光纤通信系统设计实例

1光纤通信系统设计1概述FIBERMODULATORCARRIERSOURCECHANNELCOUPLERMESSAGEORIGINTRANSMITTEROPTICALAMPLIFIERREPEATERORAMPOPTICALAMPLIFIERDETECTORAMPLIFERPROCESSINGFIBERMESSAGEOUTRECEIVERINFORMATIONCHANNEL图1.1标准光纤通信系统架构2模拟系统设计EquationChapter2Section1光纤系统中，各组件的累加损耗应足够低以符合探测器的阈值要求。模拟系统中，充足的功率意味着高SNR，另外，组件的组合应该提供足够的带宽以通过较高的调制频率，因此，应对单个器件的损耗和带宽进行分析，并计算整个系统的功率分配和带宽预算。2.1系统规格2.1.1初始方案以设计简单的点对点视频系统为例，电视广播信号的带宽为6MHz，要求SNR为50dB。表2.1系统方案一：窄带宽和低功率CarrierSourceLED0.8-0.9um2InformationChannelMMF(SIorGRIN)DetectorPIN-PD表2.2系统方案二：高带宽和高功率CarrierSourceLD1.3umInformationChannelSMFDetectorAPD2.1.2负载电阻计算已知PIN-PD的电容dC和传输带宽3dBf，根据方程3dBLd1f2RC(2.1)求得负载电阻LR1Ld3dB1126R2Cf25106105305(2.2)取LR近似值5100，计算得3dBf为6.24MHz。2.2功率预算2.2.1平均光功率计算标准的SNR方程是22LnLDm2MePhfRSNM2eRfIephf4kTf(2.3)由于使用PIN-PD作为光电探测器，假设系统是热噪声限系统，调制系数m为100%，SNR方程简化为2Le0.5PRSN4kTf(2.4)3由于放大器噪声的存在，将实际温度T替换为等效噪声温度eT，假设环境温度T为300K，放大器噪声系数F为2，则eTFT600K，又已知PD响应率为0.5AW，计算平均光功率P为2365241.38106006.241010P0.50.551005.7W(2.5)取P近似值为6W。2.2.2平均光电流计算根据平均光功率P为6W，计算得PIN-PD的平均光电流IP3A，远大于暗电流（几个纳安），因此系统中暗电流的影响可以忽略，计算热噪声电流均方值2362NTL241.38106006.24104kTfiR510040.5144nA(2.6)散粒噪声电流均方值2NS19662i2eIf21.6103106.24105.9904nA(2.7)可以得到，热噪声功率是散粒噪声功率的近7倍，符合最开始采用热噪声限模型的假设。预测平均光电流为3A时，并没有驱动探测器进入非线性区，最大饱和电流等于偏置电压与负载电阻的比值，使用5V偏压时，最大允许电流为4551009.810A（或980A），远远大于3A，系统不存在饱和问题。2.2.3详细方案光源SELEDdcrise0.85m,P1mW,t12ns,f35nm,d50m光纤SIMMF3dBcoreNA0.24,fL33MHzkm,5dBkm,r50mGRINMMF3dBcoreNA0.24,fL500MHzkm,5dBkm,r50m42.2.4功率分配与链路长度计算使用dBm单位进行功率计算，光源功率为0dBm（1mW），探测器需要-22.2dBm（6W），意味着从光源到光探测器间各组件总损耗不应超过22.2dB。阶跃折射率光纤与光源的耦合损耗为2NA0.057612.4dB(2.8)根据方程2NA2(2.9)可知渐变折射率光纤的耦合损耗多3dB，使用GRIN光纤的耦合损耗为15.4dB，在光纤的入射端和出射端分别存在0.2dB的反射损耗。假设光纤链路只有两个连接器（分别位于发射机和接收机），分别存在1dB的损耗。因此预留给SI光纤的损耗为22.2-12.4-0.4-2=7.4dB，预留给GRIN光纤的损耗为4.4dB。850nm处的衰减为5dB/km，将SI光纤的长度限制在7.45/5=1.48km，1公里长的光纤还剩余2.4dB的空间；对于GRIN光纤最大链路长度为4.4/5=0.88km=880m。2.3带宽预算带宽预算应结合光源、光纤和光探测器的特性进行综合计算，通常根据上升时间和带宽信息来进行系统的初始设计。2.3.1上升时间计算系统、光源、光纤和光探测器的上升时间，通过以下方程联系2222SLSFPDtttt(2.10)对于系统和光纤来说，从上升时间到带宽的转换通过以下方程实现3dBr0.35ft(2.11)由于系统的信号带宽为6MHz，则系统的上升时间6st0.3561058.3ns。根据上升时间（PN结自由电子迁移称为转移时间）的计算方程rLdt2.19RC(2.12)5得到PIN-PD的上升时间为12PDLdt2.19RC2.19510051055.8ns(2.13)PD的上升时间远大于典型的器件的转移时间限制（约1ns），因此该探测器是电路限制。在本例中，接收机电路占用了大部分上升时间预算，这种分配方式可以通过降低负载电阻LR改变（但这样做会降低接收机灵敏度，增加功率要求），LED的上升时间是12ns，根据方程可以计算光纤的上升时间范围2222222FSLSPDtttt58.31255.8141(2.14)要求Ft11.9ns。在讨论光纤的带宽——距离允许值前，需要对以下问题进行梳理，方程(2.11)中描述的截止频率是电功率降至最大值一半时的带宽，然而计算光纤带宽时，应该使用光功率的3dB来计算，事实上当光功率下降一半时，在末端探测器