光纤通信系统设计
1 概述
TRANSMITTERMESSAGEORIGINCARRIERSOURCEFIBERINFORMATIONCHANNELCHANNELCOUPLERMODULATOROPTICALAMPLIFIERREPEATEROR AMPFIBEROPTICALAMPLIFIERDETECTORAMPLIFERPROCESSINGMESSAGEOUTRECEIVER 图1.1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
2.1.1 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 Source LED 1
0.8-0.9um Information Channel Detector MMF (SI or GRIN) PIN-PD
表2.2系统方案二：高带宽和高功率
Carrier Source Information Channel Detector LD SMF APD 1.3um 2.1.2 负载电阻计算
已知PIN-PD的电容Cd和传输带宽f3?dB，根据方程
f3?dB?1(2.1)
2?RLCd求得负载电阻RL
RL??2?Cdf3?dB??1?1
?126??2?5?106?10???????
(2.2)
?5305?取RL近似值5100?，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
m22??M?ePhf?RL?S?n(2.3) NM2eRL?f?ID??ephf??4kT?f2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
S0.5??P?RL? N4kTe?f2
2(2.4)
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Te，假设环境温度T为300K，放大器噪声系数F为2，则Te?FT?600K，又已知PD响应率?为0.5AW，计算平均光功率P为
P?4?1.38?10?23??600??6.24?106??105?0.5?0.5??5100?2 (2.5)
?5.7?W取P近似值为6?W。 2.2.2 平均光电流计算
根据平均光功率P为6?W，计算得PIN-PD的平均光电流I??P?3?A，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
i2NT?2364kT?f4?1.38?10?600?6.24?10??? RL5100 (2.6)
?40.5144nA2散粒噪声电流均方值
i2NS?2eI?f?2?1.6?10?19??3?10?6??6.24?106? ?5.9904nA2 (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3?A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55100?9.8?10?4A（或980?A），远远大于3?A，系统不存在饱和问题。 2.2.3 详细方案
光源 SE LED SI MMF 光纤 GRIN MMF ??0.85?m,Pdc?1mW,trise?12ns,?f?35nm,d?50?m NA?0.24,f3?dB?L?33MHz?km,??5dBkm,rcore?50?m NA?0.24,f3?dB?L?500MHz?km,??5dBkm,rcore?50?m 3
2.2.4 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（6?W），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
??NA2?0.0576?12.4dB?(2.8)
根据方程
??NA22 (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
222tS?t2?t?tLSFPD
(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
f3?dB?0.35 tr(2.11)
由于系统的信号带宽为6MHz，则系统的上升时间ts?0.356?106?58.3ns。 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
tr?2.19RLCd
4
(2.12)
得到PIN-PD的上升时间为
tPD?2.19RLCd?2.19?5100??5?10?12??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，根据方程可以计算光纤的上升时间范围
要求tF?11.9ns。
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
222222t2?t?t?t?58.3?12?55.8FSLSPD?141 (2.14)
5
光纤通信系统设计实例
