光接收器件,什么是光接收器件

光接收機用于接收光纜中的光信號，再將之轉(zhuǎn)換為電信號送入電纜網(wǎng)絡。

其主要部件為兩大部分：光接收轉(zhuǎn)換部分、電傳輸部分。其中光接收轉(zhuǎn)換部分主要完成光信號接收和將光轉(zhuǎn)換為電信號的功能，主要使用器件為光電轉(zhuǎn)換模塊或轉(zhuǎn)換器件（又稱PIN管）；電傳輸部分主要完成將轉(zhuǎn)換來的電信號進行處理放大和調(diào)整，將信號繼續(xù)下傳，主要使用器件為射頻模塊。

對于雙向光接收機，還增加了光發(fā)射部分和反向電傳輸部分。其中光發(fā)射部分主要完成將回傳的上行電信號轉(zhuǎn)換為光信號，然后由激光器發(fā)射經(jīng)由光纜傳回前端。其主要器件為光電轉(zhuǎn)換器和激光器，目前通常使用砷化鎵器件以得到更好的性能指標，激光器有DFB和FP兩種。通常采用FP類型的激光器以得到低廉的價格；反向電傳輸部分的功能是將回傳的反向信號進行放大和調(diào)整再輸入光發(fā)射部分。其主要器件是反向射頻模塊。

光接收機的核心功能器件

根據(jù)用途的不同，有兩類主要的光接收機——數(shù)字接收機、模擬接收機。數(shù)字接收機用來接收數(shù)字基帶光信號，模擬接收機用來接收RF或微波信號。數(shù)字接收機的性能要求與模擬接收機顯著不同，數(shù)字接收機要求在頻率很高很低時的響應平坦，如它的頻率響應在低到300HZ時還要保持平坦。相反，模擬接收機只需要在有用的頻率范圍內(nèi)保證響應平坦就可以了，除了平坦度的要求，所有模擬接收機的設計都必須有好的線性特性，以滿足系統(tǒng)要求的CSO、CTB失真的指標。無論數(shù)字接收機還是模擬光接收機影響其主要性能的部件都是前端接收部分，該部分一般都包括PIN光探測器、低噪聲前置放大器及他們之間的一些接口電路組成。無論是復雜的光工作站還是簡易的光接收機都包含這一部分器件，因而此處把這三部分作為光接收機的功能組件介紹。

前面已經(jīng)詳細介紹了光探測器的原理及性能指標，光探測器的主要功能是實現(xiàn)光信號對電信號的轉(zhuǎn)換，其不僅是該組件的核心，也是光接收機的核心。應用在CATV系統(tǒng)中的光探測器的波長一般要求為1100—1600nm，大多采用InGaAs化合物，作為一個性能優(yōu)良的光探測器，要求其具有：量子效率高、噪聲低、光電轉(zhuǎn)換線性好、溫度特性穩(wěn)定、具有足夠的帶寬、可靠性高、體積小等一系列優(yōu)點。在調(diào)制系數(shù)、光探測器的平均接收光功率、溫度相同的情況下，暗電流、結(jié)電容、量子效率對光探測器的載噪比影響較大。光探測器的阻抗很高，須經(jīng)一寬帶阻抗匹配電路與前置放大器級聯(lián)，才能獲得好的噪聲性能，除了實現(xiàn)阻抗匹配，該匹配電路還能降低雜散電容和前置放大器輸入電容的影響。低噪聲前置放大器的功能是把光電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷海⑶乙笤肼暤汀⒎蔷€性失真小，沒有合適的前端放大器的設計，光電流的放大會加重很多傳輸?shù)哪M信號的非線性失真。PIN光探測器的低噪聲前置放大器及接口電路的設計是光接收機的重要技術，該組件將決定一臺光接收機（站）的性能指標及檔次。

