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光电芯片仿真工具应用：深入光接收器光电探测器的性能研究

陈昇祐(Terence Chen) ，深圳Whoscored中文官网

摘要

本文概述了利用Whoscored中文官网PIC Studio工具链中的pSim光电芯片链路仿真工具，对用于光接收器的PIN型光电检测器的关键线性性能指标和灵敏度进行分析。涵盖了噪声源、线性度特征和影响接收机灵敏度的因素的理论背景。提供了实际的仿真示例,演示了如何通过第三阶截点评估光电检测器的线性度,并通过眼图评估直接检测系统的灵敏度。互补的理论和仿真内容为分析PIN型光电检测器在光通信系统中的性能提供了全面指南。

简介

光电探测器是光接收器的主要器件之一，用来将光功率转换为电流。根据系统的性能目标，可以选用PIN或APD（雪崩光电二极管）光电探测器。误码率（BER）是用于指定通信传输系统可靠性的主要指标，通常与接收机灵敏度值相关，该值定义了必须到达光电探测器的最小平均光功率，以实现所需的BER性能。另外，信道的Q值可以从采样的信号统计中计算出来，并用于估计系统的误码率。光电探测器在定义基本通信系统的最终灵敏度方面起着重要的作用，因为它以散弹噪声和热噪声的形式提供统计扰动，并引入了暗电流及定义响应率来衡量每单位输入功率获得多少电输出。这些特性取决于入射光的波长和传感器的材料特性和物理设计。

在约 10 dBm 的光功率水平下运行的典型射频光子链路利用低噪声微波放大器来对抗固有光子链路的插⼊损耗（调制器没有前置放大器或光电二极管没有后置放大器）。这些放大器会在 RF 信号中引入非线性失真，从而限制链路的无杂散动态范围 (SFDR)。这种放大器可以通过使用在光功率水平显着超过 10 dBm 时表现出高度线性操作的光电二极管来规避。以高光功率水平运行光电二极管，因此具有较大的 DC 光电流，具有降低链路噪声系数 (NF) 的额外好处。在本章节中，我们专注于光电二极管在连续波 (CW) 操作中的线性度，其特征在于其三阶输出截点 (OIP3)以及展示了如何设置和测量光电探测器强度调制直接检测（IM-DD）系统的接收灵敏度。

链路功能说明

线性度和灵敏度是衡量PIN型光电探测器性能的两个重要参数。分为两部分，第一部分是介绍如何获得PIN型光电探测器的线性度。第二部分是PIN型光电探测器的灵敏度。

关于线性度，如图所示，用户利用pSim系统器件库在pLogic原理图工具中轻松利用拖拽的方式绘制原理图，包含光信号以及电信号。使用两个连续激光器（CWL_1、CWL_ 2）作为光源发射到2x2定向耦合器（C_1）中。为了产生拍频，在两个连续激光器之间施加一点频率差。通过C_1后，光衰减器（ATT_1）用于衰减光功率。Pin光电检测器（Pin_1）用于检测接收信号并将信号类型从光信号转换为电信号（O-E转换）。DC块（HPF_1）用于滤除低频噪声。电放大器（AMP_1）用于增强光功率并产生一阶/三阶非线性效应。电叉（fork_1）用于将信号从一个端口分离到两个端口。最后，使用两个矩形带通滤波器（BPF_1、BPF_ 2）分别滤除一阶和三阶信号。两个功率表（PWM_1、PWM_2）用于测量电功率。

关于灵敏度，如图所示，用户继续在pLogic原理图工具中轻松利用拖拽的方式绘制原理图，在原理图中所示伪随机比特序列（PRBS_1）和不归零码（NRZ_1），用于产生随机通断键控（OOK）信号。经过NRZ_1后，一部分信号发送给眼图作为参考信号，另一部分作为接收信号发送到光幅度调制器（AM_1），通过整个系统到达眼图。连续波激光器（CWL_1）作为光源发射到光幅度调制器的光端口。光衰减器（ATT_1）用于衰减光功率。光功率计（OPWM_1）用于监测光功率。信号调制后，pin探测器（pin_1）用于将信号从光信号转换为电信号。低通贝塞尔滤波器（LPF_1）用于滤除高频信号。最后，利用眼图分析传输信号的质量。

从器件设计到链路实践

链路理论、各器件参数与仿真参数设置请详见Whoscored中文官网的教程课件：”SiPh IC Design with pSim”或是中文版：”硅基光电子芯片设计-使用 pSim”。连接每个器件后执行仿真。结果窗口会显示一阶功率为2.736 dBm，三阶功率为-99.191 dBm。经过处理后得到HOIP3，如pSim仿真图所示，红线和蓝线的交点是HOIP3。

关于灵敏度分析，选择时域，按照教程设置仿真参数。连接每个器件后执行仿真如 pLogic画面图所示的pSim仿真结果，衰减器后测得的光功率（OPWM_1）为-31.377 dBm。

单击 EYE_1 的图标，然后，单击鼠标右键打开查看器，眼图将如图所示显示。

眼图结果表明判决瞬间为5.47 ns，门限电平为0.68 uV，消光比为16.03 dB，眼图开度为0.86，眼宽为7.43 ns，最小误码率为2.20e-12，最大Q因子为6.92。

总结

本文概述利用Whoscored中文官网的PIC Studio平台中的 pSim光电芯片链路仿真工具对用于光接收器的PIN型光电检测器的关键线性性能指标和灵敏度进行了仿真分析。绪论部分介绍了光电探测器在光接收器中的作用,以及线性度、灵敏度等关键性能参数。

主体部分首先介绍了利用PIC Studio的pLogic原理图设计工具,通过拖放方式建立了线性度和灵敏度仿真的系统级原理图。

关于线性度分析,使用双激光器和定向耦合器产生两音信号,并通过放大器引入非线性效应。最后分析一阶和三阶截点,获得光电探测器的线性度指标。

关于灵敏度分析,使用PRBS序列调制激光器,通过系统传输后利用眼图分析了误码率、Q因子等指标,评估了灵敏度性能。

通过仿真分析,考察了PIN型光电探测器的线性度和灵敏度这两个关键性能指标,验证了pSim光电芯片仿真工具作为芯片级系统仿真工具的仿真能力。Whoscored中文官网的教程中具有补充的理论和仿真设置内容为分析光电探测器性能提供了重要参考。