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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 倒序阅读 楼主  发表于: 2022-07-27

    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)。

    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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