光接收机总结

光接收机总结

1，普通PIN接收机和APD接收机（直接检测）

PIN光电二极管是在普通光电二极管的PN结中加入低掺杂的近乎本征半导体的I区形成的，用以加宽PN结的耗尽层（电子移动快）而减小扩散区（电子扩散慢），使电子空穴能够快速通过耗尽层到达P和N区，大大加快响应速度。PIN的探测效率也很高。

PIN探测器拥有极宽的带宽，商业化的超过了50GHz。PIN探测器的结构也非常简单，如图所示是PIN接受机的基本结构，光信号经过PIN光电探测器后经射频放大器，在通过窄带滤波器滤波，采样后经阈值判决得到数据。

图1 PIN接收机

PIN的噪声来源主要是散弹噪声，但是比APD的噪声小得多。PIN是无增益器件，一个光子至多产生一个电子空穴对，不适合用来检测微弱信号。对于

10Gbps的OOK信号，若BER要达到10^-9，这种接收机要求需要6200PPB[1]。

APD是利用雪崩特性制成的高增益光电二极管，APD接收机原理图与PIN接收机一致。一个光子产生一个电子空穴对后发生碰撞电离效应产生了大量电子空穴对，因此能够探测很微弱的信号。APD接收机灵敏度一般比PIN接收机好5~10dB，对于10Gbps的信号，误码率达到10^-9需要1000PPB[2]。

APD的噪声很大，主要是倍增噪声，而且APD一般需要很高的反向偏压来产生雪崩效应。同时，和PIN相比，APD只有很窄的线性效应（光电流和光功率成比例）。

2，光电倍增管PMT（单光子检测）

光电倍增管是利用外光电效应和二次电子发射效应来探测光信号的电真空器件，由阴极、电子倍增极、打拿极和收集极阳极等构成。阴极和阳极之间加上高压，光子在阴极表面产生光电子，这些光电子被电场加速后通过倍增系统产生大量二次电子，经阳极吸收形成输出电流。

PMT的计数频率可以达到几十MHz，具有高灵敏度和低噪声的特点，同时探测面积大直径可达几英寸、响应速度快上升时间小于1ns、高增益超过以及

宽谱宽等特点。PMT的量子效率受阴极材料和工作频率的影响：在紫外和可见光谱范围中，材料是GaAsP时，量子效率可以达到40%，在近红外区域，材料为GaAsInP时，量子效率小于1%，限制了PMT的使用。

LCTSX的LCT终端的接收机用的是PMT，碲镉汞APD作为备份接收机。

3，APD接收机（单光子检测）

APD单光子检测器的原理是让偏置电压大于雪崩电压（即盖革模式），当有光子进入时，会产生uA甚至mA级别的光电流。由于任何光子或噪声都将产生

雪崩，所以会影响对每个光子之间的的检测，需要电路来抑制雪崩。如图2所示，一般有三种方式来抑制雪崩，无源抑制、有缘抑制、门模抑制。无源抑制就是在有光子进入时，APD雪崩，里面的结电容和分布电容通过电阻放电，然后停止恢复到接收光子状态。这种模式的计数率很慢，由电容放电时间决定，在几百ns 级别。有源抑制即利用雪崩信号的上升沿作为触发信号，通过反馈控制驱动电源，达到抑制的目的。门模抑制，即在没有光子到达的时候APD两端电压高于雪崩电压相当于门打开，没有的时候则关闭，大大提高APD的性能和寿命。对APD 性能影响最大是暗计数，暗计数有产生原因有多种，有本身的原因，如热噪声，也有外部原因，如黑体辐射、后脉冲计数、隧穿效应，门模模式能够有效减小后脉冲计数和热噪声，因此门模模式为APD的最佳工作模式。APD单光子计数器噪声表现为暗计数和变化的量子效率，在一个门时间内最多测一个光子，且在门关闭时间内无法接受光子，限制了灵敏度。[3]

可见光频段Si-APD量子效率可以达到85%，Ge-APD工作在800~1550nm波段，InGaAs-APD工作在900~1700nm波段，在1550nm窗口应用较多，量子效率多为10%~20%，暗计数大多在KHz量级。

