来源： 作者：姚建国
光前放接收机带宽对误码特性的影响
信号速率必将产生一定的码型干扰。在常规 一、引 言 的光接收机中,均衡输出信号的判决电平设 ·在逻辑勺”和“0”电平中间,因此ISI对误码 随着高增益、低噪声光纤放大器及高Q 特性影响较小。但对光前放接收机,由于噪声值、低损耗窄带光学滤波器的发展成熟,以此 电平在“0”与“l”状态时相差很大,判决电平为主干的光前放接收机引起人们广泛重视。通常设在靠近“0”电平处,因此对ISI的影响光前置放大器在强度调制——直接检测系统 尤为敏感。本文在灵敏度计算中首先引入码(IMD)中的应用不但使系统灵敏度成倍提 型干扰系数,考虑了它对系统BER特性的影高,借助于窄带光学滤波器还可进一步改善 响。理论分析与实测结果表明,当码型干扰系波长选择性,因此可望应用于下一代高速度 数由1劣化到0.8时,对灵敏度的恶化为波分复用(WDM)或频分复用(FDM)系统。由ZdB左右。于光放大器可以放大几十千兆的光信号,因w￥＆go?③⑤@％X@￥B@＄％。B 二、光前放接收机噪声分析前见诸报道的光前放接收机灵敏度已接近同类外差接收机的指标,如152光子/比特的 光前放接收机通常由光前置放大......(本文共计6页)
　　　　　　　
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通信与信息技术
主办：四川省通信学会;四川通信报社
出版：通信与信息技术杂志编辑部
出版周期：双月
出版地：四川省成都市CATV光接收机原理及应用(一）
第一部分&&&
光探测器的结构及性能
光探测器在光纤传输系统中的任务是光电转换。在信号的光传输链路中，光探测器是光接收机的心脏部件，对于强度调制系统，光探测器把输入的光束的强度变化转化为相应的电流变化；对于外差检测系统，光探测器把信号光束电场与本振光束电场之积转化为电流，其变化规律反映信号光的频率变化或相位变化。另外，在光传输链路的监测、探测系统中，光探测器还广泛用作光强传感器，例如，在激光器组件中包含光探测器，用以实现发送光功率的自动控制；在光纤放大器中，用光探测器感知输入输出光功率的大小，以实现放大器的状态控制。
在CATV光传输系统中对光探测器有如下要求：A、在系统工作的波段范围内有很高的响应效率，即对工作波段内入射的光信号，光探测器能输出较大的光电流，实际上不同材料对各种波长的光的响应效率是不一样的，在使用光探测器时必须合理选择所用的器件，才能满足系统要求。B、有足够的响应度，输出电流与输入光功率是线性关系，以保证信号不失真。C、噪声低，频带宽。光探测器在光电变换中引入的噪声应尽量小，因为光探测器的入射光信号一般相当微弱，又是光接收机的最前级，对系统的载噪比影响较大。D、可靠性高、寿命长、性能稳定，能适应一定的温度等环境条件变化，另外还要求光探测器体积小、价格低、偏置简单等。为了满足上述系统要求，目前一般都采用半导体光探测器。
一、光探测器的结构
光纤通信系统中所使用的半导体光电探测器都是利用光电效应原理制成的，所谓光电效应就是指一定波长的光照射到半导体的PN结时，价带上的电子吸收光子能量而跃迁到导带，使导带中有了电子，价带中有了空穴，从而使PN结中产生光生载流子的一种现象。
当P型半导体和N型半导体结合时（不是机械结合，而是分子间结合），能构成一个P-N结，在P、N型半导体的交界将发生载流子相互扩散的运动；P型材料中的空穴区比N型材料多，空穴将从P区扩散到N区；同样N型材料中的电子远比P型材料的多，也要扩散到P区，达到平衡时，这些向对方扩散的载流子将积聚在P区和N区交界面的附近，形成空间电荷区，称为结区，如下图所示：
空间电荷区内，因多数载流子（指P区中的空穴，N区中的电子），几乎已消耗尽了，故又称它为耗尽区。耗尽区内形成了内建电场Ei以及接触电势或势垒Va，Ei或Va的存在阻止多数载流子继续向对方扩散，达到了平衡状态。如果P-N结接收相当能量的光波照射，进入耗尽区的光子就会产生电子——空穴对，并且受内电场Ei的加速，空穴顺Ei方向漂向P区，电子则逆Ei方向漂向N区，光照的结果打破了原有结区的平衡状态。光生载流子的运动，同样要在结区形成由场Ep和电压Vp，而Ep和Vp的方向和极性正如与Ei和Va相反，起到削弱Ei和Va的作用。电压Vp称为光生伏特，当光照是稳定的，将P-N结两端用导线连接，串入电流计就能读出光电流Ip。
