Главная  Оптические магистрали 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [ 127 ] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

зует уменьшение предельной чувствительности, ограниченной квантовым пределом, которая была определена в § 15.2 коэффициентом = 7,2 F. Если исходить из числа пар носителей заряда, генерируемых при приеме одного бита, эта чувствительность станет равной или 72 F носителей заряда/бит. На рис. 15.10 приведены графики этих трех приближенных решений уравнения (15.3.10) для некоторых частных примеров, где учтены шумовые параметры входных каскадов усилителя на кремниевых полевом и биполярном транзисторах с входной емкостью 5 пФ. Таким образом, имеем: для полевого транзистора - (/у) = 10 фА/УГц и (CVy) - 2-10- C/Vfn- для биполярного (Гу) = 2 пА "Гц и {CVy) = Ю-" С/УГа. Значения коэффициента усиления и коэффициента шума лавинного фотодиода следующее : М = 20, f = 5 и М = 100 и f = 4, причем более вы-ский коэффициент, усиления можно ожидать от малошумящих кремниевых ЛФД. Из рисунка видно, что в обоих случаях усилитель на полевом транзисторе оказывается ограниченным дробовым шумом повсюду в наиболее полезной области частот, в то время как усилитель на биполярном транзисторе едва достигает предела дробового шума при невысоких коэффициентах усиления ЛФД. Важно иметь в виду, что все приведенные вычисления предполаггли однородную спектральную плотность шума усилителя на всех частотах. Имеются все основания полагать, что на практике величины /у и Vy будут увеличиваться на высоких и низких частотах. Это приведет к уменьшению области частот, в пределах которой можно поддерживать режим детектирования, ограниченный дробовым шумом.

15.3.3. Оптимизация оптической системы связи

При построении графиков рис. 15.10 предполагалось, что система сначала имеет постоянные характеристики, а затем анализируется их зависимость от скорости передачи данных.

На практике скорость передачи данных обычно определяется иа ранней стадии разработки системы связи, а лишь затем требуется оптимально спроектировать приемник, удовлетворяющий этим требованиям. Выше было показано, что можно использовать входной каскад иа кремниевом полевом транзисторе, если скорость передачи данных меньше 50 Мбит/с, или на кремниевом биполярном транзисторе при более высоких частотах. Далее, если необходимо использовать ЛФД, получаем свободу выбора наиболее подходящего коэффициента умножения. Если коэффициент шума ЛФД подчиняется простому закону, например (13.4.1) - (13.4.3), можно найти оптимальное значение коэффициента усиления, которое минимизирует общий шум. Однако при определенном уровне обратного напряжения, когда развивается микроплазма, эти законы нарушаются. При этом резко возрастают темновой ток и коэффициент шума при попытке дальнейшего увеличения М. Если оптимальный коэффициент усиления не был превышен, будет иметь место порог для разрушения микроплазмы. На рис. 15.11 при-



ЮОнЛ


Рис. 15.11. Зависимость минимального среднего тока фотодетектора от коэффициента умножения ЛФД; усилитель на биполярном транзисторе, работающий в полосе при скорости передачи данных 140 Мбит/с; F-M"-

ведена зависимость от коэффициента усиления ЛФД для конкретного случая при К --12 Vi F - M, когда предполагалось, что скорость передачи данных равна 140 Мбит/с и использован усилитель на биполярном кремниевом транзисторе с шумовыми параметрами (CV;) -JO-" С/]/Гц и (/у) = 2 пА Гц. Выражение (15.3.10), как функция коэффициента усиления ЛФД, принимает следующий вид;

KeFB

-{CV*yfB-\

в

Таким образом, после подстановки числовых значений и F ~ М* получаем

7 = 8-10-">УИ/Ч1 + (1 4-4.10*М-=)/2]. (15.3.21)

В соответствии с полученным выражением (15.3.21) на рис. 15.11 изображен график этой функции, из которого видно, что оптимальный коэффициент усиления ЛФД /И 32 и (/m)opt 1 "А. Этодолжно соответствовать среднему уровню принимаемой мощности (Ф«)„р1 "

20 нВт или - 47 дБм, если чувствительность фотодиода в отсутствие умножения равна М 0,55 А/Вт.

15.4. ШТРАФ ЗА ШУМ В ПРАКТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ

15.4.1. Общие сведения

В практических оптических системах связи ряд факторов вызывает ухуди1е-пие их параметров по сравнению с теоретическими значениями, вычисленными в предыдущих параграфах. Значения параметров были получены в предположепии., что ассоциируемая с кажды.м битом оптическая энергия- должпа поступать на приемник в виде импульса, oita должна быть равна нулю при передаче О, усилитель оптического приемника должен иметь резко спадающую характеристику передачи, не должно быть никаких случайных изменений в амплитуде принимаемой оптической мощности или во време1ги поступления импульса на вход приемника внутри тактового интервала. На практике ни одно из этих предположений не выполняется строго, и нарушение каждого из иих приводит к увеличению уров-



ня мощности принимаемого сигнала, необходимого для обеспечения заданной вероятности ошибок. Эту дополнительную требуемую мощность на.човем штрафом по мощности. В этом параграфе проанали.чируем такие штрафы, обусловленные некоторыми ил указанных выше эффектов.

15.4.2. Ненулевой коэффициент затухания

В § 15.1.1 отношение оптической энергии, принимаемой при пере даче О, к таковой при передаче 1 было названо коэффициентом затухания

r,==.,«(0)/F«(l). (15.4.1)

Оказывается, любой имеющийся в фотодиоде темновой ток увеличивает коэффициент затухания, поскольку он добавляется к сигнальному току на обоих уровнях. Кроме того, при использовании в качестве источника излучения лазера на GaAs и кремниевого фотодетектора необходимо смещать лазер в точку порога генерации или чуть выше, что становится наиболее вероятной причиной для Гр > 0. Типичное значение такого смещения лежит в пределах 0,05 ... 0,1 В. Используя рассмотренные выше статистические методы, можно определить плату за пум, который вносится в любую практическую систему. Этот штраф наибольший при детектировании, ограниченном квантовым пределом однако на практике часто оказывается, что он составлет около 12 дБ

15.4.3. Конечная длительность импульса и неустойчивость синхронизации

Тот неизбежный факт, что принимаемая оптическая мощность имеет форму импульса конечной длительности и что имеется некоторая неустойчивость синхронизации, приводит к штрафу за шум по двум различным причинам. Первая состоит в необходимости использования неоптимальной фильтрации для коррекции искажений формы импульса либо для минимизации взаимных помех между символами. Вторая заключается в том, что некоторый уровень взаимных помех между символами остается и понижает, таким образом, отношение сигнал-шум. Чтобы вычислить вероятную величину этих эффектов, необходимо определить форму принимаемых импульсов и закон распределения фазового дрожания импульсов синхронизации. Рассмотрим первый из них.

В § 2.4 было показано, каким образом импульсы различной формы характеризуются такими параметрами, как среднеквадратическая длительность импульса а и полная длительность на уровне половинной мощности т. Было также отмечено, что если форма импульсов приближается к гауссовой, то общая среднеквадратическая длительность принимаемого импульса может быть получена сложе1тем значений средних квадратов длительности исходного импульса, материальной дисперсии и межмодовой дисперсии оптического волокна. Предположение о гауссовой форме импульсов создает то затруднение, что амплиту-



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [ 127 ] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

0.0012