APD中噪声的分析与仿真

课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目:APD中噪声的分析与仿真初始条件：计算机、optisystem软件要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：2周技术要求：（1）学习optisystem软件。（2）设计一光通信系统，观察APD中噪声对系统的影响（3）对光学系统进行optisystem软件仿真工作。2、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：2010.1.11集中，做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。2010.1.11-12查阅相关资料，并复习所设计内容的基本理论知识。2010.1.13-21学习optisystem软件，对光学系统进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。2010.1.22提交课程设计报告，并进行答辩。指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日摘要OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LANS和MANS都使用。一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，OptiSystem具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，而成为一系列广泛使用的工具。全面的图形用户界面控制光子器件设计、器件模型和演示。本次课程设计就是利用该软件分析APD中噪声对系统的影响并调试仿真。关键字：光检测器光纤仿真误码率AbstractOptiSystemisaninnovativeopticalcommunicationsystemsimulationpackage,whichcombinesdesign,testandoptimizealltypesofbroadbandopticalnetworkphysicallayerfunctionssuchasvirtualopticalconnectioninone,fromthelong-distancecommunicationsystemstoLANSandMANSuse.Anopticalfibercommunicationsystemmodelbasedontheactualsystem-levelsimulator,OptiSystemapowerfulsimulationenvironmentandrealcomponentsandsystemsforgradingdefinitions.Itsperformancecanbeattachedtotheuserdeviceinterfacelibraryandacompleteexpansion,buthavebecomeawidelyusedtool.Acomprehensivegraphicaluserinterfaceforcontrolofphotonicdevicedesign,devicemodelsandpresentations.ThecoursedesignistheuseofthesoftwareanalysisofAPDintheimpactofnoiseonthesystemanddebugthesimulation.Keywords:OpticaldetectorOpticalfibersimulationerrorrate绪论OptiSystem是加拿大Optiwave公所制作的一种目前国际上常用的光通信系统模拟软件，它包括了设计，测量，和优化多种类型的告诉光网络物理层传输特性的基本功能，可以应用于对长距离通信系统的仿真分析。作为一个系统级的模拟系统，其具有较完备的光线通信系统中常用元件的元器件模型库，并具有较好的模拟环境和实际情况接近的元器件和系统的分级定义，可以较好的帮助用户在仿真实验过程中得到与实际系统更贴近的认识。OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LANS和MANS都使用。一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，OptiSystem具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，而成为一系列广泛使用的工具。全面的图形用户界面控制光子器件设计、器件模型和演示。巨大的有源和无源器件的库包括实际的、波长相关的参数。参数的扫描和优化允许用户研究特定的器件技术参数对系统性能的影响。因为是为了符合系统设计者、光通讯工程师、研究人员和学术界的要求而设计的，OptiSystem满足了急速发展的光子市场对一个强有力而易于使用的光系统设计工具的需求。优点·投资风险大幅度降低，快速投入市场·快速、低成本的原型设计·系统性能的全面认识·辅助设计容差参数的参数灵敏性评估·面向用户的直观的设计选项和脚本·直接存取大规模的系统特征数据·自动的参数扫描和优化应用OptiSystem允许对物理层任何类型的虚拟光连接和宽带光网络的分析，从远距离通讯到MANS和LANS都适用。OptiSystem软件主要由元件库，系统框图编辑器和仿真结果演示模块等几部分组成。仿真软件的有效性很大程度上取决于元件模块能否再现真实期间的实际特性。OptiSystem元件库中包含了超过200中的被仔细测试过的元件模型，并与实际应用的结果进行了比较。同时，很多元件模型还可以让用户以实际的器件中测量得到的参数去设置元件的参数，以得到与实际更相吻合的结果。除了系统提供的元件外用户还可以基于子系统与自定义库，或者利用第三方软件来联合模拟，创建新的元件，从而可以大大扩展该系统，的应用领域。