P-N结中的光电流是靠耗尽区中的内电场形成的。当以适当能量的光照射P-N结且光强很大，能使光生电场Ep=Ei，合成电场E=Ei-Ep=0，即Ei已被削减为零，耗尽区也不存在了。这时光生载流子虽仍可在P-N区中产生，但无电场导引和加速，在杂乱的扩散过程中，大部分光生空穴和光生电子相继复合而消失，不能形成外部电流。这是不加偏置的P-N结可能出现的问题；零偏置有两大弊病：（1）器件的响应速度很差，并且很容易饱和；（2）依靠扩散运动形成的光电流响应速度很慢。若在P-N结上加反向偏置电压V，则势垒高度增加到Va+V，负偏压在势垒区产生的电场与内建场方向一致，使势垒区电场增强，加强了漂移运动，而且N区的电子向正电极运动并被中和，P区的空穴向负电极运动也被中和，这样耗尽层就被加宽了，响应率和响应速度都可以得到提高。除了加负偏压的方法外，还可以通过减小P区和N区的厚度来减小载流子的扩散时间；减少在P区和N区被吸收的光能以及降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层的方法来提高器件的响应速度，这种结构就是常用的PIN光电二极管。
前面讲述了光探测器的原理及结构。总的说来，PIN无增益、灵敏度稍低、要求偏压小、暗电流小、动态范围大，适用于模拟电视传输；在CATV应用中以PIN光探测器居多，因而此处重点讲述PIN光探测器的性能指标及在光接收机中的应用。
二、PIN光探测器的技术指标及应用
&PIN光电二极管在P和N层之间夹有一个本征层（I层），P层做得很薄。P和I层之间的结区静电容做得极小，为0.5-2PF，因此能获得高速脉冲或射频电视信号的优良特性。PIN光电二极管的主要技术指标主要由下列参数来表征：
&1．光电转换效率。衡量光电转换效率的特性参数有量子效率和响应度。量子效率n定义为光电子产生率RE与光子入射率RP之比，即每1秒钟内，光电二极管的电极所收集到的电子数与入射到光电二极管的光子数之比，n=RE/RP=（IP/e）/(PO/hV)&&
式中：e是电子电荷，v为光频，波长越大，Ip越大，n就越大，故量子效率有波长依赖性；在应用上自然要求量子效率越高越好。现在商用的PIN光电二极管的量子效率为70%—90%，甚至有接近100%的产品。
响应度表示单位入射光功率所产生的光电流，常用R表示：R=IP/P0。R的单位为A/W，利用上式就得到响应度与量子效率的正比关系：R=en/
hv =eλn/hc&&
式中C为光速。运用直流电流表和光功率计，很容易的测量出一个PIN光电二极管的响应度，目前商用的PIN光电二极管的响应度为0.8—0.9A/W。响应度同样是波长的函数，随着波长的增加，响应度会变大；因此，同一只光电二极管在接收不同波长的信号时响应度不一样，接收1550nm信号时的响应度就比接收1310nm信号的响应度高。
&制作一个高量子效率或高响应度的光电二极管需要有以下工艺和技术来保证。（1）光敏面要做得很薄。因为光敏面是高掺杂的材料，这里产生的光生载流子需在零场区经过缓慢扩散，才能达到耗尽区成为外部光电流，一些载流子在扩散过程中常常被复合而消失，极薄的光敏面可使光生载流子复合的机率减小，大部分能顺利的到达耗尽区，从而提高了量子效率。（2）耗尽区要足够宽，使入射光的全光程都能产生载流子。厚度小了，量子效率将降低。（3）为了减小光敏面的光反射损失，可在其表面镀一层抗反射膜（增透膜），以提高量子效率。
&&&&&&2．结电容。光电二极管可视作一个电流源，其等效电路如下图所示：
&其中Cd为光电二极管的结电容，它可以看作为一个平板电容，其与耗尽层宽度W和结区面积A有关，有：Cd=εA/W&
式中ε为耗尽层中半导体材料的介电常数。RS
为光电二极管的串联电阻，一般很小可以忽略；Rp为光电二极管的跨接电阻，其阻值很大，它的影响也可以忽略；RL
