2.2 光接收机模型设计案例：PIN光电二极管的噪声分析
2.2.1 设计目的
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（Thermal Noise），而放大器的晶体管会引入散粒噪声（Shot Noise），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。
2.2.2 原理简介
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2.2所示。 光检测器 hf 增益 前放 光电效应 偏置电阻 ●量子（散粒）噪声●暗电流噪声●倍增噪声 ●热噪声 ●放大器噪声 ●背景噪声●漏电流噪声
图2.2 光接收机中的噪声源及其分布
2.2.3 模型的设计布局图
图2.3为PIN光电二极管噪声分析的OptiSystem设计布局图：
图2.3 光电二极管的噪声分析
的设计布局图
图2.4 光电二极管的Shot Noise（上图） 图2.5 光电二极管的Thermal Noise（下图）
如图2.3所示，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。上端的PIN管不考虑热噪声，而具有Shot Noise；而下端的PIN管的热噪声为1.85e-25W/Hz，没有Shot Noise，然后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。在图2.4中，用户可以看到上端PIN管中Shot Noise是依赖于信号强度大小的。而在图2.5中，下端的PIN管不计入Shot Noise，而只考虑热噪声；可以发现该噪声的大小也是依赖于信号强度的。从本例中，我们可以观察到热噪声和散粒噪声对最终传输的信号质量的影响，并可以根据数据模拟有个定量的分析和计算。此外，还可以对噪声参数的调试，观测不同噪声对整个系统性能的影响程度的大小。并且，我们可以得出，在这样一个小信号系统中，光检测器的偏置电阻及放大器电路的热噪声是最主要的噪声源。
3 光纤（Optical Fiber）系统设计
3.1 光纤简介
光纤通信与电信的主要差异之一，即是利用光纤来传输光信号。光纤有不同的结构形式。目前，通信用的光纤大多数是利用石英材料做成的横截面很小的双层同心玻璃体， 外层玻璃的折射率比内层稍低。折射率高包层 涂覆层 的中心部分叫纤芯，其折射率为n1；折射率低的外围部分称为包层，折射率为n2（ 在本章中，并不针对光纤具体的折射率分布等设计参数进行详细介绍和讨论， 图3.1 光纤结构 纤芯 因为OptiWave提供了专门针对光纤设计 和分析的专门软件：OptiFiber，而 OptiSystem可以将在OptiFiber中设计的光纤直接输入调用，十分方便。 在本章中，我们主要讨论的是光纤的损耗，色散以及非线性等传输过程中的效应对光通讯系统的性能的分析以及影响。 3.1.1 光纤的损耗特性 光纤的传输损耗是光纤通信系统中一个至关重要的问题，低损耗是实现远距离光通讯的前提，光纤损耗的原因十分复杂，归结起来主要包括：吸收损耗和散射损耗，以及辐射损耗。 （1） 吸收损耗：吸收损耗包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收等，它是材料本身所固有的， 因此是一种本征吸收损耗。 （2） 散射损耗：散射与光纤材料及光波导中的结构缺陷、非线性效应有关。一般包括：瑞 利散射损耗、波导散射损耗和非线性损耗。 （3） 辐射损耗：光纤使用过程中，弯曲往往不可避免，在弯曲到一定的曲率半径时，就会 产生辐射损耗。 3.1.2 光纤的色散特性及带宽 光信号在光纤中传输时不但幅度会因损耗而减小，波形亦会发生愈来愈大的失真，脉冲展宽，从而限制了光纤的最高信息传输速率。这种失真是由于信号中的各种分量在光纤中的群速度不同（因而时延不同）引起的。这些分量包括发送信号调制和光源谱宽中的频率分量及光纤中的不同模式分量。时延失真是由于光纤色散而产生的，一般包括以下几种： （1） 模间色散：多模光纤中由于各个导模之间群速度不同造成模间色散。在发送机多个 导模同时激励时，各个导模具有不同的群速，到达接收端的时刻不同。 （2） 波导色散：这是某个导模在不同波长（光源有一定的谱宽）下的群速度不同引起的 色散，它与光纤结构的波导效应有关，又称为结构色散。 （3） 材料色散：这是由于光纤材料的折射率随光频率呈非线性变化，而光源有一定谱宽， 于是不同的波长引起不同的群速度。 （4） 偏振模色散：普通单模光纤实际上传输两个相互正交的模式，实际在单模光纤存在 各种少量随机的不确定性，不对称性，造成了两个偏振模的群时延不同，导致偏振模色散。 3.2 光纤模型设计案例：自相位效应（SPM）-Induced Spectral Broadening 3.2.1 设计目的 对自相位调制（Self-Phase Modulation：SPM）在脉冲传播上的模型进行模拟和验证。主要包括两个方面： （1） 脉冲啁啾（Pulse Chirping） （2） 脉冲光谱展宽（Pulse Spectral Broadening） 3.2.2 原理简介 自相位调制（SPM）效应可由式3.1进行描述： ?E?i?|E|2E (3.1) ?z其中E(Z,t)是电场波包，参数γ由式3.2给出： ??n2?0 (3.2) cAeff在方程3.2中，ω0是光载波频率，n2是非线性折射率系数，Aeff是有效作用面面积[1]。 可根据方程3.1直接进行求解得到： E(z,t)?E(z?0,t)exp(i|E(z?0,t)|2z) 从该式可知，经过自相位调制后，脉冲的波形（即：|E(z,t)|2=|E(z=0,t)|2）不受影响。而相位变化项ΦNL=|E(z=0,t)|2表明经过自相位调制后，脉冲的瞬时频率相对原先载波的频率ω0已有所改变。频率改变量δω(t)由式3.3给出： ??(t)???NL?t (3.3) 该频率的改变和时间的关系导致了啁啾声的产生。 3.2.3 模型的设计布局图 为了验证SPM效应，我们可以设计以下布局图3.2： 图3.2 自相位调制设计布局图