第四章 光检测和光接收机.pdf

本章习题解题指导 1. 概念部分主要给出对应的知识点，教学中可以 指导学生在相关章节中自己归纳； 2. 推导部分只给出主要过程和步骤； 3. 计算部分给出主要过程和结果。 光纤通信系统对光检测器有什么要求？比 较PIN和APD各自的特点。 参见4.1，光纤通信系统对光检测器的基本要求是： 波长段内响应度或灵敏度要高 具有足够的带宽和响应速度 由检测器引入的附加噪声必须最低，暗电流、漏电流 和并联电导必须最小 较低的偏压或偏流，具有高可靠性和长寿命 较小的几何尺寸，便于与光纤及其他电路组装 APD具有雪崩效应，倍增电流较大，但是噪声也较 大。 光电二极管为什么必须工作在反向偏压状 态……光电管的响应时间与什么有关？ 参见4.1.1，在扩散区内，因为光生载流子 的扩散速度比耗尽区内光生载流子的漂移速度慢 得多，这部分光生载流子的扩散运动的时延，将 使检测器输出电流脉冲后沿的拖尾加长，影响了 光电二极管的响应时间，限制了光电转换速度。 在反向偏压情况下，增加了耗尽区的宽度，缩小 了耗尽区两侧扩散区的宽度，从而减小了光生电 流中的扩散分量，反向偏压也增强了耗尽区内的 电场，加快了光生载流子的漂移速度，有利于加 快光电二极管的响应时间。 光电检测电路为什么会产生非线形失真？ 非线形失真对接收信号会产生什么影响？ 参见4.1.2，PIN主要特性中线性饱和部分。 何谓暗电流？暗电流是怎么产生的？暗电 流的存在对信号的接收会产生什么影响？ 处于反向偏压下的半导体光电二极管，在无 光照时仍有电流流过，这部分电流称为暗电流。 光电检测器中的暗电流对光接收机灵敏度的影 响与消光比的影响相似。暗电流与光源无信号时 的残留光一样，在接收机中产生噪声，降低接收 机的灵敏度。 试述APD的工作原理。何谓“雪崩效应”？拉通型 雪崩光电二极管有什么特点？APD的电流增益系 数G与什么有关？ 处于反向偏置的耗尽层光电二极管，当外加的反向偏 压不断增强时，耗尽层内产生的光生载流子在强电场作用 下得到加速，获得很大的动能。高能的载流子与半导体晶 体内的原子相碰撞，将束缚在价带中的电子激发到导带， 从而在耗尽层内产生新的电子-空穴对，这种现象称为碰撞 电离。碰撞电离的第二代载流子在耗尽层的强电场的加速 下再次引起碰撞电离而产生第三代载流子。碰撞电离的反 复循环使耗尽层内的载流子数雪崩似的急剧增加，通过二 极管的电流也就猛增，这就是雪崩倍增效应。 雪崩光电二极管（APD ）就是利用雪崩倍增效应实现 内部电流增益的半导体光电转换器件。 接收机中的噪声包括哪些？这些噪声是怎 么产生的？ 光接收机中存在各种噪声源，根据噪声产生 的不同机理，噪声可分为两类：散粒噪声和热噪 声。接收机中的噪声源及其引入部位参见教材图 4-20所示。 何谓动态范围？……求该接收机的动态范 围值和灵敏度值。 动态范围、灵敏度及其表示方法等参见教材。 10lg(0.2μw/1mw)=10lg(2×10-4)=- 36.99dBm 10lg(13.6nw/1mw)=10lg(1.36×10-4)=- 48.67dBm -36.99-(-48.67)≈11.68dB 所以，灵敏度为-48.67dBm ，动态范围为 11.68dB。 分析光纤通信系统误码率的大小与接收机 接收光能量的大小的关系。 定性分析参见4.4光接收机的误码率一节，结 合Q值的含义理解误码率和接收机接收到的光脉冲 能量之间的关系。 定量分析不做要求。 何谓噪声等效功率？噪声等效功率与什么 因素有关？它的大小意味着什么？ 此处参见4.3.4接收机的噪声分析，定性分析 可由式4-54给出。 光接收机电路中为什么以FET构成最前端 的互阻抗放大器？ 参见4.2.1，重点是理解前置放大对高灵敏度 和低噪声的要求和FET宽频带、低噪声的特点。 列出影响光纤通信系统中接收机灵敏度的各种因 素。并说明这些因素是怎样影响接收机灵敏度的。 影响接收机灵敏度的主要因素包括： 码间干扰 消光比 暗电流 这些因素对接收机灵敏度的影响参见4.5.3。