极管的波长响应范围为1.1-1.6μm,
3.光电二极管的光电转换效率
光电转换效率可用光生电流Ip和入射光功率的比值p_0的比值来表示，表示了输出和输入的响应，因此称其为响应度，即
光电二极管的量子效率表示入射光子能够转换成光电流的概率。是光生电子-空穴对和入射的光子数的比值。
提高量子效率可以采取以下措施：
尽量减少光子在表面层的反射率，增加入射到光电二极管中的光子数；
尽量减少中性区的厚度，增加耗尽区的宽度，使光子尽可能多的在耗尽层被吸收。
4. 光电二极管的响应速度
响应速度常用响应时间来表示。光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%，后沿由90%下降到10%的时间定义为脉冲上升时间和下降时间。影响响应速度的主要因素包括（1）负载电阻的RC时间常数（2）载流子在耗尽区里的渡越时间。（3）耗尽层外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟。
5.光电二极管的暗电流
暗电流指无光照时光电二极管的反向电流，暗电流的随机起伏会形成暗电流噪声。
3.2.3 雪崩光电二极管（APD）
1.工作原理
雪崩光电二极管能承受高反向偏压，从而在PN结内部能形成一个高电场区。载流子雪崩式发展从而使光电流获得倍增。
2．APD的平均雪崩增益
由于雪崩倍增过程是一个复杂的随机过程，因此往往用平均雪崩增益G来表示APD的倍增的大小。光电二极管平均雪崩倍增G定义为：
3.APD的结构
光纤通信在0.85μm波段常用的雪崩光电二极管由拉通型（RAPD）和保护环型（GAPD）两种。结构 如图
其中，GPADA具有高灵敏度，但他的雪崩增益随偏压变化的非线性十分突出。要获得足够的增益，必须在接近击穿电压下使用，而击穿电压对温度很敏感，当温度变化时，雪崩增益也随之变化。
RPAD在一定程度上克服了这一缺点，，雪崩增益随偏压变化相对缓慢。同时由于耗尽层占据了整个π区，RAPD也具有高效、快速、低噪声的优点。
4.APD的过剩噪声
F(G)表示由于雪崩效应的随机性引起的过剩噪声系数。在工程上，为了简化运算，用过剩噪声指数x来表示过剩噪声系数。
F(G)≈G^x
过剩噪声指数x与器件所用材料和制造工艺有关。Si-APD在0.3-0.5之间，Ge-APD在0.8-1.0之间，InGaAs-APD在0.5-0.7之间。
3.3 放大电路及其噪声
放大器的输出噪声主要来源于放大器内部的电阻和有源器件。有源器件有双极晶体管（BJT）和场效应管（FET）两类。
放大器的输出噪声主要由前置级所决定。本节先介绍噪声的数学处理，然后介绍放大器输入端的噪声以及所使用的FET和BJT的噪声，在此基础上介绍前置放大器的设计方法。
3.3.1 噪声的数学处理
1.噪声的统计性质
噪声是一种随机过程。
统计特性用概率密度函数和概率分布函数来表示
2.随机过程的数字特征
均值，标准差（方差）
3.随机过程的功率谱密度
3.3.2 放大器输入端的噪声源
放大器的噪声包括电阻的热噪声及有源器件（双极晶体管和场效应管）的噪声，这些噪声均服从正态分布。这允许我们计算放大器的噪声时，先分别分析各个噪声源的方差，再通过叠加法求出放大器输出的总噪声。
输入端的等效电路及噪声源
光接收机的原理图和等效电路图如图所示，偏置电阻具有热噪声，具有热噪声的电阻可以有两种等效方式，一种是等效为一个无噪声的电阻和一个噪声电流源并联（如图中间部分）；另一种等效方式是吧带有噪声的电阻等效为一个理想的电阻和一个噪声电压源串联。
放大器的输出噪声电压的计算
3.3.3 场效应管和双极晶体管的噪声源
1.场效应管的噪声源
场效应管的噪声源主要有两个：栅漏电流的散粒噪声（由于栅极电流的随机起伏形成）和沟道的热噪声。
2.双极晶体管的噪声源
双极晶体管的噪声源有以下几种：散粒噪声（由于注入到基区里的载流子的随机涨落引起）、基区电阻的热噪声、分配噪声（由于基区中载流子的复合速率的起伏所引起）
3.3.4 前置放大器的设计
前置放大器主要有以下三种类型：
低阻型前置放大器
低阻型前置放大器从频带的要求出发选择偏执电阻。特点是线路简单，接收机不需要或只需要很少的均衡，前置级的动态范围也较大。但是这种电路的噪声也较大。
高阻型前置放大器
设计方法是尽量加大偏置电阻，把噪声减小到尽可能小的值。
高阻型前置放大器一般只在码速较低的系统中使用。
跨（互）阻型前置放大器
跨阻型（也称为互阻型）前置放大器实际上是电压并联负反馈放大器。是一个性能优良的电流-电压转换器。具有噪声低，灵敏度高和频带较宽的优点。
3.4光接收机的灵敏度
3.4.1 灵敏度计算的一般方法
灵敏度的计算方法分为精确计算方法和高斯近似计算方法。