为负载电阻。因此结电容对光电二极管响应速度的影响主要由Cd和负载电阻RL决定。从等效电路可以看出，结电容Cd起着旁路作用，因而在高频时使输出电流减小，结电容限制的截止频率（即为带宽）为Fc=1/&&（2πRLCd）。显然，快速的响应（高截止频率）要求降低时间常数RL、Cd。因此要求尽可能的降低结电容Cd。降低Cd有两种方法：一是增加耗尽层宽度W，二是减小结面积A。实际上增加耗尽层宽度W会降低响应速度，这是一对矛盾，因此对耗尽层宽度应进行优化设计。结面积的减小也不是无限的，它受到与之耦合的光纤截面尺寸的限制，目前实用化的PIN光电二极管的结电容一般都能做到小于1PF，结电容越小，其截止频率就越宽，高频特性就越好。
实际上PIN光电二极管的带宽除了受Cd的影响以外，还受器件封装电容CP的影响，同样的PIN光电二极管管芯由于各生产厂家封装工艺水平的差异，带宽也有较大不同，这主要是封装电容太大，导致带宽变窄。因而在选用PIN光电二极管时，应选用有实力的厂家的产品。
3．击穿电压与暗电流&&&&&&&&&&&
下图为反向偏置的光电二极管的伏安特性曲线&&&&
无光照时，PIN作为一种PN结器件，在反向偏压下也有反向电流流过，这一电流称为PIN光电二极管的暗电流。它主要由PN结内热效应产生的电子空穴对形成。当偏压增大时，暗电流增大。当反偏压增大到一定值时，暗电流激增，发生了反向击穿（即为非破坏性的雪崩击穿，如果此时不能尽快散热，就会变为破坏性的齐纳击穿）。发生反向击穿的电压值称为反向击穿电压，以VB表示，Si-PIN的典型击穿电压值为100多伏。PIN工作时的反向偏置电压一般都远离击穿电压，一般为10—30V，实际光接收机中的实用化应用典型值一般为15V。
&暗电流的大小与光电二极管的结面积成正比，故常用单位面积上的暗电流(暗电流密度)来衡量。一般取偏压为0.9VB时，对应的电流值为器件的电流值；现在商用的短波长Si材料PIN光电二极管的暗电流一般小于5nA，而长波长的Ge材料PIN光电二极管的暗电流小到0.2—0.5μA。应用上总是希望暗电流越小越好。为了寻找暗电流更小的长波长PIN光电二极管，人们利用了InGaAs和InGaAsP材料，使长波长的PIN的暗电流减小到了1—5nA的水平，由于这两种PIN管暗电流较小，因此得到了广泛的应用，在CATV系统中光接收机中的PIN管基本上都是InGaAs材料。暗电流除了与偏置电压有关外，暗电流还随器件温度的增加而增加，从室温到70℃，暗电流将增大一个数量级。要减小器件的暗电流，首先应选择好的单晶材料，并要严格工艺规程；其次要选定良好的表面钝化层，隔绝周围气体对器件的污染，在异质结光电二极管的设计中，有意将高场区移到宽禁带材料区，也是减小暗电流的有效措施。
&在PIN光二极管中，除了暗电流以外，还有表面漏电流。表面漏电流是由于器件表面物理特性不完善，如表面缺陷、不清洁以及表面积大小和加有偏置电压而引起的。与暗电流一样，漏电流也是在有偏压的条件下产生的，它需要通过合理的设计、良好的结构和严格的工艺来降低。
&&&&&&&&&&&&
4．响应速度。作为光检测器，在光纤通信中要能够检测高频调制的光信号，因此响应速度是光电二极管的一个重要参数，响应速度通常用响应时间来表示，响应时间的长短，反映光电转换的速度，它对系统的传输速率有极大的影响，是反映调制速率的主要指标。响应速度主要受光生载流子的扩散时间、光生载流子通过耗尽层的渡越时间及其结电容的影响。（1）结电容对响应时间的影响。由于PIN是一个PN结二极管，因此有一定的结电容。由前面所讲的光电二极管的等效电路可知，结电容C是和电流源及负载电阻RL并联，它对负载电阻起到了分流的作用，对调制信号来说，结电容C越大，分流作用就越强，负载上的电流就越小，也就是说，光电检测器输出光生电流越小，这相当于电二极管接了一个低通滤波器，其通带上限为WC=1/（RLC）其中RL为负载电阻，C为结点容。显然C越小，WC越高，光电二极管的频带响应特性就越好。（2）载流子渡越时间（T）对响应时间的影响。由于渡越时间的存在，对信号的高频成份产生两方面的不良影响：一是有较大的相位滞后；二是信号幅度受到较大削弱，也就是说渡越时间引起了高频失真，限制了器件的带宽。通常减少渡越时间的方法是减小耗尽层的宽度和加大反偏压，加大反偏压是为了提高载流子的平均漂移速度。