图2 （1）无源抑制（2）有源抑制（3）门模抑制如图3所示是各种探测器参考性能对比图，图中可以看出PMT(光电倍增管)暗计数较高，Si-APD主要工作在可见光波段。InGaAs-APD单光子计数器的量子效率可以达到20%，暗计数也较低，但是重复频率不高，超导纳米线单光子探测器SSPD的重复频率很高，暗计数很低，量子效率较低。该图只是作为参考，比如后面讲到SSPD通过一些方法量子效率能达到很高。

图3 各种探测器性能比较[3]

欧洲航天局ESA在地面建立了一个OGS地面站与美国LLCD项目的月球卫星的LLST通信，其中的接收机使用的是一个基础的PMT和一个作为备份的碲镉汞APD[4]，碲镉汞APD量子效率达到了60~80%，而且有着高增益和低噪声[5]。LLST 发射的信号到达OGS时功率仅为350pW（经计算对于622Mbps约为4.4PPB）。

4，超导纳米线单光子计数器SSPD或SNSPD（单光子检测）

超导体单光子计数器的原理是首先让超导材料工作在超导温度下，偏置电流接近超导体临界电流，当光子被吸收后在吸收处形成有电阻的热点，此时电流将向边缘没有电阻的地方走，导致电流密度大于临界密度产生电阻，形成一个脉冲信号。SSPD有着超快的响应速度和极小的暗计数，但是一般量子效率较低。SNSPD的灵敏度可以达到接近1PPB，并有达到小于1PPB的潜力。

美国LLCD项目的LLGT地面站使用的就是超导纳米线接收机（林肯实验室）。如图4（1）所示是LLGT使用的超导纳米线结构，上面的氮化铌纳米线宽度为80/140nm，厚度为5nm，安装在硅晶片上。这种结构是4元纳米线结构，即有4个纳米线阵列，文献[]采用2元纳米线结构，提到了多元结构能够提供更高的计数速率（reset time）和有限的光子数分辨率，探测效率也得到了提高，该超导纳米线也是由氮化铌制作，厚度4nm宽度100nm。如图4（2）所示其探测效率相比单光子得到了提高。由图4（2）还可以看出，脉冲(时隙)宽度也会极大的影响探测效率，进而影响灵敏度，因此LLCD下行在38Mbps时灵敏度要求为1.49PPB，而622Mbps时要求为3.48PPB。SSPD阵列结构也有缺点，如果阶数过多会导致电路复杂，可能会引起由电磁场耦合和声子导致的码间串扰。LLGT采用4个这样的4元阵列，即16根纳米线，重复时间为5ns（计数频率200MHz），暗计数为3000/s，量子效率达到75%。由于每根纳米线都需要有单独的电路，限制了纳米线数量的进一步提高。[6]

SSPD的探测效率除了可以通过阵列提高，还有其他方法，比如文献[7]的单光子计数器在加入光学腔和抗反射膜的情况下探测效率达到了57%。

图4 （1）4元超导纳米线结构（2）脉冲宽度和探测效率关系图

5，超导体转换边缘传感器TES（单光子检测）

这种单光子探测器的工作原理是让超导体工作在超导状态下，当入射光入射到生长在绝缘衬底上的超导薄膜并被吸收，温度上升转变为正常态，由于环境的低温再次回到超导态，此时监测电阻率的变化就能实现单光子探测。

TES的量子效率能做到非常的高，达到90%，而且暗计数非常的低，甚至可以实现光子数分辨功能，但是有个明显的缺点是由于超导体材料再次冷却到超导状态时间较长，重复频率较低，仅在KHz量级。

6，前置放大直接检测(直接检测)

