PIC Studio功能與應(yīng)用：光電探測(cè)器應(yīng)用于光接收器的線性度與靈敏度分析

  光電探測(cè)器是光接收器的主要器件之一，用來將光功率轉(zhuǎn)換為電流。根據(jù)系統(tǒng)的性能目標(biāo)，可以選用PIN或APD（雪崩光電二極管）光電探測(cè)器。誤碼率（BER）是用于指定通信傳輸系統(tǒng)可靠性的主要指標(biāo)，通常與接收機(jī)靈敏度值相關(guān)，該值定義了必須到達(dá)光電探測(cè)器的最小平均光功率，以實(shí)現(xiàn)所需的BER性能。另外，信道的Q值可以從采樣的信號(hào)統(tǒng)計(jì)中計(jì)算出來，并用于估計(jì)系統(tǒng)的誤碼率。光電探測(cè)器在定義基本通信系統(tǒng)的最終靈敏度方面起著重要的作用，因?yàn)樗陨椩肼暫蜔嵩肼暤男问教峁┙y(tǒng)計(jì)擾動(dòng)，并引入了暗電流及定義響應(yīng)率來衡量每單位輸入功率獲得多少電輸出。這些特性取決于入射光的波長(zhǎng)和傳感器的材料特性和物理設(shè)計(jì)。讀者可依照本文，用pLogic 搭建鏈路，通過 pSim進(jìn)行鏈路仿真，如下圖，兩者均為國產(chǎn)EDA軟件 PIC Studio光電融合設(shè)計(jì)全流程的模塊。

圖1：國產(chǎn)EDA軟件 PIC Studio光電融合設(shè)計(jì)全流程

  鏈路功能說明

  線性度和靈敏度是衡量PIN型光電探測(cè)器性能的兩個(gè)重要參數(shù)。下面，分為兩部分，第一部分是介紹如何獲得PIN型光電探測(cè)器的線性度。第二部分是PIN型光電探測(cè)器的靈敏度。

  關(guān)于線性度，利用pLogic搭建鏈路如下圖所示，使用兩個(gè)連續(xù)激光器（CWL_1、CWL_ 2）作為光源發(fā)射到2x2定向耦合器（C_1）中。為了產(chǎn)生拍頻，在兩個(gè)連續(xù)激光器之間施加一點(diǎn)頻率差。通過C_1后，光衰減器（ATT_1）用于衰減光功率。Pin光電檢測(cè)器（Pin_1）用于檢測(cè)接收信號(hào)并將信號(hào)類型從光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（O-E轉(zhuǎn)換）。DC塊（HPF_1）用于濾除低頻噪聲。電放大器（AMP_1）用于增強(qiáng)光功率并產(chǎn)生一階/三階非線性效應(yīng)。電叉（fork_1）用于將信號(hào)從一個(gè)端口分離到兩個(gè)端口。最后，使用兩個(gè)矩形帶通濾波器（BPF_1、BPF_ 2）分別濾除一階和三階信號(hào)。兩個(gè)功率表（PWM_1、PWM_2）用于測(cè)量電功率。

圖 2：通過pLogic原理圖工具完成PIN型光電探測(cè)器線性度參數(shù)獲取鏈路

  關(guān)于靈敏度， 如下圖所示偽隨機(jī)比特序列（PRBS_1）和不歸零碼（NRZ_1），用于產(chǎn)生隨機(jī)通斷鍵控（OOK）信號(hào)。經(jīng)過NRZ_1后，一部分信號(hào)發(fā)送給眼圖作為參考信號(hào)，另一部分作為接收信號(hào)發(fā)送到光幅度調(diào)制器（AM_1），通過整個(gè)系統(tǒng)到達(dá)眼圖。連續(xù)波激光器（CWL_1）作為光源發(fā)射到光幅度調(diào)制器的光端口。光衰減器（ATT_1）用于衰減光功率。光功率計(jì)（OPWM_1）用于監(jiān)測(cè)光功率。信號(hào)調(diào)制后，pin探測(cè)器（pin_1）用于將信號(hào)從光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。低通貝塞爾濾波器（LPF_1）用于濾除高頻信號(hào)。最后，利用眼圖分析傳輸信號(hào)的質(zhì)量。

圖 3：通過pLogic原理圖工具完成PIN型光電探測(cè)器靈敏度參數(shù)獲取鏈路

  工作原理說明

  在 pLogic 可視化原理圖工具中連接每個(gè)器件，通過 pSim執(zhí)行仿真。結(jié)果窗口會(huì)顯示一階功率為2.736 dBm，三階功率為-99.191 dBm。經(jīng)過處理后得到HOIP3，如圖所示，紅線和藍(lán)線的交點(diǎn)是HOIP3。

圖 4：通過 pSim得到PIN型光電探測(cè)器線性度仿真結(jié)果

  關(guān)于靈敏度，同樣在 pLogic 中連接器件調(diào)用 pSim 進(jìn)行仿真如下圖。眼圖結(jié)果表明判決瞬間為5.47 ns，門限電平為0.68 uV，消光比為16.03 dB，眼圖開度為0.86，眼寬為7.43 ns，最小誤碼率為2.20e-12，最大Q因子為6.92。

圖 5：通過 pSim得到PIN型光電探測(cè)器靈敏度仿真結(jié)果