一、光接收組件的阻抗變換器接口

阻抗變換器實現(xiàn)光探測器與RF前置放大電路的阻抗匹配連接。光探測器與RF前置放大器電路的連接接口方式，一般有三種：低阻抗連接、互阻抗連接、高阻抗連接。

1．高阻抗接口。把光電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱暮唵蔚姆椒ㄊ菍⒎聪蚱霉怆娏髯饔糜谪撦d電阻RL上，其后是前置放大器，在光輸入功率電平比較低的情況下，為了增加輸出的載噪比水平，就需要大的RL，也就是說要求前置放大器的輸入阻抗較高，而這樣的阻抗設計就稱為高阻抗接口，而對應的前置放大器也稱為高阻抗放大器。雖然高阻抗接口能提升CNR，但卻降低了調(diào)制響應帶寬，因而高阻抗接口的設計要在大帶寬和高CNR之間有一個折中優(yōu)化設計，一般擴展高阻抗設計的高頻響應的方法是在前置放大器后引入電壓均衡器，即使有頻率均衡，高阻抗阻件設計還是有一些問題，由于負載電阻比較大，使得高阻抗組件設計的動態(tài)范圍不寬；另外，高阻抗設計受非線性失真的影響，特別在光輸入功率電平較高時，這種影響較為強烈。總得說來，高阻抗連接具有載噪比、靈敏度高的優(yōu)點，但帶寬和動態(tài)范圍受到影響，其主要用于超低光功率接收的光接收機中。

2．低阻抗接口。在實際設計中當PIN光探測器的負載電阻降為50或75歐姆時，這通常稱為低阻抗接口設計，低阻抗設計會改善光接收機的線性度，使其有較大的帶寬和動態(tài)范圍，但同時也增加了噪聲電平，使得光接收機的整機載噪比水平略低。在商用化的光接收機中，低阻抗接口設計也占有一定的份額，主要是利用了其帶寬優(yōu)勢及線性度好的優(yōu)點。而高阻抗設計通常適用于動態(tài)范圍窄、頻率響應好的低噪聲（高靈敏度）接收機中，也就是通常所說的超低光功率接收光接收機。

3．互阻抗接口。

在實用互阻抗設計中，去掉了高阻抗設計的負載電阻RL，通過一反饋電阻給前置放大器輸入端提供反饋，這種設計既有低噪聲，又有大的動態(tài)范圍，同時通過降低互阻抗設計的有效電容可以使電路工作在更高的頻率上，互阻抗設計有明顯的優(yōu)點：（1）與高阻抗設計相比其動態(tài)范圍得到明顯改善。（2）因為互阻抗設計的前置放大器的輸入電阻與反饋電阻的組合電阻非常小，這意味著探測器的時間常數(shù)非常小，在此通常很少甚至不需要進行均衡。（3）與低阻抗設計相比，互阻抗設計明顯改善了靈敏度及提升了載噪比指標，雖然互阻抗設計不如高阻抗放大器靈敏，但對于大多數(shù)實際的寬帶設計來說，這個差異通常只有2dB左右。由于互阻抗設計的前置放大器的傳遞特性參數(shù)實際上就是它的互阻抗，也就是反饋電阻，因此，互阻抗放大器很容易進行控制，而且非常穩(wěn)定。互阻抗設計的主要缺點是比高阻抗設計的噪聲電平略高，另外，和高阻抗設計相似，該電路還是采用固定的電阻來進行電流和電壓的轉(zhuǎn)換，因此很容易飽和。總之互阻抗連接具有載噪比高、靈敏度高、頻帶寬的優(yōu)點，但RF放大電路設計復雜，增益控制有一定難度。

阻抗變換器不但影響光接收組件及整機的載噪比、靈敏度、頻帶、動態(tài)范圍，而且還對光電轉(zhuǎn)換接收組件的輸出電平、輸出阻抗產(chǎn)生影響，在實用化的產(chǎn)品中，三種阻抗設計都有應用，但以互阻抗居多。寬帶阻抗匹配對光接收組件的影響較大，應選用優(yōu)良的器件進行設計，為了實現(xiàn)良好的阻抗匹配，目前實用化的產(chǎn)品一般都采用鐵氧體磁環(huán)制作寬帶變壓器進行精確阻抗匹配。

二、光接收組件的低噪聲前置放大器

前置放大器是將光探測器輸出的微弱電信號進行適當?shù)姆糯螅员ＷC光接收組件有足夠輸出電平，該放大電路的噪聲系數(shù)以及其等效輸入阻抗對光接收組件的載噪比也有影響。

