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    [转载]Optisystem应用:光电检测器灵敏度建模 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2018-05-29
    简介 5CAR{|a  
    (_* wt]"'  
    任何光接收机的主要工作部件之一是光电检测器(其将光功率转换成电流)。根据系统性能目标,可以使用PIN或APD(雪崩光电二极管)光电探测器。 Ct$82J  
    '+<(;2Z vL  
    误码率(BER)是用于确定通信传输系统可靠性的主要指标,通常与接收机灵敏度值相关联,该灵敏度值定义必须到达光电检测器以实现所需BER性能的最小平均光功率。 或者,可以从采样信号统计中计算信道的Q因子,并用于估计系统BER(OptiSystem支持两种计算方法)。 Ju@Q6J5  
    0f ER*.F  
    光电探测器在定义基本通信系统的最终灵敏度方面起着重要作用,因为它以散粒(基于量子)和热噪声的形式提供统计扰动。它还引入了暗电流(可以看作是直流噪声),并且具有定义的响应度(一种测量每单位功率输入获得多少电输出),其取决于入射光的波长传感器材料特性以及物理设计。 除了这些效应之外,由于存在结电容并且需要连接到负载电阻器来测量接收信号,所以光电检测器还表现出频率依赖性的传递函数(在这个分析中,假定传递函数是理想的)。 ')+0nPV  
    '%v#v3'  
    以下四个示例演示如何设置和测量(使用OptiSystem)PIN和APD强度调制直接检测(IM-DD)系统的接收机灵敏度,特别是: Fb2%!0i  
    量子受限理想PIN光电探测器 '#\D]5  
    热噪声受限PIN光电探测器 UVf\2\Y  
    热噪声和散粒噪声APD的性能 B68H&h]D#'  
    具有光学前置放大的PIN光电探测器 rl:KJ\*D  
    本案例的参考文件是: PIN and APD Receiver Sensitivity Analysis Version 1_0 24 Jan 17.osd. 4yMW^:@  
    b hjZ7=  
    1.理想光电探测器(PIN) 1;u4X`8  
    Hv#q:R8  
    测试配置如下:位速率:10 Gb / s; 波长= 1550nm; PIN响应度:1 A / W; 暗电流= 0 nA; 序列长度= 1048576。 D)='8jV7  
    由于接收机是理想的,它的唯一噪声源是PIN散粒(量子)噪声 - 热噪声已被禁用。 当预期的逻辑1(ON信号)看不到光子(泊松统计)时,接收机将发出错误。 数据恢复组件的绝对阈值设置为1E-12以验证此条件。 dAx96Og:X"  
    实现给定BER所需的光子/位的最小数量可以计算如下:BER = 1/2 * exp(-2 * N)其中N是每位的光子的平均数。 对于下面的例子,衰减器设置为58.1 dB(平均光子每位≈6)。 所得到的期望量子限制性能是LOG(BER)= -5.51。 jm>3bd  
    对于下面的模拟运行,BER测试集显示检测到三个误码(LOG(BER)= -5.54) 'p)Q68;&  
    参考:L. Kazovsky,S.Benedetto,A. Willner,Optical Fiber Communication Systems,Artech House(1996),pp.299-200。 ]/]ju$l9Z  
    )J/HkOj"V  
    ;mm!0]V  
    图1:理想光电接收机(PIN) a7H0!9^h  
    OQ_stE2i  
    2.热噪声受限PIN h~HB0^|  
    c yQ(fIYl  
    在本例中,PIN光电二极管(Q = 7,BER = 1E-12)的接收灵敏度基于以下配置确定:位速率:100 Mb / s; 波长= 1550nm; 负载电阻:100欧姆; 温度= 300K; PIN响应度:0.95 A / W U` R;P-  
    在这种情况下,主要噪声源是PIN热噪声(热噪声电流= 91 nA)。 所需的接收机灵敏度约为-31.7 dBm。 ~M ?|Vn  
    注意:在参考中,负载电阻设置为200欧姆。 作为额外的放大器,REF(包括电后置放大器的模型)中包含3 dB的噪声系数,我们将负载电阻降低到100,以将噪声系数增加2倍。 2x$x; \*j  
    参考: Keiser, Gerd; “Optical Fiber Communications”, 4th Ed., Tata McGraw Hill, 2008 (pp 261-262) ]XUl@Y.   
