光接收器件,什么是光接收器件

光接收器件,什么是光接收器件

光接收机用于接收光缆中的光信号，再将之转换为电信号送入电缆网络。

其主要部件为两大部分：光接收转换部分、电传输部分。其中光接收转换部分主要完成光信号接收和将光转换为电信号的功能，主要使用器件为光电转换模块或转换器件（又称PIN管）；电传输部分主要完成将转换来的电信号进行处理放大和调整，将信号继续下传，主要使用器件为射频模块。

对于双向光接收机，还增加了光发射部分和反向电传输部分。其中光发射部分主要完成将回传的上行电信号转换为光信号，然后由激光器发射经由光缆传回前端。其主要器件为光电转换器和激光器，目前通常使用砷化镓器件以得到更好的性能指标，激光器有DFB和FP两种。通常采用FP类型的激光器以得到低廉的价格；反向电传输部分的功能是将回传的反向信号进行放大和调整再输入光发射部分。其主要器件是反向射频模块。

光接收机的核心功能器件

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1100—1600nm，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，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。

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：（a）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。

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

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