前置放大器可以是雙極性結(jié)晶體管放大器或GaAs結(jié)的場效應晶體管（JFET）放大器。沒有合適的前置放大器的設計，光電流的放大會加重很多傳輸?shù)哪M視頻信號的非線性失真，解決這個問題的最普通的方法是采用推挽結(jié)構(gòu)的雙匹配前置放大器。推挽放大消除了二次非線性失真的影響，一般可使二次非線性失真降低20dB。推挽結(jié)構(gòu)的雙極性放大器具有增益的優(yōu)勢，但其發(fā)射極很難接地。對于制作在絕緣襯底上的異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管（HBT）由于相鄰推挽發(fā)射極共用一個鎮(zhèn)流電阻，因此大大提高了增益。推挽HBT設計的不足是增加設計和電路的復雜性。推挽結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是很好的隔離了相鄰的HBT，從而可以封裝較高功率的放大器。

不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，前置放大器都采用推挽結(jié)構(gòu)，但具體的電路及放大器的增益并不完全一樣，有的采用一級推挽，有的采用二級推挽，因具體工藝的差異，其指標與可靠性也有較大差異。低檔的前置放大器一般都采用普通的中功率晶體管制作，通常采用二只或回只構(gòu)成推挽結(jié)構(gòu)，中高檔接收機一般都采用GaAs工藝的晶體管制作，其低噪聲特性得到較好的體現(xiàn)，尤其是GaAs工藝集成放大電路的推出也省掉了生產(chǎn)商的一些麻煩，因為該種放大器電路只有很小的外圍原器件，用戶使用時只實現(xiàn)阻抗匹配即可，生產(chǎn)的產(chǎn)品一致性好，穩(wěn)定性高，指標也得到優(yōu)化。在高檔機中一般都采用集成一體化封裝的光接收組件。這種組件一般由專業(yè)廠家生產(chǎn)，光接收機生產(chǎn)商只要采購該組件裝配到整機上即可，省掉了許多調(diào)試的麻煩，尤其是國產(chǎn)光接收組件的研制成功，使得一體化組件得到廣泛應用，有些低檔機型也開始采用。

三、光接收組件的光功率檢測單元

為了實現(xiàn)對輸入光功率的檢測，光接收組件一般都加有光功率檢測單元電路，其實質(zhì)是將光探測器的接收電流轉(zhuǎn)換成電壓，輸出到一個引腳，以供光功率顯示電路使用。因為光探測器的接收電流與輸入光功率成正比，因此通過合理的匹配設置，光接收電流就能準確的顯示輸入光功率的值。一般的產(chǎn)品的光功率顯示數(shù)值參考為1V/1mW，即當檢測電壓為1V時，說明此時的輸入光功率為1mW，如果檢測電壓高于1V或低于1V，輸入光功率將按比例跟隨電壓的變化，在實用化產(chǎn)品中，有的產(chǎn)品采用發(fā)光二極管顯示輸入光功率，每個發(fā)光二極管代表不同檔的輸出光功率，這種顯示只是大略的顯示，以供實際應用時估測，并不精確。因為采用比較器檢測并驅(qū)動發(fā)光二極發(fā)光，誤差較大，但也滿足使用要求。另一種光功率顯示為數(shù)碼管或液晶顯示，單位為mW（也有的產(chǎn)品顯示單位為dBM），其顯示精度為0.01mW，這種顯示能精確的跟隨輸入光功率的變化，其顯示值相對來說是十分精確的，和光功率計測量值相差無幾。

四、光接收組件的常見結(jié)構(gòu)及應用。

光接收組件因不同廠家的產(chǎn)品而有較大差異，可謂百花齊放。采用不同的結(jié)構(gòu)，其性能指標有較大差異，其實用化的結(jié)構(gòu)有如下幾種形式。

