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。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BEROptiSystem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OptiSystemPIN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1ON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LOGBER -5.51。对于下面的模拟运行BER测试集显示检测到三个误码LOGBER -5.54参考L. KazovskyS.BenedettoA. WillnerOptical Fiber Communication SystemsArtech House1996pp.299-200。图1.理想光电接收机PIN2.热噪声受限PIN在本例中PIN光电二极管Q 7BER 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PIN3.热/噪声散粒噪声APD在本例中APD光电二极管Q 7BER 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; FM 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APD4.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 7BER 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 1550nm193.4145THz; 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