但是这两种方法并不能无限制的增大漂移速度，因为在半导体晶格中，载流子有一定的饱和速度。由载流子渡越时间限制的光电二极管的截止频率为Fd=0.44V/W=0.44/τ，可以通过对耗尽层宽度W和载流子的平均漂移速度V的优化得到较高Fd的光电二极管，目前，InGaAs—PIN的带宽可达到20GHZ以上。（3）载流子扩散时间对响应时间的影响。在耗尽层外产生的光生载流子，只有耗尽层为平均扩散长度以内的那部分才能扩散进耗尽层，并最后形成光电流，这部分载流子扩散时间比较长，与扩散长度的平方成正比，因此对PIN管来说，扩散时间可通过减薄受光面到耗尽层间的厚度及适当选取耗尽层厚度而减至最小，所以对于实际器件，扩散时间对响应速度的影响很小。
5．线性饱和。光电二极管的线性饱和，是指它有一定的功率检测范围，当入射光功率太强时，光电流和光功率将不成比例，从而产生非线性失真，如下图所示：
&随着入射光功率PIN增加，光电流IP增大，负载RL上的压降增大，使得光电二极管的实际压降减小，内建电场变弱。这样，就使得光生载流子的漂移速度减慢，使单位光功率产生的光电流变小，则IP和PIN不成正比例，IP/PIN减小，即响应度减小。当入射光功率达到一定值时，光电二极管上的压降降为0，偏压VB全部降在RL上，此时光电流达到最大值Imax=UB/RL，则相应的光功率为Pmax=Imax/R=UB/(RLR)，此光功率称为饱和光功率，一般PIN光电二极管有非常宽的线性工作区，当入射光功率低于2MW时，器件不会发生饱和。
&&&&&&&&&&
&三、光探测器的噪声分析
光探测器一般在很弱的光信号条件下工作，其在光电转换过程中所引入的噪声大小，对提高光接收机的主要性能指标起着十分重要的作用，可以相像，如果光探测器所引入的噪声电流过大，以至使这些噪声电流与通过光电转换输出的信号电流不相上下，则光接收机就无法输出有用的RF信号，从光探测器光电转换输出的信号功率与噪声功率之比（即信噪比）来分析，要求光检测器输出的噪声越小越好，而信噪比则越大越好。光探测器的噪声包括散粒噪声和热噪声。
&&&&&&&&&&
1．散粒噪声。PIN光探测器的散粒噪声是量子噪声，当光子照射光检测器时，电子空穴对的随机产生导致了散粒噪声，这个过程是随机过程，服从泊松统计规律，即：A、个别光子到达并激发出原始电子空穴对的时刻是随机的。B、一定的光波强度对应每秒钟内到达的光子数的平均值。每秒钟内实际到达的光子数围绕平均值起伏，并服从泊松概率分布。实际上，光电转换散粒噪声的本质来源于光子激发出电子的离散性、量子性和随机性，这种噪声随光电信号与生俱来，是无法回避的。
2．热噪声。由于温度的存在，使电子在任何导体中都随机的移动。即使没有加电压，在电流中都会出现随机的波动。任何电阻都具有热噪声，只要温度高于绝对零度，电阻中大量的电子就会在热激励下作无规则运动，由此在电阻上形成无规则的弱电流，造成电阻的热噪声。温度越高，光探测器的工作带宽越大，则光探测器的负载电阻热噪声就越大。
四、PIN光探测器的非线性特性。
AM—VSB视频信道在有线电视网络上传输，对CSO、CTB失真的幅度要求很严，这是因为非线性失真大，传输的模拟信道的图像质量会下降，为了满足这个要求，不但光发射机的非线性失真要很小，而且光接收机的非线性失真也要足够小，才能满足光节点处CSO和CTB失真的指标。实验表明，PIN光探测器的失真主要有两种。一是空间电荷引入的非线性失真，二是与非耗散的半导体区的吸收有关的非线性失真。当光探测器被一束高功率的光照射时，载流子的速度和扩散常数成为载流子密度的函数，空间电荷场改变了载流子的速度和扩散常数。因此当电场小于50KV/CM时，光探测器的非线性失真的主要原因是空间电荷的影响。随着电场增加，超过了100KV/CM，其与载流子速度的关系减小了，结果空间电荷场对光探测器的二阶非线性失真功率的影响单调递减。实际上，光探测器的非线性失真对负载电阻不敏感。
