PIN光電二極管的噪聲分析

1、目錄1課程設(shè)計題目12課程設(shè)計目的13課程設(shè)計時間14課程設(shè)計環(huán)境15課程設(shè)計任務(wù)和要求16課程設(shè)計原理26.1原理簡介26.2 PIN光電二極管簡述36.3設(shè)計原理47課程設(shè)計過程及調(diào)試、結(jié)果57.1設(shè)計所用器件簡介57.2器件的參數(shù)設(shè)置67.3 設(shè)計布局圖77.4調(diào)試結(jié)果圖87.5 調(diào)試結(jié)果分析108課程設(shè)計過程中遇到的問題、解決方法109課程設(shè)計體會11參考文獻(xiàn)121課程設(shè)計題目PIN光電二極管的噪聲分析2課程設(shè)計目的 本課程為“光纖通信”必修課程的后續(xù)設(shè)計實踐課程，主要提供學(xué)生在一種通用設(shè)計平臺上進(jìn)行光纖通訊系統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)訓(xùn)練，要求學(xué)生掌握一種光通信系統(tǒng)設(shè)計軟件（如OptiSystem

2、）的使用，要求學(xué)生熟悉基本知識、培養(yǎng)思維和表達(dá)能力及合作精神、提高光網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和分析能力，形成利用設(shè)計軟件工具對設(shè)計任務(wù)進(jìn)行總體布置的能力。3課程設(shè)計時間1周（2014年6月23日-2014年6月27日）4課程設(shè)計環(huán)境OptiSystem軟件 OptiSystem是一款創(chuàng)新的光通訊系統(tǒng)模擬軟件包，它集設(shè)計、測試和優(yōu)化各種類型寬帶光網(wǎng)絡(luò)物理層的虛擬光連接等功能于一身，從長距離通訊系統(tǒng)到 LANS和MANS都使用。OptiSystem可以幫助用戶規(guī)劃、測試和模擬幾乎傳輸層所有的光纖系統(tǒng)，包括局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，也提供了從組件到系統(tǒng)各個層面的傳輸層光通信系統(tǒng)設(shè)計和規(guī)劃，并仿真出分析結(jié)果和應(yīng)用。Op

3、tiSystem是一個基于實際光纖通訊系統(tǒng)模型的系統(tǒng)級模擬器具有強(qiáng)大的模擬環(huán)境和真實的器件和系統(tǒng)的分級定義。它的性能可以通過附加的用戶器件庫和完整的界面進(jìn)行擴(kuò)展，而成為一系列廣泛使用的工具。本次課程設(shè)計采用的是對64Bit操作系統(tǒng)的支持Optisystem7.0。5課程設(shè)計任務(wù)和要求基于OptiSystem軟件完成PIN光電二極管的噪聲分析的仿真設(shè)計，分析各類噪聲源及其影響，增強(qiáng)研究問題解決問題的動手能力。6課程設(shè)計原理 6.1原理簡介 （1）系統(tǒng)噪聲 噪聲是一種隨機(jī)性的起伏量，它表現(xiàn)為無規(guī)則的電磁場形式，是電信號中一種不需要的成分，干擾實際系統(tǒng)中信號的傳輸和處理，影響和限制了系統(tǒng)的性能。在光

4、接收機(jī)中，可能存在多種噪聲源，它們的引入部位如圖6-1所示。 圖6-1 光接收機(jī)中的噪聲源及其分布影響光接收機(jī)性能的主要因素就是接收機(jī)內(nèi)的各種噪聲源。接收機(jī)中的放大器本身電阻會引入熱噪聲（Thermal Noise），而放大器的晶體管會引入散粒噪聲（Shot Noise），而且多級放大器中會將前級的噪聲同樣放大，計算分析這些噪聲對我們分析、優(yōu)化光接收機(jī)以及整個光通訊系統(tǒng)都是有十分重要的作用。本課程設(shè)計中，我們主要討論P(yáng)IN光電二極管中的散粒噪聲和熱噪聲對系統(tǒng)的影響。（2）眼圖概念眼圖是一系列數(shù)字信號在示波器上累積而顯示的圖形，其形狀類似于眼睛，故叫眼圖。在用余輝示波器觀察傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號時，使用