1．PIN管+匹配電路+低噪聲前置放大器。

該種結(jié)構(gòu)是主流組件的結(jié)構(gòu)，又細分為以下幾種：A、組件的各部分采用分離元件制作。這種結(jié)構(gòu)的接收組件都是由光接收機生產(chǎn)廠家自己制作，主要優(yōu)點是成本低廉，原材料價格大約是外購成品組件的三分之一到二分之一之間，這也是其具有生命力的主要原因。匹配電路采用一只鐵氧體傳輸變壓器實現(xiàn)寬帶阻抗匹配。后面的低噪聲放大器采用二只或四只中功率放大三極管推挽放大。放大增益控制在12—18dB之間。分離元件結(jié)構(gòu)的組件，由于元器件的一致性不好，導致組件的阻抗匹配、增益控制存在缺陷，采用這種結(jié)構(gòu)的光接收機一致性相對較差，需精細調(diào)試，尤其是平坦度較差，噪聲系數(shù)較高，大約在10—12dB，低檔次的光接收機會采用這種結(jié)構(gòu)。近幾年來，集成砷化鎵工藝放大芯片的推出，使這種結(jié)構(gòu)又有了變化。組件的推挽放大器由硅工藝三極管換成了寬帶放大集成電路芯片，砷化鎵工藝放大可以降低噪聲的引入，獲得理想的噪聲系數(shù)，特別適合做組件的低噪聲放大。砷化鎵工藝放大能保證組件的線性指標和非線性指標，但GaAs工藝放大器帶負載的能力比較弱，容易受到靜電的沖擊損壞，總之其比較脆弱，需要加強電路防護。硅工藝放大器噪聲系數(shù)較高，線性、非線性失真指標較GaAs工藝差，但是其具有較強的帶負載能力和抗沖擊能力。如果單從指標考慮采用GaAs工藝是比較理想的。

B、集成一體化封裝結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)的光接收模塊采用標準底座封裝，和放大模塊通用底座，供電電壓也采用通用電壓24V。該種結(jié)構(gòu)的組件與分離元件的組件相比有顯著優(yōu)點：一體化光接收模塊設計完善、即插即用、一致性好、單一元件節(jié)省空間、勿須做額外的調(diào)試。該種組件前置放大器的主流設計通常采用硅工藝管芯或GaAs工藝管芯制作，電路結(jié)構(gòu)采用推挽放大。采用GaAs工藝管芯制作的組件噪聲系數(shù)最大為5dB，而采用硅工藝管芯生產(chǎn)的組件最大噪聲系數(shù)可達11dB，通常在8dB以上。該種集成一體化組件以PHILIPS公司的產(chǎn)品為代表，具有較高的指標，是中高檔光接收機的首選。

目前該種結(jié)構(gòu)的光接收組件已實現(xiàn)國產(chǎn)化，具體的電路結(jié)構(gòu)有以下幾種：（a）厚膜分離元件工藝；（2）三極管管芯工藝；（3）砷化鎵（GaAs）芯片工藝。

（1）厚膜分離件工藝組件。該組件采用的元件和分離件差不多，只不過由于其采用一體化封裝，縮小了體積，減小了電路離散參數(shù)的影響，總體指標比分離元件要好一點。由于采用厚膜電路，一旦組件損壞，維修比較困難。 （2）三極管管芯工藝組件，該種組件采用的電路結(jié)構(gòu)與原膜電路相差無幾，只不過由于采用三極管管芯制作，采用更高的工藝封裝，大大縮小了封裝體積，散熱性能也得到加強。同樣，該種結(jié)構(gòu)的組件也分為硅工藝和砷化鎵工藝兩種；目前市場上管芯工藝的光接收模塊品牌眾多，有的宣稱和PHILIPS公司的同類產(chǎn)品電路結(jié)構(gòu)及元器件一模一樣，指標也一樣，從本人的應用實踐看，國產(chǎn)的光接收膜塊確實不能和PHILIPS膜塊相提并論，關鍵的性能指標暫且不論，只模塊的穩(wěn)定性（使用壽命）就相差一大截。尤其是近年來激烈的市場競爭，導致光接收組生產(chǎn)廠家竟相降價，質(zhì)量就更難保證。 （3）GaAs工藝芯片組件，該種膜塊的前置放大器采用砷化鎵工藝的寬帶放大芯片制作，增益一般在12—18dB之間，為了提高三次失真指標，通常采用推挽放大。由于采用穩(wěn)定性較高的砷化鎵工藝芯片，外圍元件很少（只有供電元件、輸入輸出耦合電容），一致性得到加強，性能指標得到提高，尤其是使用壽命大大提高。本種工藝的組件可以說是國產(chǎn)組件成功的典范，只不過由于采用芯片放大，核心放大芯片完全依賴進口，無知識產(chǎn)權可言，確實令人遺憾。

