Расчет минимальной мощности оптического излучения на входе фотоприемника

 

Фотодиод преобразует принимаемый оптический сигнал в электрический ток, пропорциональный мощности оптического сигнала. Следующий за фотодиодом усилитель усиливает полученный токовый сигнал и преобразует его в напряжение. Как и в любой системе связи, отношение сигнал-шум на выходе оптической системы и ее характеристики определяются тем звеном оптического приемника, где принятый сигнал имеет наименьший уровень. Следовательно, характеристики этого звена являются основными при проектировании всей системы связи.

Шум обусловлен теми случайными флуктуациями тока, которые возникают в любой электронной схеме или ее элементе в силу самой природы электричества и над которыми разработчик схемы не имеет никакого контроля. Эти флуктуации накладываются на любые сигналы, проходящие через цепь, и, таким образом, маскируют их. Следует различать шумы и радиопомехи, под которыми понимают те нежелательные сигналы, которые попадают в схему от внешних источников или от других частей системы и чье воздействие всегда можно свести к минимуму хорошей компоновкой схемы и надлежащей экранировкой элементов, подверженных влиянию помех.

Электрический сигнал содержит в себе дробовый шум, поскольку он порождается в результате случайного квантового процесса детектирования оптического сигнала в фотодиоде.

Всякий рассеивающий энергию элемент системы вносит шум. Таким образом, любое сопротивление в электронной цепи приводит к появлению теплового шума (шума Джонсона), обусловленного случайным тепловым движением носителей заряда. Это движение носителей заряда можно наблюдать в виде флуктуации тока в резисторе или соответствующих ему флуктуации напряжения на его выводах.

Эквивалентная шумовая схема для фотодиода и усилителя напряжения приведена на рис.7

 

рис.7

 

На ней изображены следующие источники шума: I*дш- учитывает умноженный дробовый шум фотодиода; I*тш- учитывает тепловой шум резистивных элементов; I*вх- учитывает эквивалентный токовый источник шума усилителя; U*вх- учитывает эквивалентный шумовой источник напряжения усилителя.

Выражение для отношения сигнал-шум на выходе усилителя:

 

[6, 1, 353, 14.4.10]

 

Слагаемые

 

;

; ;

;

 

Для удобства последующего анализа каждая из пяти составляющих шума в знаменателе обозначена буквами а... д. Величина SNR определяет качество канала связи и при проектировании системы связи минимально допустимое значение отношения сигнал-шум всегда оговаривается особо.

Отношение сигнал-шум может быть увеличено за счет увеличения коэффициента умножения М до тех пор, пока учитывающее дробовой шум слагаемое в, не станет преобладать над другими слагаемыми. Поэтому здесь всегда существует оптимальное значение М.

Увеличение сопротивления высокочастотного тракта R улучшает отношение сигнал-шум, пока слагаемые а и г значительны по величине.

При наличии коррекции на высоких частотах слагаемое б становится преобладающим и шум начинает возрастать пропорционально квадрату значения входной емкости. Поэтому весьма важно минимизировать значение С.

Наличие слагаемого дробового шума в приводит к тому, что общий уровень шума на выходе усилителя будет зависеть от уровня принимаемого сигнала. Эта характерная особенность отличает оптические системы связи от других и означает, что выражение квадратично по отношению к I.

На практике предпочитают использовать усилитель с обратной связью. Его основное преимущество - отсутствие необходимости осуществлять какую-либо коррекцию. Шумы такого усилителя могут быть много меньше, чем у обычного усилителя напряжения без коррекции.

Эквивалентная шумовая схема усилителя с обратной связью:

 

рис.8

 

Источник шумового тока I*t учитывает дробовой шум, шум тока усилителя и тепловой шум резисторов смещения и входного сопротивления усилителя. Шум обратной связи V*f представляет собой простое шумовое напряжение, генерируемое на резисторе обратной связи.

Выражение для отношения сигнал-шум:

 

 [7]

 

где -спектральная плотность шума входного напряжения усилителя,

- спектральная плотность шума входного тока усилителя,

М-коэффициент лавинного умножения ЛФД,

R-входное сопротивление усилителя,

-полоса частот информационного сигнала,

С- эквивалентная емкость(сумма входной емкости диода и усилителя),

e-заряд электрона,

ID- ток диода,

Id- темновой ток диода,

F-шумовой фактор,

-температура в градусах Кельвина,

k-постоянная Больцмана

Выражение идентично [6, 1, 353, 14.4.10],если в слагаемых а и г заменить (1/R) на (1/R + 1/Roc). Заметим, что можно увеличить значение R и Roc для уменьшения влияния соответствующих источников шума без осуществления последующей коррекции. Чтобы найти ток фотоприемника, подставим в формулу [7] соответствующие параметры, для ЛФД:

 

;

;

;

;

 

Т.к. слагаемое в на 3 порядка меньше слагаемого д, то им можно пренебречь

 

 

Делая необходимые преобразования и решая квадратное уравнение относительно тока диода получим:

Найдем минимальную мощность оптического излучения на входе фотоприемника:

 

 [8, 4, 271]

где S-чувствительность фотоприемника, P-оптическая мощность,

Тогда,

Переведем мощность из Вт в дБ:

 

,

 

где

 

 

Найдем ток PIN-фотодиода:

 

;

;

;

;

 

Т.к. слагаемое в на 5 порядков меньше слагаемого д, то им можно пренебречь

 

 

Делая необходимые преобразования и решая квадратное уравнение относительно тока диода получим:

 

Найдем минимальную мощность оптического излучения на входе фотоприемника:

 

 

где S-чувствительность фотоприемника, P-оптическая мощность,

Тогда,

 

 

Переведем мощность из Вт в дБ:

 

,

 

где

 

 

По результатам расчетов, фотоприемное устройство, состоящее из ЛФД и ТрУ является оптимальным с точки зрения чувствительности при заданном коэффициенте ошибок. Сравним полученные данные с параметрами доступных фотоприемников, имеющих аналогичные величины В=1.2 Гбит/с и BER=10^-9

APD-TIA-12/25 имеет чувствительность -34 дБм при BER=10^-10

а у FWDM-1629-XX S=-32дБм при BER=10^-9

Таким образом, разработанное фотоприемное устройство с S=-31.3 дБм и BER=10^-9 не превосходит существующие аналоги. При более детальном изучении рынка можно подобрать компоненты для ФПУ с лучшими характеристиками.