5、被測系統(tǒng)的定時信號，通過示波器外觸發(fā)或外同步對示波器的掃描進(jìn)行控制，由于掃描周期此時恰為被測信號周期的整數(shù)倍，因此在示波器熒光屏上觀察到的就是一個由多個隨機(jī)符號波形共同形成的穩(wěn)定圖形。這種圖形看起來象眼睛，稱為數(shù)字信號的眼圖。眼圖主要的參數(shù)有如下：消光比、交叉點(diǎn)、Q因子、信號的上升時間、下降時間、峰峰值抖動、均方根值抖動、信噪比等。（3）誤碼率誤碼的產(chǎn)生是由于在信號傳輸中，衰變改變了信號的電壓,致使信號在傳輸中遭到破壞，產(chǎn)生誤碼。噪音、交流電或閃電造成的脈沖、傳輸設(shè)備故障及其他因素都會導(dǎo)致誤碼誤碼率，比如傳送的信號是1，而接收到的是0；反之亦然。各種不同規(guī)格的設(shè)備，均有嚴(yán)格的誤碼率定義，如通常

6、視/音頻雙向光端機(jī)的誤碼率應(yīng)該在：（BER）10E-9。6.2 PIN光電二極管簡述 （1）PIN光電二極管 PIN光電二極管的特性：缺點(diǎn)是暗電流大，因結(jié)容量低，故可獲得快速響應(yīng)。為了進(jìn)一步提高光檢測器的量子效率和響應(yīng)速度，在P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體之間加入一種輕微摻雜的本征半導(dǎo)體，這樣的光電二極管稱為PIN光電二極管，是一種吸收光輻射而產(chǎn)生光電流的一種光檢測器。其結(jié)構(gòu)如圖6-2所示：圖6-2 基于異質(zhì)結(jié)的PIN光電二極管（2）光電二極管的主要噪聲散粒噪聲散粒效應(yīng)噪聲是Schottky于1918年研究此類噪聲時,用子彈射入靶子時所產(chǎn)生的噪聲命名的。因此,它又稱為散彈噪聲或顆粒噪聲。散粒噪聲是由形

7、成電流的載流子的分散性造成的，在大多數(shù)半導(dǎo)體器件中，它是主要的噪聲來源。這種噪聲是由光的本質(zhì)（粒子性）決定的，其他的噪聲可以進(jìn)行限制甚至消除，而這種噪聲總是存在，并成為接收機(jī)的極限靈敏度的限制。熱噪聲熱噪聲來源于電阻內(nèi)部自由電子或電荷載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動。:檢測器具有內(nèi)阻，所以也有熱噪聲，其熱噪聲的均方電壓和電流值如公式6-1所示： （公式6-1） K 為被爾茲曼常數(shù)，R為檢測器的等效電阻，T為材料的絕對溫度，B為接收機(jī)帶寬。降低器件的絕對溫度可以降低熱噪聲，降低探測帶寬也可以減少熱噪聲。暗電流噪聲暗電流是指在無光照的情況下，積累一定時間后產(chǎn)生的載流子，在實際應(yīng)用中，暗電流表現(xiàn)為疊加在信號上的

8、噪聲。暗電流引起的噪聲可分為兩部分：(1)載流子的熱噪聲，它是一種泊松分布的隨機(jī)過程，表現(xiàn)為白噪聲信號，該噪聲形成了暗電流的背景噪聲，降低工作溫度可減少這種熱噪聲；(2)晶體中缺陷的大量集中引起的脈沖尖鋒，稱為暗電流的不一致性，它是暗電流噪聲的主要因素，直接影響信號質(zhì)量。背景噪聲背景噪聲也稱為本底噪聲，是指在發(fā)生、檢查、測量、記錄系統(tǒng)中與有用信號無關(guān)的一切干擾。6.3設(shè)計原理從外調(diào)制激光發(fā)送機(jī)輸出的調(diào)制光信號，經(jīng)衰減器后，由fork復(fù)制為兩路相同的信號分別送入不同噪聲設(shè)置的光電二極管。一路信號通過的PIN管不考慮熱噪聲，而具有Shot Noise，PIN管中Shot Noise是依賴于信號強(qiáng)度

9、大小的；另一路信號通過的PIN管的熱噪聲設(shè)置為為W/Hz，只考慮熱噪聲沒有Shot Noise，然后將兩路信號分別送入濾波器和最終的誤碼率分析儀中，其中兩路中的低通濾波器的截止頻率和碼率都是一樣的。同時觀察兩路信號的眼圖分析，以此觀察不同噪聲對于眼圖的影響。設(shè)計流程圖如圖6-3所示：圖6-3 設(shè)計流程圖7課程設(shè)計過程及調(diào)試、結(jié)果7.1設(shè)計所用器件簡介（1）偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器（Pseudo-Random Bit Sequence Generator）：產(chǎn)生系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼流，其輸出為數(shù)字類型的數(shù)據(jù)（2）NRZ脈沖產(chǎn)生器（NRZ Pulse Generator）：以偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器事物輸出為輸入，講數(shù)字