上述結(jié)構(gòu)的模塊組件由于陶瓷基板與散熱底座緊密粘合，加強了其散熱性能；另外，由于該模塊組件特別是進口模塊通常都經(jīng)過嚴格的測試（一般的常規(guī)測試有：壽命試驗、防靜電浪涌過載實驗、高低溫實驗、機械（震動、加速）實驗、潮濕實驗）；因而其穩(wěn)定性與性能指標是比較高的，下面示例的是PHILPS公司的BG0847光接收模塊的性能指標，供讀者參考：

2．PIN+匹配電路

該種結(jié)構(gòu)的組件很簡單，只有PIN管與阻抗匹配單元，不考慮前置放大問題，該種結(jié)構(gòu)的組件有兩種形式：A、分離元件結(jié)構(gòu)；B、一體化集成結(jié)構(gòu)。

A、分離元件結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)的組件由光接收機生產(chǎn)廠家設計生產(chǎn)，PIN輸出的RF信號進入阻抗匹配網(wǎng)絡，經(jīng)過阻抗匹配網(wǎng)絡輸出的電信號直接進入寬帶放大模塊進行功率放大。由于普通放大模塊的噪聲系數(shù)比較高，且PIN管在低光功率輸入時輸出RF信號電平較低，經(jīng)過阻抗匹配器，信號電平又被衰減，實際到達放大模塊的電平已很低。我們都知道放大器有最佳輸入電平的問題，一旦輸入電平低于最佳輸入電平，載噪比將急劇劣化，放大器的最佳輸入電平說到底就是放大模塊的最佳輸入電平問題。較低的輸入電平會導致光接收機整機的信噪比劣化嚴重。如果輸入光功率信號較強，PIN管輸出的RF電平較高，則信噪比劣化也可滿足要求。B、一體集成結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)的組件采用雙列直插引腳封裝，其實質(zhì)是把PIN管與匹配單元電路封裝在一起，該組件雖然有十四個引腳，但絕大部分是接地引腳，只有三個是有用的，即供電、RF輸入、檢測電流輸出。該種結(jié)構(gòu)的組件由于采用一體化封裝，縮小了體積，離散參數(shù)的影響較小，比分離元件結(jié)構(gòu)組件有較好的指標，但價格也比較貴，該組件的應用一般也用于中檔以上的機型。鑒于低噪聲放大前置放大器的重要性，該組件的RF輸出一般都加有一低噪聲前置放大后再加入放大模塊進行功率放大。當然也有的產(chǎn)品直接將組件的RF輸出接至放大膜塊放大，其總體指標就比加有低噪聲前置放大的差。

目前國產(chǎn)品牌的光接收機采用一體化光接收模塊的并不多，只有高檔機才采用（中檔機也有一部分采用），絕大部分為各生產(chǎn)廠家自行設計生產(chǎn)組件。組件的核心部件PIN管一般采用國產(chǎn)名牌；在超低光功率接收光接收機中，為保證整機的載噪比指標，一般都采用進口品牌。國產(chǎn)品牌有兩種檔次的產(chǎn)品：一種是進口PIN管芯，國內(nèi)封裝，另一種是純國產(chǎn)管芯國內(nèi)封裝，這兩種PIN管以前一種為好，但價格稍貴；低檔的光接收機都采用后一種PIN管。目前市場上的低檔光接收機品種繁多，價格懸殊較大。由于低檔光接收機組件（基本上全為分離件）由生產(chǎn)廠家自行設計，由于技術含量較高，實力欠佳的廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品性能指標相對很差，僅靠價格來吸引用戶。縣、鄉(xiāng)級光纖網(wǎng)絡低檔光接收機占有相當大的比重，本著長遠的投資回報理念，在選用低檔機時最好選用品牌產(chǎn)品

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