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Optisystem應(yīng)用:光電檢測(cè)器靈敏度建模
時(shí)間:2022-02-28 21:01來(lái)源:訊技光電作者: 技術(shù)部點(diǎn)擊:次打印
任何光接收機(jī)的主要工作部件之一是光電檢測(cè)器(其將光功率轉(zhuǎn)換成電流)。根據(jù)系統(tǒng)性能目標(biāo),可以使用PIN或APD(雪崩光電二極管)光電探測(cè)器。
 
誤碼率(BER)是用于確定通信傳輸系統(tǒng)可靠性的主要指標(biāo),通常與接收機(jī)靈敏度值相關(guān)聯(lián),該靈敏度值定義必須到達(dá)光電檢測(cè)器以實(shí)現(xiàn)所需BER性能的最小平均光功率。 或者,可以從采樣信號(hào)統(tǒng)計(jì)中計(jì)算信道的Q因子,并用于估計(jì)系統(tǒng)BER(OptiSystem支持兩種計(jì)算方法)。
 
光電探測(cè)器在定義基本通信系統(tǒng)的最終靈敏度方面起著重要作用,因?yàn)樗陨⒘#ɑ诹孔樱┖蜔嵩肼暤男问教峁┙y(tǒng)計(jì)擾動(dòng)。它還引入了暗電流(可以看作是直流噪聲),并且具有定義的響應(yīng)度(一種測(cè)量每單位功率輸入獲得多少電輸出),其取決于入射光的波長(zhǎng)和傳感器的材料特性以及物理設(shè)計(jì)。 除了這些效應(yīng)之外,由于存在結(jié)電容并且需要連接到負(fù)載電阻器來(lái)測(cè)量接收信號(hào),所以光電檢測(cè)器還表現(xiàn)出頻率依賴性的傳遞函數(shù)(在這個(gè)分析中,假定傳遞函數(shù)是理想的)。
 
以下四個(gè)示例演示如何設(shè)置和測(cè)量(使用OptiSystem)PIN和APD強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(IM-DD)系統(tǒng)的接收機(jī)靈敏度,特別是:
量子受限理想PIN光電探測(cè)器
熱噪聲受限PIN光電探測(cè)器
熱噪聲和散粒噪聲APD的性能
具有光學(xué)前置放大的PIN光電探測(cè)器
本案例的參考文件是: PIN and APD Receiver Sensitivity Analysis Version 1_0 24 Jan 17.osd. 
 
1.理想光電探測(cè)器(PIN)
 
測(cè)試配置如下:位速率:10 Gb / s; 波長(zhǎng)= 1550nm; PIN響應(yīng)度:1 A / W; 暗電流= 0 nA; 序列長(zhǎng)度= 1048576。
由于接收機(jī)是理想的,它的唯一噪聲源是PIN散粒(量子)噪聲 - 熱噪聲已被禁用。 當(dāng)預(yù)期的邏輯1(ON信號(hào))看不到光子(泊松統(tǒng)計(jì))時(shí),接收機(jī)將發(fā)出錯(cuò)誤。 數(shù)據(jù)恢復(fù)組件的絕對(duì)閾值設(shè)置為1E-12以驗(yàn)證此條件。
實(shí)現(xiàn)給定BER所需的光子/位的最小數(shù)量可以計(jì)算如下:BER = 1/2 * exp(-2 * N)其中N是每位的光子的平均數(shù)。 對(duì)于下面的例子,衰減器設(shè)置為58.1 dB(平均光子每位≈6)。 所得到的期望量子限制性能是LOG(BER)= -5.51。
對(duì)于下面的模擬運(yùn)行,BER測(cè)試集顯示檢測(cè)到三個(gè)誤碼(LOG(BER)= -5.54)
參考:L. Kazovsky,S.Benedetto,A. Willner,Optical Fiber Communication Systems,Artech House(1996),pp.299-200。
 
圖1.理想光電接收機(jī)(PIN)
 