光探测器的非线性失真在高电场区的主要产生机制，是非耗散、高掺杂的InGaAsP接触区的载流子的吸收。这个区域与耗散区紧邻，与空间电荷区引入的非线性失真相反，P区载流子的吸收机理几乎不受电场改变或入射光束尺寸的影响。这是因为所加的偏置电压主要影响光检测器本征区的电场。而且，P区中用来传送自由空穴的数量比入射光束产生的载流子的数量大很多。为了减小非线性失真的影响，PIN光电二极管本征区的设计要短，不能长；光电二极管的本征区越短，就会得到更高、更均匀的电场。另外，光二极管应该被均匀的入射光束照射，并且被封装在合适的热沉基座上。
CATV光纤节点光接收机中的PIN管，不但要求在反向偏置电压的范围内保证低的二次和三次非线性失真，而且要求在正常的光输入功率范围和工作温度的范围内保证非线性失真符合要求。下图是实验测量得到的InGaAs
PIN光探测器的二次互调失真和输入光功率之间的关系曲线&&
&反向偏置电压为-12V，负载为50欧姆。从图中我们可以看出，此光探测器的二次交调失真小于等于-75dB，即使在光输入功率很高（3dBm）的情况，这说明：如果传输失真大于等于-65dB，那么光探测器的非线性失真量可以忽略不计。下图是实验测量得到的同一个InGaAs
PIN光探测器的二次交调失真与反向偏置电压的关系曲线
&入射光功率0dBm，采用与上图相同的频率信号。这个结果表明，如果将探测器的反向偏置电压低于-8V，那么非线性失真将迅速增加。在实际产品应用中，各个厂家的产品对光探测器的偏置电压设置也不一致，一般在12—15V。
&光探测器通常采用密封封装，并且带有透镜，以便有利于和光纤的有效耦合。由于封装的光探测器要求在很宽的温度范围内工作，而且对其工作带宽有较高的要求，因而其封装工艺很关键，由于光偏或其它封装带来的寄生效应，常使光探测器的性能严重劣化。因此在选用光接收机时一定注意光探测器的质量，因为封装型式一致的光探测器，其性能也有较大差别，反应在价格也不同。下表是PIN光探测器的典型和最大的性能参数，它通常用于860MHZ的CATV光纤节点中。
为了降低光接收机中光电二极管非线性失真的影响，PIN光探测器和前置放大器之间的接口以及前置放大器的设计必须优化。而这项技术也是光接收机的核心技术，它决定光接收机的性能指标的优劣，也决定光接收机的整机档次。
第二部分&& 光接收机的核心功能组件
&根据用途的不同，有两类主要的光接收机——数字接收机、模拟接收机。数字接收机用来接收数字基带光信号，模拟接收机用来接收RF或微波信号。数字接收机的性能要求与模拟接收机显著不同，数字接收机要求在频率很高很低时的响应平坦，如它的频率响应在低到300HZ时还要保持平坦。相反，模拟接收机只需要在有用的频率范围内保证响应平坦就可以了，除了平坦度的要求，所有模拟接收机的设计都必须有好的线性特性，以满足系统要求的CSO、CTB失真的指标。无论数字接收机还是模拟光接收机影响其主要性能的部件都是前端接收部分，该部分一般都包括PIN光探测器、低噪声前置放大器及他们之间的一些接口电路组成。无论是复杂的光工作站还是简易的光接收机都包含这一部分器件，因而此处把这三部分作为光接收机的功能组件介绍。
前面已经详细介绍了光探测器的原理及性能指标，光探测器的主要功能是实现光信号对电信号的转换，其不仅是该组件的核心，也是光接收机的核心。应用在CATV系统中的光探测器的波长一般要求为nm，大多采用InGaAs化合物，作为一个性能优良的光探测器，要求其具有：量子效率高、噪声低、光电转换线性好、温度特性稳定、具有足够的带宽、可靠性高、体积小等一系列优点。在调制系数、光探测器的平均接收光功率、温度相同的情况下，暗电流、结电容、量子效率对光探测器的载噪比影响较大。光探测器的阻抗很高，须经一宽带阻抗匹配电路与前置放大器级联，才能获得好的噪声性能，除了实现阻抗匹配，该匹配电路还能降低杂散电容和前置放大器输入电容的影响。低噪声前置放大器的功能是把光电流转变为电压，并且要求噪声低、非线性失真小，没有合适的前端放大器的设计，光电流的放大会加重很多传输的模拟信号的非线性失真。PIN光探测器的低噪声前置放大器及接口电路的设计是光接收机的重要技术，该组件将决定一台光接收机（站）的性能指标及档次。
&一、光接收组件的阻抗变换器接口
&阻抗变换器实现光探测器与RF前置放大电路的阻抗匹配连接。光探测器与RF前置放大器电路的连接接口方式，一般有三种：低阻抗连接、互阻抗连接、高阻抗连接。
