光纤通信系统设计实例

1、光纤通信系统设计1概述MESSAGEORIGINTRANSMITTERRECEIVER图标准光纤通信系统架构2模拟系统设计Equation Chapter 2 Section 1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Carrier SourceL

2、ED0.8-0.9umInformation ChannelMMF (SI or GRIN)DetectorPIN-PD表2.2系统方案二：高带宽和高功率Carrier SourceLD1.3umInformation ChannelSMFDetectorAPD2.1.2负载电阻计算已知PIN-PD的电容Cd和传输带宽f-B，根据方程(2.1)求得负载电阻RlRL=(2KCdf3_dB)-*(2.2)= 2tu(5x1O-,2)(6x1O6)J，= 53050取Rl近似值5100Q，计算得f3_dB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S _ (nr/2)(

3、MneP/hf)2RL、N _ Mn2eRLAf (ID+Tep/hf) + 4kTAf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(2.4)S_0.5(pP)2RLN - 4kT.Af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假设环境温度T为300K,放大器噪声系数F为2,则Tc=FT = 600K,又已知PD响应率p为0.5A/W ,计算平均光功率P为4(1.38x103)(600)(6.24x106)(105)0.5(0.5)2(5100)(2.5)= 57pW取P近似值为6pWo2.2.2平均光电流计算根据平均光功率P

4、为6pW ,计算得PIN-PD的平均光电流1 = pP = 3pA ,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 4kTAf 4（1.38x10-23）600（6.24x106）(2.6)'nt = Rl =5100= 40.5144nA2散粒噪声电流均方值石=2eIAf(2.7)= 2（1.6x10_,9）（3x10"6）（6.24x106）= 5.9904nA2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3pA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，

5、使用5V偏压时，最大允许电流为5/5100 = 9.8x10-4A （或980pA ）,远远大于3pA,系统不存在饱和问题。2.2.3详细方案光源SE LEDX = 0.85pm,Pdc = lmW, trisc = 12ns, Af = 35nm,d < 50pm光纤SI MMFNA = 0.24,fB xL = 33MHzxkm,a = 5dB/km,rcorc = 50pmGRINMMFNA = 0.24, fb x L = 500MHz x km, a = 5dB/km,匸* = 50pm2.2.4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OdBm （lmW）,

6、探测器需要-22.2dBm （ 6pW ）,意味着从光源到光探测器间各组件总损耗不应超过22.2dBo阶跃折射率光纤与光源的耦合损耗为n = NA2 =0.0576（12.4dB）（2.8）根据方程(2.9)n = na2/2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 端和出射端分別存在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ldB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4.4dBu 850nm处的衰减为5dB/km,将SI光纤的长度

7、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汁算，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(20)(2.11)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匸 0.35仁、=由于系统的信号带宽为6MHz则系统的上升时间ts=0.35/6xl06 = 58.3ns o(22)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tr=2.19RLCd得到PIN-PD的上升时间为tRD=2.19RICd = 2.19(5100)(5 xl0,2) = 55.8ns(2.13)PD的上升时间远大于典型的器件的转移时间限制(约Ins),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Rl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,根据方程可以讣算光 纤的上升时间范帀=58.32-122-55.82= 141(2.1