在光通信系统中，光信号和电信号混合存在，器件库中Optisystem可以处理混合信号格式。对于各种元件模型，Optisystem可以根据模拟所需的精度和效率来自动选择合适的算法进行计算。如果系统结构决定了能够对两个元件同时进行计算，那么该软件还能够在不同的线程中对其进行并行计算。1.APD光检测器光检测器又称光探测器或光检波器，按作用原理又可分为热器件和光子器件。光纤通信系统采用光谱很窄的单色光源，要求检测器具有波长选择性，故光纤通信系统的检测器都采用光子器件，光纤通信系统的接收机都采用光伏型光检测器——结型光电二极管。随着光通信技术的迅速发展，作为光纤通信技术重要组成部分的高速光信号检测技术近些年也得到了长足发展。高速光检测器是数字光纤通信接收机的核心器件，是光接收机前端以及光信号和电信号转换界面不可缺少的组成部分，光检测器在光接收机中的作用是将收到的微弱光信号转换为电信号。光检测器性能的好坏直接影响光接收机的主要技术指标。随着光通信技术的飞速发展，作为光纤通信重要组成部分的高速高灵敏度的光检测器和光接收机将发挥更加重要的作用。光检测器分为PIN光检测器和APD光检测器，PIN光检测器由较高掺杂的P区，N区和半导体本征区组成。当加上反偏电压时。其内部产生耗尽层，当光子能量大于半导体禁带宽度的光入射到器件表面时，将产生电子——空穴对。在外加电场作用下形成光生电流。PIN光检测器具有很低的噪声，但不能放大信号。Am在反向偏置电压下。光生的载流子在耗尽层会由于碰撞产生雪崩增益。从而导致光信号被放大。PIN对光信号无放大功能。与PIN光检测器相比，APD由于雪崩增益而使器件的带宽有所下降，但APD的灵敏度比PIN高。光纤通信1．3～1．6脚长波长使用的APD结构称为SAGM，它是一种异质结构，能改善光检测器的许多特性，增益高，噪声低而被广泛使用。2.APD光检测器的噪音分析2.1实验内容利用Optisystem设计一光通信系统，测试ADP光检测器中的噪声对系统的影响，并且进行仿真。2.2系统参数设置1.新建一个项目，点击空白页面，将BITRATE改为10Gb/s。方法：File-New；如图1。图1：新建项目2.搭建直接调制系统，如图2。图2：光纤数字直接调制系统仿真框图该系统所用到的光电元件及其所在的目录路径为：(1).TransmittersLibrary-BitSequenceGenerators-PseudoRandomBitSequenceGeneratou(伪随机码产生器)用于产生系统传输的数据码流，其输出为数字类型的数据。(2).TransmittersLibrary-PulseGenerators-NRZPulseGenerators(NRZ脉冲产生器)其以伪随机码产生器的输出为输入，将数字信号转化为非归零码形式的电脉冲信号。(3).TransmittersLibrary-OpticalSource-DirectlyModulatedLaserMeasured(直接调制激光器)其以NRZ脉冲产生器的输出为输入，在输入调制信号驱动下产生非归零码形式的光脉冲信号。(4).OpticalFibersLibrary-OpticalFiber(光纤)用于连接光发射机和光接收机，其输入，输出均为光信号。(5).ReceiversLibrary-Photodetectors-PhotodetectorAPD(APD光检测器)以光纤的输出为输入，将光信号转化为电信号。(6).FiltersLibrary-Electrical-LowPassBesselFilter(低通贝塞尔滤波器)以APD光检测器的输出为输入，对输入信号进行低通滤波。(7).VisualizerLibrary-Electrical-BERAnalyzer(误码率分析仪)其3个输入端口分别输入发射端的数字序列、发射端的调制信号和传输后的接收端的判决电路输入前的模拟信号。该模块可根据有关输入进行误码率的分析和眼图分析。因此它也具有一定的时域信号的分析能，这里我们也用它来测量接收机端的信号时域波形。3.设置非归零码脉冲生成器的上升时间和下降时间，如图3。图3：非归零码脉冲生成器的上升时间和下降时间设置为0.15bit4.设定接收机的灵敏度及噪声特性，如图4。将APD光检测器的Thermalnoise设置为8.8*2110W/Hz。图4：设置APD光检测器的噪声3．系统仿真图3.1噪声为8.8*2110W/Hz是的仿真图，如图5。图5：噪声为8.8*2110W/Hz是的仿真图3.2.噪声为8.8*1910W/Hz是的仿真图，如图6。图6：噪声为8.8*1910W/Hz是的仿真图3.3噪声为8.8*1710W/Hz是的仿真图，如图7。图7：噪声为8.8*1710W/Hz是的仿真图图5，图6，图7均为误码率分析仪上叠加了噪声的眼图，这样更加便于观察和分析色散造成的影响。由以上三图可以得出，当APD光检测器的噪声的噪声越来越大时，误码率分析仪的眼图越来越杂乱，甚至看不见了。由此可知，降低光检测器的噪声势在必行。小结本次课程设计是利用光学设计仿真软件Optisystem进行光通信系统的设计，利用Optisystem强大的图像和仿真功能，观察APD光检测器中的噪声对整个光通信系统的影响。同时，了解了光通信系统的基本原理和APD光检测器的工作过程，基本熟悉了Optisystem的设计与仿真。本次课设又是一种新款的光学设计仿真软件，通过这几天的学习，并通过自己的实践操作，对Optisystem这款软件有了相当程度的了解，学会了如何应用Optisystem来做一些简单的光学实验的仿真，并从仿真中得到自己想要的实验数据和图形。明白了实验的严谨性，有时候输错了一处数据，其结果就是实验的失败，所以，不论做什么实验，都要认真对待。参考文献[1]王俊.电子信息技术综合实验原理与方法.北京航空航天大学出版社，2008[2]杨祥林.光纤通信工程.国防工业出版社，2000[3]张志伟.光电检测技术.清华大学出版社，2005[4]萧泽.工程光学设计.电子工业出版社，2003[5]李世贤.光学设计手册.北京理工大学出版社，1993