&1．高阻抗接口。把光电流转变为电压的简单的方法是将反向偏置光电流作用于负载电阻RL上，其后是前置放大器，在光输入功率电平比较低的情况下，为了增加输出的载噪比水平，就需要大的RL，也就是说要求前置放大器的输入阻抗较高，而这样的阻抗设计就称为高阻抗接口，而对应的前置放大器也称为高阻抗放大器。虽然高阻抗接口能提升CNR，但却降低了调制响应带宽，因而高阻抗接口的设计要在大带宽和高CNR之间有一个折中优化设计，一般扩展高阻抗设计的高频响应的方法是在前置放大器后引入电压均衡器，即使有频率均衡，高阻抗阻件设计还是有一些问题，由于负载电阻比较大，使得高阻抗组件设计的动态范围不宽；另外，高阻抗设计受非线性失真的影响，特别在光输入功率电平较高时，这种影响较为强烈。总得说来，高阻抗连接具有载噪比、灵敏度高的优点，但带宽和动态范围受到影响，其主要用于超低光功率接收的光接收机中。
&2．低阻抗接口。在实际设计中当PIN光探测器的负载电阻降为50或75欧姆时，这通常称为低阻抗接口设计，低阻抗设计会改善光接收机的线性度，使其有较大的带宽和动态范围，但同时也增加了噪声电平，使得光接收机的整机载噪比水平略低。在商用化的光接收机中，低阻抗接口设计也占有一定的份额，主要是利用了其带宽优势及线性度好的优点。而高阻抗设计通常适用于动态范围窄、频率响应好的低噪声（高灵敏度）接收机中，也就是通常所说的超低光功率接收光接收机。
&3．互阻抗接口。
&在实用互阻抗设计中，去掉了高阻抗设计的负载电阻RL，通过一反馈电阻给前置放大器输入端提供反馈，这种设计既有低噪声，又有大的动态范围，同时通过降低互阻抗设计的有效电容可以使电路工作在更高的频率上，互阻抗设计有明显的优点：（1）与高阻抗设计相比其动态范围得到明显改善。（2）因为互阻抗设计的前置放大器的输入电阻与反馈电阻的组合电阻非常小，这意味着探测器的时间常数非常小，在此通常很少甚至不需要进行均衡。（3）与低阻抗设计相比，互阻抗设计明显改善了灵敏度及提升了载噪比指标，虽然互阻抗设计不如高阻抗放大器灵敏，但对于大多数实际的宽带设计来说，这个差异通常只有2dB左右。由于互阻抗设计的前置放大器的传递特性参数实际上就是它的互阻抗，也就是反馈电阻，因此，互阻抗放大器很容易进行控制，而且非常稳定。互阻抗设计的主要缺点是比高阻抗设计的噪声电平略高，另外，和高阻抗设计相似，该电路还是采用固定的电阻来进行电流和电压的转换，因此很容易饱和。总之互阻抗连接具有载噪比高、灵敏度高、频带宽的优点，但RF放大电路设计复杂，增益控制有一定难度。
&阻抗变换器不但影响光接收组件及整机的载噪比、灵敏度、频带、动态范围，而且还对光电转换接收组件的输出电平、输出阻抗产生影响，在实用化的产品中，三种阻抗设计都有应用，但以互阻抗居多。宽带阻抗匹配对光接收组件的影响较大，应选用优良的器件进行设计，为了实现良好的阻抗匹配，目前实用化的产品一般都采用铁氧体磁环制作宽带变压器进行精确阻抗匹配。
&二、光接收组件的低噪声前置放大器
&前置放大器是将光探测器输出的微弱电信号进行适当的放大，以保证光接收组件有足够输出电平，该放大电路的噪声系数以及其等效输入阻抗对光接收组件的载噪比也有影响。
&前置放大器可以是双极性结晶体管放大器或GaAs结的场效应晶体管（JFET）放大器。没有合适的前置放大器的设计，光电流的放大会加重很多传输的模拟视频信号的非线性失真，解决这个问题的最普通的方法是采用推挽结构的双匹配前置放大器。推挽放大消除了二次非线性失真的影响，一般可使二次非线性失真降低20dB。推挽结构的双极性放大器具有增益的优势，但其发射极很难接地。对于制作在绝缘衬底上的异质结双极性晶体管（HBT）由于相邻推挽发射极共用一个镇流电阻，因此大大提高了增益。推挽HBT设计的不足是增加设计和电路的复杂性。推挽结构的另一个优点是很好的隔离了相邻的HBT，从而可以封装较高功率的放大器。
