PIC Studio功能與應用：光電探測器應用于光接收器的線性度與靈敏度分析

  光電探測器是光接收器的主要器件之一，用來將光功率轉換為電流。根據系統的性能目標，可以選用PIN或APD（雪崩光電二極管）光電探測器。誤碼率（BER）是用于指定通信傳輸系統可靠性的主要指標，通常與接收機靈敏度值相關，該值定義了必須到達光電探測器的最小平均光功率，以實現所需的BER性能。另外，信道的Q值可以從采樣的信號統計中計算出來，并用于估計系統的誤碼率。光電探測器在定義基本通信系統的最終靈敏度方面起著重要的作用，因為它以散彈噪聲和熱噪聲的形式提供統計擾動，并引入了暗電流及定義響應率來衡量每單位輸入功率獲得多少電輸出。這些特性取決于入射光的波長和傳感器的材料特性和物理設計。讀者可依照本文，用pLogic 搭建鏈路，通過 pSim進行鏈路仿真，如下圖，兩者均為國產EDA軟件 PIC Studio光電融合設計全流程的模塊。

圖1：國產EDA軟件 PIC Studio光電融合設計全流程

  鏈路功能說明

  線性度和靈敏度是衡量PIN型光電探測器性能的兩個重要參數。下面，分為兩部分，第一部分是介紹如何獲得PIN型光電探測器的線性度。第二部分是PIN型光電探測器的靈敏度。

  關于線性度，利用pLogic搭建鏈路如下圖所示，使用兩個連續激光器（CWL_1、CWL_ 2）作為光源發射到2x2定向耦合器（C_1）中。為了產生拍頻，在兩個連續激光器之間施加一點頻率差。通過C_1后，光衰減器（ATT_1）用于衰減光功率。Pin光電檢測器（Pin_1）用于檢測接收信號并將信號類型從光信號轉換為電信號（O-E轉換）。DC塊（HPF_1）用于濾除低頻噪聲。電放大器（AMP_1）用于增強光功率并產生一階/三階非線性效應。電叉（fork_1）用于將信號從一個端口分離到兩個端口。最后，使用兩個矩形帶通濾波器（BPF_1、BPF_ 2）分別濾除一階和三階信號。兩個功率表（PWM_1、PWM_2）用于測量電功率。

圖 2：通過pLogic原理圖工具完成PIN型光電探測器線性度參數獲取鏈路

  關于靈敏度， 如下圖所示偽隨機比特序列（PRBS_1）和不歸零碼（NRZ_1），用于產生隨機通斷鍵控（OOK）信號。經過NRZ_1后，一部分信號發送給眼圖作為參考信號，另一部分作為接收信號發送到光幅度調制器（AM_1），通過整個系統到達眼圖。連續波激光器（CWL_1）作為光源發射到光幅度調制器的光端口。光衰減器（ATT_1）用于衰減光功率。光功率計（OPWM_1）用于監測光功率。信號調制后，pin探測器（pin_1）用于將信號從光信號轉換為電信號。低通貝塞爾濾波器（LPF_1）用于濾除高頻信號。最后，利用眼圖分析傳輸信號的質量。

圖 3：通過pLogic原理圖工具完成PIN型光電探測器靈敏度參數獲取鏈路

  工作原理說明

  在 pLogic 可視化原理圖工具中連接每個器件，通過 pSim執行仿真。結果窗口會顯示一階功率為2.736 dBm，三階功率為-99.191 dBm。經過處理后得到HOIP3，如圖所示，紅線和藍線的交點是HOIP3。

圖 4：通過 pSim得到PIN型光電探測器線性度仿真結果

  關于靈敏度，同樣在 pLogic 中連接器件調用 pSim 進行仿真如下圖。眼圖結果表明判決瞬間為5.47 ns，門限電平為0.68 uV，消光比為16.03 dB，眼圖開度為0.86，眼寬為7.43 ns，最小誤碼率為2.20e-12，最大Q因子為6.92。

圖 5：通過 pSim得到PIN型光電探測器靈敏度仿真結果