PIC Studio功能与应用：光电探测器应用于光接收器的线性度与灵敏度分析

  光电探测器是光接收器的主要器件之一，用来将光功率转换为电流。根据系统的性能目标，可以选用PIN或APD（雪崩光电二极管）光电探测器。误码率（BER）是用于指定通信传输系统可靠性的主要指标，通常与接收机灵敏度值相关，该值定义了必须到达光电探测器的最小平均光功率，以实现所需的BER性能。另外，信道的Q值可以从采样的信号统计中计算出来，并用于估计系统的误码率。光电探测器在定义基本通信系统的最终灵敏度方面起着重要的作用，因为它以散弹噪声和热噪声的形式提供统计扰动，并引入了暗电流及定义响应率来衡量每单位输入功率获得多少电输出。这些特性取决于入射光的波长和传感器的材料特性和物理设计。读者可依照本文，用pLogic 搭建链路，通过 pSim进行链路仿真，如下图，两者均为国产EDA软件 PIC Studio光电融合设计全流程的模块。

图1：国产EDA软件 PIC Studio光电融合设计全流程

  链路功能说明

  线性度和灵敏度是衡量PIN型光电探测器性能的两个重要参数。下面，分为两部分，第一部分是介绍如何获得PIN型光电探测器的线性度。第二部分是PIN型光电探测器的灵敏度。

  关于线性度，利用pLogic搭建链路如下图所示，使用两个连续激光器（CWL_1、CWL_ 2）作为光源发射到2x2定向耦合器（C_1）中。为了产生拍频，在两个连续激光器之间施加一点频率差。通过C_1后，光衰减器（ATT_1）用于衰减光功率。Pin光电检测器（Pin_1）用于检测接收信号并将信号类型从光信号转换为电信号（O-E转换）。DC块（HPF_1）用于滤除低频噪声。电放大器（AMP_1）用于增强光功率并产生一阶/三阶非线性效应。电叉（fork_1）用于将信号从一个端口分离到两个端口。最后，使用两个矩形带通滤波器（BPF_1、BPF_ 2）分别滤除一阶和三阶信号。两个功率表（PWM_1、PWM_2）用于测量电功率。

图 2：通过pLogic原理图工具完成PIN型光电探测器线性度参数获取链路

  关于灵敏度， 如下图所示伪随机比特序列（PRBS_1）和不归零码（NRZ_1），用于产生随机通断键控（OOK）信号。经过NRZ_1后，一部分信号发送给眼图作为参考信号，另一部分作为接收信号发送到光幅度调制器（AM_1），通过整个系统到达眼图。连续波激光器（CWL_1）作为光源发射到光幅度调制器的光端口。光衰减器（ATT_1）用于衰减光功率。光功率计（OPWM_1）用于监测光功率。信号调制后，pin探测器（pin_1）用于将信号从光信号转换为电信号。低通贝塞尔滤波器（LPF_1）用于滤除高频信号。最后，利用眼图分析传输信号的质量。

图 3：通过pLogic原理图工具完成PIN型光电探测器灵敏度参数获取链路

  工作原理说明

  在 pLogic 可视化原理图工具中连接每个器件，通过 pSim执行仿真。结果窗口会显示一阶功率为2.736 dBm，三阶功率为-99.191 dBm。经过处理后得到HOIP3，如图所示，红线和蓝线的交点是HOIP3。

图 4：通过 pSim得到PIN型光电探测器线性度仿真结果

  关于灵敏度，同样在 pLogic 中连接器件调用 pSim 进行仿真如下图。眼图结果表明判决瞬间为5.47 ns，门限电平为0.68 uV，消光比为16.03 dB，眼图开度为0.86，眼宽为7.43 ns，最小误码率为2.20e-12，最大Q因子为6.92。

图 5：通过 pSim得到PIN型光电探测器灵敏度仿真结果