光纤通信系统设计实例

光纤通信系统设计

1 概述

图 1.1 标准光纤通信系统架构

2 模拟系统设计

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

Carrier Source LED0.8-0.9um Information Channel MMF (SI or GRIN)

Detector PIN-PD

表2.2 系统方案二：高带宽和高功率

Carrier Source LD 1.3um Information Channel SMF

Detector APD

2.1.2 负载电阻计算

已知PIN-PD的电容和传输带宽，根据方程

求得负载电阻

取近似值，计算得为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

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

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，假设环境温度T为300K，放大器噪声系数F为2，则，又已知PD响应率为，计算平均光功率P为

取P近似值为。

2.2.2 平均光电流计算

根据平均光功率P为，计算得PIN-PD的平均光电流，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

散粒噪声电流均方值

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（或），远远大于，系统不存在饱和问题。

2.2.3 详细方案

光源SE LED

SI MMF

光纤

GRIN MMF

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（），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

根据方程

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

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

由于系统的信号带宽为6MHz，则系统的上升时间。

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

得到PIN-PD的上升时间为

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

要求。

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