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[技术]Optisystem应用：光电检测器灵敏度建模 [复制链接]

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只看楼主正序阅读楼主发表于: 2022-03-18

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。

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）。

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）。

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：
量子受限理想PIN光电探测器
热噪声受限PIN光电探测器
热噪声和散粒噪声APD的性能
具有光学前置放大的PIN光电探测器
本案例的参考文件是: PIN and APD Receiver Sensitivity Analysis Version 1_0 24 Jan 17.osd.

1.理想光电探测器（PIN）

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。
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。
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。
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）
参考：L. Kazovsky，S.Benedetto，A. Willner，Optical Fiber Communication Systems，Artech House（1996），pp.299-200。

图1.理想光电接收机（PIN）

2.热噪声受限PIN

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
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。
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。
参考: Keiser, Gerd; “Optical Fiber Communications”, 4th Ed., Tata McGraw Hill, 2008 (pp 261-262)

图2.热噪声受限（PIN）

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。
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。
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

图2.1.热噪声限制（PIN）

3.热/噪声散粒噪声（APD）

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。
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）。
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。
参考: Keiser, Gerd; “Optical Fiber Communications”, 4th Ed., Tata McGraw Hill, 2008 (pp 261-262)

图3.热噪声散粒噪声（APD）

4.带有前置放大器的PIN

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
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）。
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。
接收机灵敏度计算如下: RcvrSenPwr = NFLinear*h*Freq*RxBW*(Q^2 + Q(rf-0.5)^0.5
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)

图4.光前置放大器（PIN）

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）
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）。

图4.1.光前置放大器（PIN）

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