图5（1）是普通前置放大器的接收机模型，图5（2）是采用平衡接收的前置放大器接收机模型。文献[]中提到了这种接收机在Gbps速率下，对未编码的DPSK（DPSK对灵敏度的要求和4-PPM差不多，均相对OOK有3dB优势）灵敏度达25-30PPB（BER应该是10^-9），对编码的DPSK灵敏度达7-8PPB，而对于M-PPM，M较大或者带宽扩展系数较大（即降低带宽利用率）的情况下可以实现1-2PPB。而且通过WDM可以很容易的实现Tbps的速率。光放大器的ASE(放大器自发辐射噪声)噪声对接收机性能影响很大。[8]

图5 前置放大直接检测接收机

LLCD项目中LLST卫星终端的接收机采用的是前置放大直接检测接收机接收4-PPM信号。如图6所示，光信号经放大滤波后由PD转换为电信号，再放大后一路经一个时隙与自己混合，得到差信号和和信号，分别经两个时隙延时后与自己进入判决电路得到信号的高位和低位，实现解调[10]。LCRD项目也将使用与此类似的前置放大直接检测接收机，并且同时有DPSK和PPM两种调制方式的收发机。

图6 LLST前置放大直接检测接收机

7，相干接收机（相干检测）

相干接收机有两种，一种是零差接收，一种是外差接收。零差接收是指本地振荡器与接收信号光同频，经混频滤波后将调制在光信号上的RF信号提取出来。而外差接收指本地振荡器与光信号不同频，经混频后用特殊方法将RF信号提取出来，外差接收在空间光通信中应用较少，不再赘述。文献[8]写到在6Gbps未编码PSK接收机灵敏度要求35PPB，8Gpbs时要求为80PPB，和前置放大DPSK 几乎没有区别，在小于Gbps速率下则比DPSK更好一些，在4和565Mbps速率下分别是16和20PPB。从理论上讲，PSK的零差接收机会优于DPSK2倍，优于OOK4倍，其中2倍是由于从星座图看出0和1信号距离是OOK的2倍，另外2倍则是零差相干接收提供的更高的灵敏度。实际上由于各种原因PSK零差系统只比前置放大DPSK接收机略好，而且需要复杂的锁相系统。

欧洲LCTSX项目的LCT终端使用的零差相干接收，工作原理如图7所示。种子光源经相位调制器和光放大器发射到信道，接收机是基于光学costas锁相的BPSK零差解调系

统，光学锁相环可以解决多普勒效应等因素导致的频移，使接收信号与本振同频，再使用本振和接收信号光干涉，拍出RF信号，再经滤波得到RF信号。

图7

参考文献

[1]S.B. Alexander, Optical communication receiver design (Bellingham, Washington, USA:SPIE Optical Engineering Press, 1997.

[2]Y. Miyamoto, Y. Hagimoto, and T. Kagawa, “A 10 Gb/s high sensitivity optical receiver using an InGaAs-InAlAs superlatticeAPD at 1.3 μm/1.5μm,” IEEE Photon. Technol. Lett.3, 372–374 ,1991.

[3]李璐.基于雪崩二极管的通讯波段单光子探测器技术研究.学位论文，2010.

[4]Receiver Performance of ESA Ground Terminal During Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD).Proc. International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS),2014.

[5]Vojetta, G., et. al.,” Linear photon-counting with HgCdTe APDs,”Proc.SPIE Vol. 8375 83750Y-1, 2012.

[6]Eric A. Dauler, Bryan S. Robinson, Andrew J. Kerman.Multi-Element Superconducting Nanowire Single-Photon Detector.IEEE transaction on applied superconductivity,2007.

[7]Matthew E. Grein, Andrew J. Kerman, Eric A. Dauler.An optical receiver for the Lunar Laser Communication Demonstration based on photon-counting superconducting nanowires .Proc. of SPIE,2015.

[8]Kristine M. Rosfjord1, Joel K. W. Yang.Nanowire Single-photon detector with an integrated optical cavity and anti-reflection coating.Optical Society of America,2006.

[9]David O. https://www.360docs.net/doc/6e8473083.html,ser communication transmitter and receiver design.J. Opt. Fiber. Commun. Rep. 4, 225–362 ,2007.

[10]M. L. Stevens, D. M. Boroson.A simple delay-line 4-PPM demodulator

with near-optimum performance.Optical Society of America,2012.