不同生产厂家的产品，前置放大器都采用推挽结构，但具体的电路及放大器的增益并不完全一样，有的采用一级推挽，有的采用二级推挽，因具体工艺的差异，其指标与可靠性也有较大差异。低档的前置放大器一般都采用普通的中功率晶体管制作，通常采用二只或回只构成推挽结构，中高档接收机一般都采用GaAs工艺的晶体管制作，其低噪声特性得到较好的体现，尤其是GaAs工艺集成放大电路的推出也省掉了生产商的一些麻烦，因为该种放大器电路只有很小的外围原器件，用户使用时只实现阻抗匹配即可，生产的产品一致性好，稳定性高，指标也得到优化。在高档机中一般都采用集成一体化封装的光接收组件。这种组件一般由专业厂家生产，光接收机生产商只要采购该组件装配到整机上即可，省掉了许多调试的麻烦，尤其是国产光接收组件的研制成功，使得一体化组件得到广泛应用，有些低档机型也开始采用。
&三、光接收组件的光功率检测单元
&为了实现对输入光功率的检测，光接收组件一般都加有光功率检测单元电路，其实质是将光探测器的接收电流转换成电压，输出到一个引脚，以供光功率显示电路使用。因为光探测器的接收电流与输入光功率成正比，因此通过合理的匹配设置，光接收电流就能准确的显示输入光功率的值。一般的产品的光功率显示数值参考为1V/1mW，即当检测电压为1V时，说明此时的输入光功率为1mW，如果检测电压高于1V或低于1V，输入光功率将按比例跟随电压的变化，在实用化产品中，有的产品采用发光二极管显示输入光功率，每个发光二极管代表不同档的输出光功率，这种显示只是大略的显示，以供实际应用时估测，并不精确。因为采用比较器检测并驱动发光二极发光，误差较大，但也满足使用要求。另一种光功率显示为数码管或液晶显示，单位为mW（也有的产品显示单位为dBM），其显示精度为0.01mW，这种显示能精确的跟随输入光功率的变化，其显示值相对来说是十分精确的，和光功率计测量值相差无几。
&四、光接收组件的常见结构及应用。
&光接收组件因不同厂家的产品而有较大差异，可谓百花齐放。采用不同的结构，其性能指标有较大差异，其实用化的结构有如下几种形式。
&1．PIN管+匹配电路+低噪声前置放大器。
&该种结构是主流组件的结构，其常用结构示意图如下：
&该种结构又细分为以下几种：
A、组件的各部分采用分离元件制作。这种结构的接收组件都是由光接收机生产厂家自己制作，主要优点是成本低廉，原材料价格大约是外购成品组件的三分之一到二分之一之间，这也是其具有生命力的主要原因。匹配电路采用一只铁氧体传输变压器实现宽带阻抗匹配。后面的低噪声放大器采用二只或四只中功率放大三极管推挽放大。放大增益控制在12—18dB之间。分离元件结构的组件，由于元器件的一致性不好，导致组件的阻抗匹配、增益控制存在缺陷，采用这种结构的光接收机一致性相对较差，需精细调试，尤其是平坦度较差，噪声系数较高，大约在10—12dB，低档次的光接收机会采用这种结构。近几年来，集成砷化镓工艺放大芯片的推出，使这种结构又有了变化。组件的推挽放大器由硅工艺三极管换成了宽带放大集成电路芯片，砷化镓工艺放大可以降低噪声的引入，获得理想的噪声系数，特别适合做组件的低噪声放大。砷化镓工艺放大能保证组件的线性指标和非线性指标，但GaAs工艺放大器带负载的能力比较弱，容易受到静电的冲击损坏，总之其比较脆弱，需要加强电路防护。硅工艺放大器噪声系数较高，线性、非线性失真指标较GaAs工艺差，但是其具有较强的带负载能力和抗冲击能力。如果单从指标考虑采用GaAs工艺是比较理想的。
B、集成一体化封装结构，该种结构的光接收模块采用标准底座封装，和放大模块通用底座，供电电压也采用通用电压24V。该种结构的组件与分离元件的组件相比有显著优点：一体化光接收模块设计完善、即插即用、一致性好、单一元件节省空间、勿须做额外的调试。该种组件前置放大器的主流设计通常采用硅工艺管芯或GaAs工艺管芯制作，电路结构采用推挽放大。采用GaAs工艺管芯制作的组件噪声系数最大为5dB，而采用硅工艺管芯生产的组件最大噪声系数可达11dB，通常在8dB以上。该种集成一体化组件以PHILIPS公司的产品为代表，具有较高的指标，是中高档光接收机的首选。其实用化典型电路简图如下（以某国产品牌KF887BO示例）：
&目前该种结构的光接收组件已实现国产化，具体的电路结构有以下几种：（1）厚膜分离元件工艺；（2）三极管管芯工艺；（3）砷化镓（GaAs）芯片工艺。
