PIN光电二极管的噪声分析.docx

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PIN光电二极管的噪声分析

1课程设计题目

PIN光电二极管的噪声分析

2课程设计目的

本课程为“光纤通信”必修课程的后续设计实践课程，主要提供学生在一种通用设计平台上进行光纤通讯系统设计的系统训练，要求学生掌握一种光通信系统设计软件（如OptiSystem）的使用，要求学生熟悉基本知识、培养思维和表达能力及合作精神、提高光网络构建和分析能力，形成利用设计软件工具对设计任务进行总体布置的能力。

3课程设计时间

1周（2014年6月23日-2014年6月27日）

4课程设计环境

OptiSystem软件

OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LANS和MANS都使用。

OptiSystem可以帮助用户规划、测试和模拟几乎传输层所有的光纤系统，包括局域网、城域网和广域网，也提供了从组件到系统各个层面的传输层光通信系统设计和规划，并仿真

出分析结果和应用。

OptiSystem是一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。

它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，而成为一系列广泛使用的工具。

本次课程设计采用的是对64Bit操作系统的支持Optisystem7.0。

5课程设计任务和要求

基于OptiSystem软件完成PIN光电二极管的噪声分析的仿真设计，分析各类噪声源及其影响，增强研究问题解决问题的动手能力。

6课程设计原理

6.1原理简介

（1）系统噪声

噪声是一种随机性的起伏量，它表现为无规则的电磁场形式，是电信号中一种不需要的成分，干扰实际系统中信号的传输和处理，影响和限制了系统的性能。

在光接收机中，可能存在多种噪声源，它们的引入部位如图6-1所示。

图6-1光接收机中的噪声源及其分布

影响光接收机性能的主要因素就是接收机内的各种噪声源。

接收机中的放大器本身电阻会引入热噪声（ThermalNoise），而放大器的晶体管会引入散粒噪声（ShotNoise），而且多级放大器中会将前级的噪声同样放大，计算分析这些噪声对我们分析、优化光接收机以及整个光通讯系统都是有十分重要的作用。

本课程设计中，我们主要讨论PIN光电二极管中的散粒噪声和热噪声对系统的影响。

（2）眼图概念

眼图是一系列数字信号在示波器上累积而显示的图形，其形状类似于眼睛，故叫眼图。

在用余辉示波器观察传输的数据信号时，使用被测系统的定时信号，通过示波器外触发或外同步对示波器的扫描进行控制，由于扫描周期此时恰为被测信号周期的整数倍，因此在示波器荧光屏上观察到的就是一个由多个随机符号波形共同形成的稳定图形。

这种图形看起来象眼睛，称为数字信号的眼图。

眼图主要的参数有如下：

消光比、交叉点、Q因子、信号的上升时间、下降时间、峰—峰值抖动、均方根值抖动、信噪比等。

（3）误码率

误码的产生是由于在信号传输中，衰变改变了信号的电压,致使信号在传输中遭到破坏，产生误码。

噪音、交流电或闪电造成的脉冲、传输设备故障及其他因素都会导致误码误码率，比如传送的信号是1，而接收到的是0；反之亦然。

各种不同规格的设备，均有严格的误码率定义，如通常视/音频双向光端机的误码率应该在：

（BER）≤10E-9。

6.2PIN光电二极管简述

（1）PIN光电二极管

PIN光电二极管的特性：

缺点是暗电流大，因结容量低，故可获得快速响应。

为了进一步提高光检测器的量子效率和响应速度，在P型半导体与N型半导体之间加入一种轻微掺杂的本征半导体，这样的光电二极管称为PIN光电二极管，是一种吸收光辐射而产生光电流的一种光检测器。

其结构如图6-2所示：

图6-2基于异质结的PIN光电二极管

（2）光电二极管的主要噪声

①散粒噪声

散粒效应噪声是Schottky于1918年研究此类噪声时,用子弹射入靶子时所产生的噪声命名的。

因此,它又称为散弹噪声或颗粒噪声。

散粒噪声是由形成电流的载流子的分散性造成的，在大多数半导体器件中，它是主要的噪声来源。

这种噪声是由光的本质（粒子性）决定的，其他的噪声可以进行限制甚至消除，而这种噪声总是存在，并成为接收机的极限灵敏度的限制。

②热噪声

热噪声来源于电阻内部自由电子或电荷载流子的不规则热运动。

:

检测器具有内阻，所以也有热噪声，其热噪声的均方电压和电流值如公式6-1所示：

（公式6-1）

K为被尔兹曼常数，R为检测器的等效电阻，T为材料的绝对温度，B为接收机带宽。

降低器件的绝对温度可以降低热噪声，降低探测带宽也可以减少热噪声。

暗电流噪声  

暗电流是指在无光照的情况下，积累一定时间后产生的载流子，在实际应用中，暗电流表现为叠加在信号上的噪声。

暗电流引起的噪声可分为两部分：

（1）载流子的热噪声，它是一种泊松分布的随机过程，表现为白噪声信号，该噪声形成了暗电流的背景噪声，降低工作温度可减少这种热噪声；

（2）晶体中缺陷的大量集中引起的脉冲尖锋，称为暗电流的不一致性，它是暗电流噪声的主要因素，直接影响信号质量。

背景噪声

背景噪声也称为本底噪声，是指在发生、检查、测量、记录系统中与有用信号无关的一切干扰。

6.3设计原理

从外调制激光发送机输出的调制光信号，经衰减器后，由fork复制为两路相同的信号分别送入不同噪声设置的光电二极管。

一路信号通过的PIN管不考虑热噪声，而具有ShotNoise，PIN管中ShotNoise是依赖于信号强度大小的；另一路信号通过的PIN管的热噪声设置为为

W/Hz，只考虑热噪声没有ShotNoise，然后将两路信号分别送入滤波器和最终的误码率分析仪中，其中两路中的低通滤波器的截止频率和码率都是一样的。

同时观察两路信号的眼图分析，以此观察不同噪声对于眼图的影响。

设计流程图如图6-3所示：

图6-3设计流程图

7课程设计过程及调试、结果

7.1设计所用器件简介

（1）伪随机码产生器（Pseudo-RandomBitSequenceGenerator）：

产生系统传输的数据码流，其输出为数字类型的数据

（2）NRZ脉冲产生器（NRZPulseGenerator）：

以伪随机码产生器事物输出为输入，讲数字信号转化为非归零码形式的电脉冲信号

（3）直接调制激光器（Mach-ZehnderModulator）：

输入光源到外调制激光发送机

（4）连续激光器（CWLaser）：

各能级的粒子数及腔内辐射场均具有稳定分布。

其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出，可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行，以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激光器及半导体激光器，均属此类。

（5）光衰减器（OpticalAttenuator）：

在测量光接收机的灵敏度时，通常把它置于光接收机的输入端，用来调整接收光功率的大小。

（6）低通贝塞尔滤波器（LowPassBesselFilter）：

以光检测器的输出为输入，对输入的信号进行低通滤波

（7）Fork（Fork1x2）：

复制出两路相同性质的光信号。

（8）PIN光电二极管（PhotodetectorPIN）：

在两种半导体之间的PN结，或者半导体与金属之间的结的邻近区域，在P区与N区之间生成I型层，吸收光辐射而产生光电流的一种光检测器。

（9）眼图分析仪（EyeDiagramAnalyzer）：

其3个输入端口分别输入发射端的数字序列、发射端的调制信号和传输后的接收端的判决电路输入前的模拟信号。

该模块可根据有关输入进行误码率的分析和眼图分析。

因此它也具有一定的时域信号的分析能力，这里我们用它来测量接收机端的信号时域波形。

所用的元器件图标如下图7-1所示：

（1）Pseudo-RandomBit

（2）NRZPulse（3）Mach-Zehnder

SequenceGeneratorGeneratorModulator

（4）CWLaser（5）OpticalAttenuator（6）LowPassBesselFilter

（7）Fork（8）PhotodetectorPIN（9）EyeDiagramAnalyzer

图7-1各种仪表仪器显示图

7.2器件的参数设置

（1）连续激光器的参数设置如图7-2所示：

图7-2连续激光器的参数设置

（2）加有散粒噪声的PIN光电二极管的参数设置如图7-3所示：

图7-3加有散粒噪声的PIN光电二极管的参数设置

（3）加有热噪声的PIN光电二极管的参数设置如图7-4所示：

：

图7-4加有热噪声的PIN光电二极管的参数设置

7.3设计布局图

图7-5设计布局图

7.4调试结果图

（1）当信号强度为2dB时，PIN光电二极管没有散粒噪声和热噪声的情况下，即理想情况下的眼图分析如图7-6所示：

图7-6理想情况下的眼图

由图7-6可得在没有散粒噪声和热噪声的情况下，眼图效果比较好，表明了信号经过PIN光电二极管是受到的影响比较小，失真较弱。

（2）信号强度分别为2dB和10dB，频率都为193.1THz时，散粒噪声对比效果图如下图7-7所示：

（a）信号强度为2dB（b）信号强度为10dB

图7-7散粒噪声对比效果图

由图7-7（a）（b），我们可得该散粒噪声的大小取决于信号强度的，信号强度越强，产生的散粒噪声也随之变大，但信噪比增大，眼图效果更好。

（3）信号强度分别为2dB和10dB，频率都为193.1THz时，热噪声对比效果图如图7-8所示：

（a）信号强度为2dB（b）信号强度为10dB

图7-8热噪声对比效果图

由7-8（a）（b），我们可得热噪声的大小也是依赖于信号强度的，信号强度越强，产生的热噪声越大，但是信噪比增大。

我们还可以发现Q因子也是依赖于信号强度的，信号强度越强，Q因子越高。

（4）信号强度分别为2dB和10dB，频率都为193.1THz时，误码率对比效果图如图7-9所示：

（a）信号强度为2dB（b）信号强度为10dB

图7-9误码率对比效果图

由图7-9（a）（b），我们可得误码率也是依赖于信号强度的，信号强度越强，误码率越低。

（5）信号强度分别为2dB和10dB，频率都为193.1THz时，高度对比效果图如图7-10所示：

（a）信号强度为2dB（b）信号强度为10dB

图7-10高度对比效果图

由图7-10（a）（b），我们可得高度也是依赖于信号强度的，信号强度越强，高度越高。

答辩记录