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Optisystem應用：光電檢測器靈敏度建模 |
| 時間:2022-03-05 19:18來源:未知作者: infotek點擊:次列印 |
任何光接收機的主要工作部件之一是光電檢測器（其將光功率轉換成電流）。根據系統性能目標，可以使用PIN或APD（雪崩光電二極體）光電探測器。
誤碼率（BER）是用於確定通信傳輸系統可靠性的主要指標，通常與接收機靈敏度值相關聯，該靈敏度值定義必須到達光電檢測器以實現所需BER性能的最小平均光功率。 或者，可以從採樣信號統計中計算通道的Q因數，並用於估計系統BER（OptiSystem支援兩種計算方法）。
光電探測器在定義基本通信系統的最終靈敏度方面起著重要作用，因為它以散粒（基於量子）和熱雜訊的形式提供統計擾動。它還引入了暗電流（可以看作是直流雜訊），並且具有定義的回應度（一種測量每單位功率輸入獲得多少電輸出），其取決於入射光的波長和感測器的材料特性以及物理設計。 除了這些效應之外，由於存在結電容並且需要連接到負載電阻器來測量接收信號，所以光電檢測器還表現出頻率依賴性的傳遞函數（在這個分析中，假定傳遞函數是理想的）。
以下四個示例演示如何設置和測量（使用OptiSystem）PIN和APD強度調製直接檢測（IM-DD）系統的接收機靈敏度，特別是：
量子受限理想PIN光電探測器
熱雜訊受限PIN光電探測器
熱雜訊和散粒雜訊APD的性能
具有光學前置放大的PIN光電探測器
本案例的參考文件是: PIN and APD Receiver Sensitivity Analysis Version 1_0 24 Jan 17.osd.
1.理想光電探測器（PIN）
測試配置如下：位元速率：10 Gb / s; 波長= 1550nm; PIN回應度：1 A / W; 暗電流= 0 nA; 序列長度= 1048576。
由於接收機是理想的，它的唯一噪音源是PIN散粒（量子）雜訊 - 熱雜訊已被禁用。 當預期的邏輯1（ON信號）看不到光子（泊松統計）時，接收機將發出錯誤。 資料恢復元件的絕對閾值設置為1E-12以驗證此條件。
實現給定BER所需的光子/位的最小數量可以計算如下：BER = 1/2 * exp（-2 * N）其中N是每位元的光子的平均數。 對於下面的例子，衰減器設置為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。
對於下面的模擬運行，BER測試集顯示檢測到三個誤碼（LOG（BER）= -5.54）
參考：L. Kazovsky，S.Benedetto，A. Willner，Optical Fiber Communication Systems，Artech House（1996），pp.299-200。
圖1：理想光電接收機（PIN）
2.熱雜訊受限PIN
在本例中，PIN光電二極體（Q = 7，BER = 1E-12）的接收靈敏度基於以下配置確定：位元速率：100 Mb / s; 波長= 1550nm; 負載電阻：100歐姆; 溫度= 300K; PIN回應度：0.95 A / W
在這種情況下，主要噪音源是PIN熱雜訊（熱雜訊電流= 91 nA）。 所需的接收機靈敏度約為-31.7 dBm。
注意：在參考中，負載電阻設置為200歐姆。 作為額外的放大器，REF（包括電後置放大器的模型）中包含3 dB的雜訊係數，我們將負載電阻降低到100，以將雜訊係數增加2倍。
參考: Keiser, Gerd; “Optical Fiber Communications”, 4th Ed., Tata McGraw Hill, 2008 (pp 261-262)
圖2：熱雜訊受限（PIN）
組件腳本功能可用於執行自訂計算和結果。 如果需要，可以訪問設計圖上任何元件的參數或結果，並將其用作計算的輸入。
下面的VBScript與PIN組件相關聯。 首先計算接收信號Q，然後基於目標Q（也可以使用測量的Q）來計算接收機靈敏度。
要訪問元件腳本，請按右鍵元件，然後從下拉式功能表中選擇元件腳本
圖2.1.熱雜訊限制（PIN）
3.熱/雜訊散粒雜訊（APD）
在本例中，APD光電二極體（Q = 7，BER = 1e-12）的接收靈敏度是根據以下配置確定的：位元速率：100Mb / s; 波長= 1550nm; 負載電阻：100歐姆; 溫度= 300K; PIN回應度：0.95 A / W; 增益（M）= 10; F（M）= 5。
在這種情況下，主要噪音源仍然是APD熱雜訊（熱雜訊電流= 100 nA），但是由於APD增益和因數導致散粒雜訊增加（散粒雜訊電流= 21 nA）。 然而，與PIN模式相比，信號也經歷增益，整體性能得到改善（所需的接收機靈敏度約為-42dBm）。
注意：在參考中，負載電阻設置為200歐姆。 作為額外的放大器，REF（包括電後置放大器的模型）中包含3 dB的雜訊係數，我們將負載電阻降低到100，以將雜訊係數增加兩倍。
參考: Keiser, Gerd; “Optical Fiber Communications”, 4th Ed., Tata McGraw Hill, 2008 (pp 261-262)
圖3.熱雜訊散粒雜訊（APD）
4.帶有前置放大器的PIN
在本例中，PIN光電二極體與前置放大器（Q = 7，BER = 1e-12）的接收靈敏度基於以下配置進行建模：位元速率：100 Mb / s; 波長= 1550nm（193.4145THz）; OA增益= 30dB; OA_NF = 4 dB; 光濾波器BW =位元速率* 2; PIN回應度：0.95 A / W; 接收機BW =位元速率
在這種情況下，主噪音源被假定為信號ASE拍頻雜訊（因為我們在OA之後應用通道濾波器，ASE-ASE拍頻雜訊可以被忽略）。
熱雜訊也被忽略，但是通常會在接收機的光功率低（小於1mW）的情況下惡化。
接收機靈敏度計算如下: RcvrSenPwr = NFLinear*h*Freq*RxBW*(Q^2 + Q(rf-0.5)^0.5
參考: 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)
圖4.光前置放大器（PIN）
下面的VBScript與PIN組件（佈局：光學前置放大器（PIN））相關聯。 光學靈敏度計算方式有三種：光子每位，功率（W），功率（dBm）
頻寬比（rf）定義了濾波器頻寬與電接收機頻寬的比率（保持該比率低有助於提高接收機靈敏度）。
圖4.1.光前置放大器（PIN）
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