（1）厚膜分离件工艺组件。该组件采用的元件和分离件差不多，只不过由于其采用一体化封装，缩小了体积，减小了电路离散参数的影响，总体指标比分离元件要好一点。由于采用厚膜电路，一旦组件损坏，维修比较困难。（2）三极管管芯工艺组件，该种组件采用的电路结构与原膜电路相差无几，只不过由于采用三极管管芯制作，采用更高的工艺封装，大大缩小了封装体积，散热性能也得到加强。同样，该种结构的组件也分为硅工艺和砷化镓工艺两种；目前市场上管芯工艺的光接收模块品牌众多，有的宣称和PHILIPS公司的同类产品电路结构及元器件一模一样，指标也一样，从本人的应用实践看，国产的光接收膜块确实不能和PHILIPS膜块相提并论，关键的性能指标暂且不论，只模块的稳定性（使用寿命）就相差一大截。尤其是近年来激烈的市场竞争，导致光接收组生产厂家竟相降价，质量就更难保证。&
（3）GaAs工艺芯片组件，该种膜块的前置放大器采用砷化镓工艺的宽带放大芯片制作，增益一般在12—18dB之间，为了提高三次失真指标，通常采用推挽放大。由于采用稳定性较高的砷化镓工艺芯片，外围元件很少（只有供电元件、输入输出耦合电容），一致性得到加强，性能指标得到提高，尤其是使用寿命大大提高。本种工艺的组件可以说是国产组件成功的典范，只不过由于采用芯片放大，核心放大芯片完全依赖进口，无知识产权可言，确实令人遗憾，下图为砷化镓工艺芯片组件常用的电路结构（本模块采用2402砷化镓集成放大芯片为前置放大器）：
&上述结构的模块组件由于陶瓷基板与散热底座紧密粘合，加强了其散热性能；另外，由于该模块组件特别是进口模块通常都经过严格的测试（一般的常规测试有：寿命试验、防静电浪涌过载实验、高低温实验、机械（震动、加速）实验、潮湿实验）；因而其稳定性与性能指标是比较高的，下面示例的是PHILPS公司的BG0847光接收模块的性能指标，供读者参考：
2．PIN+匹配电路，其常用结构示意图如下：
&该种结构的组件很简单，只有PIN管与阻抗匹配单元，不考虑前置放大问题，该种结构的组件有两种形式：A、分离元件结构；B、一体化集成结构。
&A、分离元件结构。该种结构的组件由光接收机生产厂家设计生产，PIN输出的RF信号进入阻抗匹配网络，经过阻抗匹配网络输出的电信号直接进入宽带放大模块进行功率放大。由于普通放大模块的噪声系数比较高，且PIN管在低光功率输入时输出RF信号电平较低，经过阻抗匹配器，信号电平又被衰减，实际到达放大模块的电平已很低。我们都知道放大器有最佳输入电平的问题，一旦输入电平低于最佳输入电平，载噪比将急剧劣化，放大器的最佳输入电平说到底就是放大模块的最佳输入电平问题。较低的输入电平会导致光接收机整机的信噪比劣化严重。如果输入光功率信号较强，PIN管输出的RF电平较高，则信噪比劣化也可满足要求。
B、一体集成结构。该种结构的组件采用双列直插引脚封装，其实质是把PIN管与匹配单元电路封装在一起，该组件虽然有十四个引脚，但绝大部分是接地引脚，只有三个是有用的，即供电、RF输入、检测电流输出。该种结构的组件由于采用一体化封装，缩小了体积，离散参数的影响较小，比分离元件结构组件有较好的指标，但价格也比较贵，该组件的应用一般也用于中档以上的机型。鉴于低噪声放大前置放大器的重要性，该组件的RF输出一般都加有一低噪声前置放大后再加入放大模块进行功率放大。当然也有的产品直接将组件的RF输出接至放大膜块放大，其总体指标就比加有低噪声前置放大的差。
&目前国产品牌的光接收机采用一体化光接收模块的并不多，只有高档机才采用（中档机也有一部分采用），绝大部分为各生产厂家自行设计生产组件。组件的核心部件PIN管一般采用国产名牌；在超低光功率接收光接收机中，为保证整机的载噪比指标，一般都采用进口品牌。国产品牌有两种档次的产品：一种是进口PIN管芯，国内封装，另一种是纯国产管芯国内封装，这两种PIN管以前一种为好，但价格稍贵；低档的光接收机都采用后一种PIN管。目前市场上的低档光接收机品种繁多，价格悬殊较大。由于低档光接收机组件（基本上全为分离件）由生产厂家自行设计，由于技术含量较高，实力欠佳的厂家生产的产品性能指标相对很差，仅靠价格来吸引用户。县、乡级光纤网络低档光接收机占有相当大的比重，本着长远的投资回报理念，在选用低档机时最好选用品牌产品。
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