光纤通信系统设计实例

光纤通信系统设计

1 概述

TRANSMITTER

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

1

2

表2.2 系统方案二：高带宽和高功率

2.1.2 负载电阻计算

已知PIN-PD 的电容d C 和传输带宽3dB f -，根据方程

3dB L d

1

f 2R C -=

π (2.1)

求得负载电阻L R

()

()()1

L d 3dB 1

126

R 2C f 25106105305----=π⎡⎤=π⨯⨯⎣⎦=Ω

(2.2)

取L R 近似值5100Ω，计算得3dB f -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

()()()2

2L n L D m 2M eP hf R S

N M 2eR f I ep hf 4kT f

η=∆+η+∆ (2.3) 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

L

e 0.5P R S N 4kT f

ρ=∆ (2.4)

3

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e T ，假设环境温度T 为300K ，放大器噪声系数F 为2，则e T FT 600K ==，又已知PD 响应率ρ为0.5A W ，计算平均光功率P 为

P 5.7W

=

=μ (2.5)

取P 近似值为6W μ。 2.2.2 平均光电流计算

根据平均光功率P 为6W μ，计算得PIN-PD 的平均光电流I P 3A =ρ=μ，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

()()236

2

NT

L 2

41.38106006.24104kT f i

R 5100

40.5144nA -⨯⨯∆==

= (2.6)

散粒噪声电流均方值

()()()2NS 19662

i 2eI f

21.610310 6.24105.9904nA --=∆=⨯⨯⨯= (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3A μ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459.810A -=⨯（或980A μ），远远大于3A μ，系统不存在饱和问题。 2.2.3 详细方案

4

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 （6W μ），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

()2NA 0.057612.4dB η== (2.8)

根据方程

2NA 2η=

(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

2222

S LS F PD t t t t =++

(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

3dB r

0.35

f t -=

(2.11)

由于系统的信号带宽为6MHz ，则系统的上升时间6s t 0.3561058.3ns =⨯=。 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

r L d t 2.19R C =

(2.12)

5

得到PIN-PD 的上升时间为

()()12PD L d t 2.19R C 2.19510051055.8ns -==⨯= (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L R 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

2222222

F S LS PD

t t t t 58.31255.8141

=--=--= (2.14)

要求F t 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