灵敏度的精确计算方法，用比较精确的方法分析光电检测过程中的统计性质，通过放大器概率密度函数和光电检测过程的概率密度函数的卷积计算，求出放大器输出端总噪声的概率密度函数，进而来计算接收机的灵敏度。
工程中比较常用的是高斯近似计算方法。假设雪崩光电检测过程中的概率密度函数也是高斯函数，从而使灵敏度和误码率的计算大为简化。且计算结果与精确计算结果接近，因而在工程上得到广泛应用。（P119-P121详细计算方法）
3.4.2 影响光接收机灵敏度的主要因素
光电检测器的散粒噪声和放大器热噪声的影响
散粒噪声一般可以忽略，放大器噪声时影响接受灵敏度的主要因素。
比特速率对接收机灵敏度的影响
当用PIN光电二极管作检测器时，比特率增加一倍，灵敏度大约下降4.5dB。
当用APD作检测器（设x≈0.5），且工作在最佳雪崩增益时，比特率增加一倍，灵敏度大约下降3.5dB。
输入波形对灵敏度的影响
输入脉冲波形越窄，他的频谱越宽，接收机的频带就可以宽一些。这样有利于限制高频噪声，提高接收机灵敏度。
消光对灵敏度的影响
消光比时发射机的性能指标，当消光比不为零时，这部分残余光不仅对光电检测没有任何作用，还会增加光电检测器的散粒噪声，降低接收机的灵敏度。
3.5光接收机的组成模块
前面分析了前置放大器输入端的噪声和放大电路，本节将讨论IM-DD系统中接收机的其他几个组成模块。
3.5.1 码间干扰问题与滤波均衡电路
码间干扰问题
频域均衡电路
两种均衡电路：低速光纤通信系统的中的可变均衡电路，光纤传输系统中采用的射级可变均衡节。
时域均衡器——自适应均衡器
在时域用数字逻辑电路来进行自适应均衡。
眼图分析法
通过眼图直观、简单得判断码间干扰是否存在。
3.5.2 接收机的动态范围和自动增益控制电路
接收机的的动态范围
接收机的动态范围是指在保证接收机正常工作的前提下，所允许的接收光功率的变化范围。
当采用雪崩光电二极管作为光电检测器时，可以采用两种方法扩大接收机的动态范围：一是对主放大器进行自动增益控制（AGC）,另一种是对APD的雪崩增益进行控制。
放大器电压增益的控制方式：一种是改变放大器本身的参数，使增益发生变化。另一种是采用限幅放大器，限制放大器的输出幅度。
几种常用的放大器电压增益自动控制电路
改变差分放大器工作电流的AGC电路
这种方法仅在晶体管工作在小电流的状态下控制效果才比较明显，而且每一级的控制范围也不太大。高频特性不好。
分流式控制电路
优点：控制范围较大（一级的控制范围可达30dB-40dB），高频特性较好。
控制双栅极场效应管的增益
具有良好的高频特性，且方便可行，在高速率光纤通信系统中得到广泛的应用。
3.5.3 再生电路
再生电路的任务是吧放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号，它由判决电路和时钟提取电路组成。
信号预处理
接收信号在送入锁相环路或滤波器之前，一般还要进行预处理。非线性预处理的基本方法是利用微分、整流电路来实现。当系统的速率较低时，可采用阻容微分、二极管全波整流的电路；当系统的速率较高时，可采用逻辑微分整流方式或采用延迟原理来窄化脉冲。
锁相环路
锁相环路包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分。锁相环路的工作分为捕捉和跟踪两种状态。
鉴相器对相位误差敏感，对预处理后的信号和压控振荡器输出的振荡信号进行鉴相。
环路滤波器是一个比例积分器，使用环路滤波器是为了得到所需要的的环路传递函数，滤除快变的相位噪声。可以通过环路滤波器得到预定的带宽、阻尼等。
压控振荡器的振荡频率与来自环路滤波器的误差电压成正比，故输出相位与控制电压的积分成正比。
声表面波滤波器
作用：提取时钟信号，经过声表面波滤波器滤出的信号，还需经过限幅放大和适当相位延迟，使波形前后沿陡峭，并获得最佳的判决时间。
主要性质：（1）振铃效应和等效带宽（2）通带波纹（抑制通带波纹是滤波器设计的重要问题之一）
3.6 相干检测光接收机简介
相干光接收方式适合于所有调制方式的通信。
3.6.1 相干检测原理简介
相干检测可以采用单臂或者双臂的形式，双臂检测的性能高于单臂检测。
单臂检测器中包含了直流成分，这个直流成分太高了电平，不便于信号的检测，因此，当前的相干检测都采用双臂方式。
3.6.2 DPSK信号的准相干检测
由于对光通信速率，容量要求的不断提高，具有较好的抗非线性、色散以及较高的码元传输性能的差分相依（DPSK）调制方式取代强度调制成为了研究的重点，在目前40Gbit/s及以上的高速光纤通信系统中得到广泛应用。
摘录自：
[1] 顾畹仪. 光纤通信.第2版[M]. 人民邮电出版社, 2011.
