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infotek 2025-02-20 07:58

Optisystem应用:光电检测器灵敏度建模

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。 ;tg9$P<85  
,X^I]]  
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)。 D[#6jJ Ab  
w\SfzJN  
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和传感器的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)。 ;l4 epN  
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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: )/Z% HBn  
量子受限理想PIN光电探测器 HX}9;O  
热噪声受限PIN光电探测器 Oc A;+}>  
热噪声和散粒噪声APD的性能 )a99@`L\P  
具有光学前置放大的PIN光电探测器 'z\$.L  
本案例的参考文件是: PIN and APD Receiver Sensitivity Analysis Version 1_0 24 Jan 17.osd. P~xP@? I%  
~IQ3B $4H&  
1.理想光电探测器(PIN) `YL)[t? V  
2":{3=oW~  
测试配置如下:位速率:10 Gb / s; 波长= 1550nm; PIN响应度:1 A / W; 暗电流= 0 nA; 序列长度= 1048576。 <+3-(&  
由于接收机是理想的,它的唯一噪声源是PIN散粒(量子)噪声 - 热噪声已被禁用。 当预期的逻辑1(ON信号)看不到光子(泊松统计)时,接收机将发出错误。 数据恢复组件的绝对阈值设置为1E-12以验证此条件。 r" 4u)H>  
实现给定BER所需的光子/位的最小数量可以计算如下:BER = 1/2 * exp(-2 * N)其中N是每位的光子的平均数。 对于下面的例子,衰减器设置为58.1 dB(平均光子每位≈6)。 所得到的期望量子限制性能是LOG(BER)= -5.51。 T'8d|$X  
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) ZF@T,i9  
参考:L. Kazovsky,S.Benedetto,A. Willner,Optical Fiber Communication Systems,Artech House(1996),pp.299-200。 V\|V1c  
图1.理想光电接收机(PIN)
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4rDa Jd>,  
2.热噪声受限PIN <e)u8+(  
Wks?9 )Is  
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 pA?kv]l(  
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。 ?R#?=<VkG  
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。 fC|NK+Xd`  
参考: Keiser, Gerd; “Optical Fiber Communications”, 4th Ed., Tata McGraw Hill, 2008 (pp 261-262) L@VIC|~E  
图2.热噪声受限(PIN)
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wg.TCT2  
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。 xZ84q'i"  
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。 Fm-D>PR  
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 v#X l  
  
图2.1.热噪声限制(PIN)
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D2N<a=#  
3.热/噪声散粒噪声(APD) 5oOF|IYi  
{ VK   
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。 `514HgR  
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)。 _-6IB>  
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。 M dKkj[#  
参考: Keiser, Gerd; “Optical Fiber Communications”, 4th Ed., Tata McGraw Hill, 2008 (pp 261-262) Lnk(l2~U  
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图3.热噪声散粒噪声(APD)
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4.带有前置放大器的PIN P&$ m2^K  
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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 $_5a1Lq1  
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)。 G?$0OU  
热噪声也被忽略,但是通常会在接收机的光功率低(小于1mW)的情况下恶化。 :*g3PhNE  
接收机灵敏度计算如下: RcvrSenPwr = NFLinear*h*Freq*RxBW*(Q^2 + Q(rf-0.5)^0.5 +-$Hx5  
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) D}i_#-^MH  
图4.光前置放大器(PIN)
@hVF}ybp  
Bj1{=Pvl  
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) N.1 @!\z@@  
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)。 ^.?5!9U  
图4.1.光前置放大器(PIN)
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