42.2光检测器的噪声 光检测器的噪声是限制光纤通信系统接收机灵敏度的关键因素,其噪声源有以下几种。 1.散粒噪声 式(42.2)说明,如果入射光功率是一恒定值,光生电流就是一个常量。而实际上,光 生电流是一个随机变量,它围绕着某一平均统计值而起伏,这种起伏称做散粒噪声的电 流起伏i()。考虑散粒噪声电流的影响后,光电二极管中的光生电流表示为 ()=lp+() (42.9) 式中,为平均电流。散粒噪声可以用均方散粒噪声电流表示,即 a2=<12(1)>=2q(lp+l)B (42.10) 式中,B是带宽,它与我们的考察点有关,如果考察点在光电二极管的输出端,则B为光 电二极管的带宽;如果考察点在光检测器后的判决电路端,则B为接收机的带宽。需要说 明的是,式(4.2.9)已经考虑了暗电流的影响。 对于雪崩光电二极管,散粒噪声受到了雪崩效应的影响,其计算公式为 os (APD)=<i*(0>=2qM-F(p+laB (42.11) 式中,FA称为过剩噪声指数,它由下面的公式计算,即 FA=kAM+(1-kA)(2-1/M) (42.12) 式中,kA是电离系数,它与选用的半导体材料有关,对于Si,kA为0.03;对于Ge,k为 0.8;对于 In gaas,kA为0.5。 式(42.12)表明,为了得到较小的过剩噪声指数,就需要有较小的电离系数,这就是为 什么用S材料制作的APD性能要优于其他材料制作的APD的原因 当电离过程仅仅是由电子引起的时候,h=0,kA=0,此时FA的极限值为2 散粒噪声属于白噪声,为了降低它的影响,通常在判决电路之前使用低通滤波器,使得 信道的带宽变窄
4.2.2 光检测器的噪声 光检测器的噪声是限制光纤通信系统接收机灵敏度的关键因素，其噪声源有以下几种。 1．散粒噪声 式（4.2.2）说明，如果入射光功率是一恒定值，光生电流就是一个常量。而实际上，光 生电流是一个随机变量，它围绕着某一平均统计值而起伏，这种起伏称做散粒噪声的电 流起伏is (t)。考虑散粒噪声电流的影响后，光电二极管中的光生电流表示为 （4.2.9） 式中，IP为平均电流。散粒噪声可以用均方散粒噪声电流表示，即 （4.2.10） 式中，B是带宽，它与我们的考察点有关，如果考察点在光电二极管的输出端，则B为光 电二极管的带宽；如果考察点在光检测器后的判决电路端，则B为接收机的带宽。需要说 明的是，式（4.2.9）已经考虑了暗电流的影响。 对于雪崩光电二极管，散粒噪声受到了雪崩效应的影响，其计算公式为 （4.2.11） 式中，FA称为过剩噪声指数，它由下面的公式计算，即 （4.2.12） 式中，kA是电离系数，它与选用的半导体材料有关，对于Si，kA为0.03；对于Ge，kA为 0.8；对于InGaAs，kA为0.5。 式（4.2.12）表明，为了得到较小的过剩噪声指数，就需要有较小的电离系数，这就是为 什么用Si材料制作的APD性能要优于其他材料制作的APD的原因。 当电离过程仅仅是由电子引起的时候， h = 0，kA = 0，此时FA的极限值为2。 散粒噪声属于白噪声，为了降低它的影响，通常在判决电路之前使用低通滤波器，使得 信道的带宽变窄。 ( ) ( ) p s I t = I + i t i (t) 2q(IP I d )B 2 s 2 s = = + (APD) i (t) 2qM FA (IP I d )B 2 2 s 2 s = = + (1 )(2 1/ ) FA = kAM + − kA − M
2.热噪声 社 温度变化导致的瞬间电子数目围绕其平均值的起伏称为热噪声。热噪声由均方热噪 声电流表示,即 G=<(1)>=(4kBT/R1)B (42.13) 式中,k3为玻耳兹曼常数(1.38×10-23J/K);7为热力学温度;R1为负载电阻。式 (4213)适用于PN和APD光检测器 3.1/噪声 除了散粒噪声和热噪声以外,光电二极管还存在1/噪声,顾名思义,该噪声与频率 成反比,一般而言,它的影响只在低频范围内,当信号的调制频率大于100MHz时 就可以忽略它对光电二极管输出信号的作用了。 综上所述,光电二极管总的噪声电流均方值可以表示为 o =Os +OT (4.2.14) 在实际使用中,噪声也可以用单位带宽的电流均方根表示,对于散粒噪声,有 sN=is/√B q(lp+lg) (42.15) 图4.22P|N光电二极管 (深圳飞通光电股份有限公司提供)
2．热噪声 温度变化导致的瞬间电子数目围绕其平均值的起伏称为热噪声。热噪声由均方热噪 声电流表示，即 （4.2.13） 式中，kB为玻耳兹曼常数（1.38×10－23J/K）；T为热力学温度；RL为负载电阻。式 （4.2.13）适用于PIN和APD光检测器。 3．1/f噪声 除了散粒噪声和热噪声以外，光电二极管还存在1/f噪声，顾名思义，该噪声与频率 成反比，一般而言，它的影响只在低频范围内，当信号的调制频率大于100MHz时， 就可以忽略它对光电二极管输出信号的作用了。 综上所述，光电二极管总的噪声电流均方值可以表示为 （4.2.14） 在实际使用中，噪声也可以用单位带宽的电流均方根表示，对于散粒噪声，有 （4.2.15） i (t) (4kBT / RL )B 2 T 2 T = = 2 T 2 s 2 = + / 2 ( ) sN s P d i = i B = q I + I 图4.2.2 PIN光电二极管 （深圳飞通光电股份有限公司提供）