    #/J 'P[z  
    t> Q{yw  
    图2:热噪声受限(PIN) g: %9jf  
    l_FGZ!7  
    组件脚本功能可用于执行自定义计算和结果。 如果需要,可以访问设计图上任何组件的参数或结果,并将其用作计算的输入。 XOr fs sj  
    下面的VBScript与PIN组件相关联。 首先计算接收信号Q,然后基于目标Q(也可以使用测量的Q)来计算接收机灵敏度。 kL{;.WsB  
    要访问组件脚本,请右键单击组件,然后从下拉菜单中选择组件脚本 t\U$8l_;  
    lhn8^hOJ/  
       &R$Q\ ,  
    图2.1.热噪声限制(PIN) ?z`MPdO  
    _45cH{$sA  
    3.热/噪声散粒噪声(APD) fhpX/WE6  
    C;1PsSE+A  
    在本例中,APD光电二极管(Q = 7,BER = 1e-12)的接收灵敏度是根据以下配置确定的:位速率:100Mb / s; 波长= 1550nm; 负载电阻:100欧姆; 温度= 300K; PIN响应度:0.95 A / W; 增益(M)= 10; F(M)= 5。 %j]ST D.E  
    在这种情况下,主要噪声源仍然是APD热噪声(热噪声电流= 100 nA),但是由于APD增益和因子导致散粒噪声增加(散粒噪声电流= 21 nA)。 然而,与PIN模式相比,信号也经历增益,整体性能得到改善(所需的接收机灵敏度约为-42dBm)。 N} />rD  
    注意:在参考中,负载电阻设置为200欧姆。 作为额外的放大器,REF(包括电后置放大器的模型)中包含3 dB的噪声系数,我们将负载电阻降低到100,以将噪声系数增加两倍。 ol!86rky  
    参考: Keiser, Gerd; “Optical Fiber Communications”, 4th Ed., Tata McGraw Hill, 2008 (pp 261-262) m$UvFP1>u1  
    /MMtTB H  
    (*^DN{5  
       vx0UoKX  
    图3.热噪声散粒噪声(APD) ?_4^le[;  
    a#(U2OP  
    4.带有前置放大器的PIN 7s>a2  
    y]qsyR18i  
    在本例中,PIN光电二极管与前置放大器(Q = 7,BER = 1e-12)的接收灵敏度基于以下配置进行建模:位速率:100 Mb / s; 波长= 1550nm(193.4145THz); OA增益= 30dB; OA_NF = 4 dB; 光滤波器BW =位速率* 2; PIN响应度:0.95 A / W; 接收机BW =位速率 P;foK)AM  
    在这种情况下,主噪声源被假定为信号ASE拍频噪声(因为我们在OA之后应用信道滤波器,ASE-ASE拍频噪声可以被忽略)。 Z}Cqd?_')  
    热噪声也被忽略,但是通常会在接收机的光功率低(小于1mW)的情况下恶化。 3l:XhLOj  
    接收机灵敏度计算如下: RcvrSenPwr = NFLinear*h*Freq*RxBW*(Q^2 + Q(rf-0.5)^0.5 w-FnE}"l  
    参考: 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) v+q<BYq  
    Y^lQX~I2{  
    N)OCSeh  
    图4.光前置放大器(PIN) ?9?4p@  
    W}gVIfe  
    下面的VBScript与PIN组件(布局:光学前置放大器(PIN))相关联。 光学灵敏度计算方式有三种:光子每位,功率(W),功率(dBm) =3+L#P=i9  
    带宽比(rf)定义了滤波器带宽与电接收机带宽的比率(保持该比率低有助于提高接收机灵敏度)。 u*R7zY  
    `"<2)yq?  
    G\rj?%  
    图4.1.光前置放大器(PIN)
     
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    只看该作者 1楼 发表于: 2018-05-29
    学习一下,感谢分享。
    离线yongpeng123
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    只看该作者 2楼 发表于: 2018-08-30
    好文,辛苦了!
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    只看该作者 3楼 发表于: 2018-10-23
    讲的很好,感谢分享