10、信號轉(zhuǎn)化為非歸零碼形式的電脈沖信號（3）直接調(diào)制激光器（Mach-Zehnder Modulator）： 輸入光源到外調(diào)制激光發(fā)送機(jī)（4）連續(xù)激光器（CW Laser）：各能級的粒子數(shù)及腔內(nèi)輻射場均具有穩(wěn)定分布。其工作特點(diǎn)是工作物質(zhì)的激勵和相應(yīng)的激光輸出，可以在一段較長的時間范圍內(nèi)以連續(xù)方式持續(xù)進(jìn)行，以連續(xù)光源激勵的固體激光器和以連續(xù)電激勵方式工作的氣體激光器及半導(dǎo)體激光器，均屬此類。（5）光衰減器（Optical Attenuator）：在測量光接收機(jī)的靈敏度時，通常把它置于光接收機(jī)的輸入端，用來調(diào)整接收光功率的大小。 （6）低通貝塞爾濾波器（Low Pass Bessel Filter）：

11、以光檢測器的輸出為輸入，對輸入的信號進(jìn)行低通濾波 （7）Fork（Fork 1x2）：復(fù)制出兩路相同性質(zhì)的光信號。（8）PIN光電二極管（Photodetector PIN）：在兩種半導(dǎo)體之間的PN結(jié)，或者半導(dǎo)體與金屬之間的結(jié)的鄰近區(qū)域，在P區(qū)與N區(qū)之間生成I型層，吸收光輻射而產(chǎn)生光電流的一種光檢測器。（9）眼圖分析儀（Eye Diagram Analyzer）：其3個輸入端口分別輸入發(fā)射端的數(shù)字序列、發(fā)射端的調(diào)制信號和傳輸后的接收端的判決電路輸入前的模擬信號。該模塊可根據(jù)有關(guān)輸入進(jìn)行誤碼率的分析和眼圖分析。因此它也具有一定的時域信號的分析能力，這里我們用它來測量接收機(jī)端的信號時域波形。所用的

12、元器件圖標(biāo)如下圖7-1所示： (1) Pseudo-Random Bit (2) NRZ Pulse (3) Mach-Zehnder Sequence Generator Generator Modulator (4) CW Laser (5)Optical Attenuator (6) Low Pass Bessel Filter （7）Fork （8）PhotodetectorPIN (9) Eye Diagram Analyzer 圖7-1各種儀表儀器顯示圖7.2器件的參數(shù)設(shè)置（1）連續(xù)激光器的參數(shù)設(shè)置如圖7-2所示：圖7-2 連續(xù)激光器的參數(shù)設(shè)置（2）加有散粒噪聲的PIN光電二極管的

13、參數(shù)設(shè)置如圖7-3所示：圖7-3 加有散粒噪聲的PIN光電二極管的參數(shù)設(shè)置（3）加有熱噪聲的PIN光電二極管的參數(shù)設(shè)置如圖7-4所示： ： 圖7-4 加有熱噪聲的PIN光電二極管的參數(shù)設(shè)置7.3 設(shè)計布局圖圖7-5 設(shè)計布局圖7.4調(diào)試結(jié)果圖 (1)當(dāng)信號強(qiáng)度為2dB時，PIN光電二極管沒有散粒噪聲和熱噪聲的情況下，即理想情況下的眼圖分析如圖7-6所示：圖7-6 理想情況下的眼圖由圖7-6可得在沒有散粒噪聲和熱噪聲的情況下，眼圖效果比較好，表明了信號經(jīng)過PIN光電二極管是受到的影響比較小，失真較弱。 （2）信號強(qiáng)度分別為2dB和10dB，頻率都為193.1THz時，散粒噪聲對比效果圖如下圖7-

14、7所示： （a）信號強(qiáng)度為2dB （b） 信號強(qiáng)度為10dB 圖7-7 散粒噪聲對比效果圖由圖7-7（a）（b），我們可得該散粒噪聲的大小取決于信號強(qiáng)度的，信號強(qiáng)度越強(qiáng)，產(chǎn)生的散粒噪聲也隨之變大，但信噪比增大，眼圖效果更好。（3）信號強(qiáng)度分別為2dB和10dB，頻率都為193.1THz時，熱噪聲對比效果圖如圖7-8所示： （a） 信號強(qiáng)度為2dB （b） 信號強(qiáng)度為10dB 圖7-8 熱噪聲對比效果圖由7-8（a）（b)，我們可得熱噪聲的大小也是依賴于信號強(qiáng)度的，信號強(qiáng)度越強(qiáng)，產(chǎn)生的熱噪聲越大，但是信噪比增大。我們還可以發(fā)現(xiàn)Q因子也是依賴于信號強(qiáng)度的，信號強(qiáng)度越強(qiáng)，Q因子越高。（4）信號強(qiáng)度分別為2dB和10dB，頻率都為193.1THz時，誤碼率對比效果圖如圖7-9所示