2.熱噪聲受限PIN
 
在本例中,PIN光電二極管(Q = 7,BER = 1E-12)的接收靈敏度基于以下配置確定:位速率:100 Mb / s; 波長(zhǎng)= 1550nm; 負(fù)載電阻:100歐姆; 溫度= 300K; PIN響應(yīng)度:0.95 A / W
在這種情況下,主要噪聲源是PIN熱噪聲(熱噪聲電流= 91 nA)。 所需的接收機(jī)靈敏度約為-31.7 dBm。
注意:在參考中,負(fù)載電阻設(shè)置為200歐姆。 作為額外的放大器,REF(包括電后置放大器的模型)中包含3 dB的噪聲系數(shù),我們將負(fù)載電阻降低到100,以將噪聲系數(shù)增加2倍。
參考: Keiser, Gerd; “Optical Fiber Communications”, 4th Ed., Tata McGraw Hill, 2008 (pp 261-262)
 
圖2.熱噪聲受限(PIN)
 
組件腳本功能可用于執(zhí)行自定義計(jì)算和結(jié)果。 如果需要,可以訪問(wèn)設(shè)計(jì)圖上任何組件的參數(shù)或結(jié)果,并將其用作計(jì)算的輸入。
下面的VBScript與PIN組件相關(guān)聯(lián)。 首先計(jì)算接收信號(hào)Q,然后基于目標(biāo)Q(也可以使用測(cè)量的Q)來(lái)計(jì)算接收機(jī)靈敏度。
要訪問(wèn)組件腳本,請(qǐng)右鍵單擊組件,然后從下拉菜單中選擇組件腳本
 
   
圖2.1.熱噪聲限制(PIN)
 
3.熱/噪聲散粒噪聲(APD)
 
在本例中,APD光電二極管(Q = 7,BER = 1e-12)的接收靈敏度是根據(jù)以下配置確定的:位速率:100Mb / s; 波長(zhǎng)= 1550nm; 負(fù)載電阻:100歐姆; 溫度= 300K; PIN響應(yīng)度:0.95 A / W; 增益(M)= 10; F(M)= 5。
在這種情況下,主要噪聲源仍然是APD熱噪聲(熱噪聲電流= 100 nA),但是由于APD增益和因子導(dǎo)致散粒噪聲增加(散粒噪聲電流= 21 nA)。 然而,與PIN模式相比,信號(hào)也經(jīng)歷增益,整體性能得到改善(所需的接收機(jī)靈敏度約為-42dBm)。
注意:在參考中,負(fù)載電阻設(shè)置為200歐姆。 作為額外的放大器,REF(包括電后置放大器的模型)中包含3 dB的噪聲系數(shù),我們將負(fù)載電阻降低到100,以將噪聲系數(shù)增加兩倍。
參考: Keiser, Gerd; “Optical Fiber Communications”, 4th Ed., Tata McGraw Hill, 2008 (pp 261-262)
 
 
 
圖3.熱噪聲散粒噪聲(APD)
 
4.帶有前置放大器的PIN
 
在本例中,PIN光電二極管與前置放大器(Q = 7,BER = 1e-12)的接收靈敏度基于以下配置進(jìn)行建模:位速率:100 Mb / s; 波長(zhǎng)= 1550nm(193.4145THz); OA增益= 30dB; OA_NF = 4 dB; 光濾波器BW =位速率* 2; PIN響應(yīng)度:0.95 A / W; 接收機(jī)BW =位速率
在這種情況下,主噪聲源被假定為信號(hào)ASE拍頻噪聲(因?yàn)槲覀冊(cè)贠A之后應(yīng)用信道濾波器,ASE-ASE拍頻噪聲可以被忽略)。
熱噪聲也被忽略,但是通常會(huì)在接收機(jī)的光功率低(小于1mW)的情況下惡化。
接收機(jī)靈敏度計(jì)算如下: RcvrSenPwr = NFLinear*h*Freq*RxBW*(Q^2 + Q(rf-0.5)^0.5
參考: Optical Communication Systems (OPT428), slides 280-282, Govind P. Agrawal, Institute of Optics, University of Rochester, Rochester, NY 14627 (http://www.optics.rochester.edu/users/gpa/opt428c.pdf - Accessed 9 Jan 2017)
 
圖4.光前置放大器(PIN)
 
下面的VBScript與PIN組件(布局:光學(xué)前置放大器(PIN))相關(guān)聯(lián)。 光學(xué)靈敏度計(jì)算方式有三種:光子每位,功率(W),功率(dBm)
帶寬比(rf)定義了濾波器帶寬與電接收機(jī)帶寬的比率(保持該比率低有助于提高接收機(jī)靈敏度)。 
 
圖4.1.光前置放大器(PIN)
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