Разработка оптического приемного устройства, страница 5

Таким образом, в данном примере ток дробового шума за счет ЛФД , оказалось значительно больше тока шума усилителя (теплового шума) .

                 

тогда ζ=19,4

Соответствующая защищенность равна А_з=25,76дБ

Эта величина  учитывает оба типа шума. При ограничении тепловым шумом () SNR становится, согласно формуле (1.15):

                             

Защищенность А_з=36,1дБ

На характеристики оптических приемников, работающих в диапазоне 1,3-1,6 мкм, серьезно влияет тепловой шум. Использование ЛФД приемников улучшает ситуацию, но только частично. Само отношение сигнал /помеха  увеличивалось  пропорционально М² по сравнению с приемниками с p-i-n фотодиодами (63,9>26,8).           

 В противоположность этому случаю ограничение дробовым шумом () SNR определяется по формуле (1.16):

                                   

Защищенность А_з=26,2дБ

При ограничении же дробовыми шумами это отношение уменьшалось  на величину избыточного шума по сравнению с приемниками, использующими p-i-n диоды (20,37<44,72). Для улучшения отношения сигнал /помеха необходимо оптимизировать величину коэффициента умножения. Большая же величина которого значительно сужает полосу пропускания фотодиода, что показывает  необходимость компромисса между усилением ЛФД и шириной полосы (между скоростью и чувствительностью).

В настоящее время скорости передачи информации  2,5Гбит/сек (STM-16) и 10Гбит/сек (STM-64) являются недостаточно большими для современного состояния сетей, поэтому   современные тенденции  -  увеличение скорости до 40Гбит/сек (STM-256).

Оценим отношение сигнал/помеха (SNR) ξ для указанных фотодиодов при скоростях 10Гбит/сек и 40Гбит/сек.

1) расчет для p-i-n фотодиода:

а) расчет для скорости 10Гбит/сек.

Так как сигнал цифровой в формате NRZ, то Δf =5ГГц.

Составляющая дробового шума:

Составляющая шума, приведенного ко входу усилителя:

,

Вычисляем отношение сигнал/помеха по формуле (1.6):

,

тогда

Соответствующая защищенность А_з=22,6дБ.

При преобладании теплового шума (). Пренебрегая  SNR,согласно формуле (1.7) становиться:

Соответствующая защищенность А_з=24дБ

При преобладании дробового шума () по формуле (1.8) имеем:

Соответствующая защищенность А_з=27дБ

б) расчет для скорости 40Гбит/сек.

Пользуясь формулой (1.6) имеем:

,

тогда

Соответствующая защищенность А_з=16,2дБ.

При преобладании теплового шума (). Пренебрегая  SNR становиться, согласно (1.7):

Соответствующая защищенность А_з=17,92дБ.

При преобладании дробового шума () имеем по (1.8):

Соответствующая защищенность А_з=21дБ

Таким образом, при увеличении скорости передачи в четыре раза, отношение сигнал/помеха также падает в два раза, а защищенность при этом уменьшается на шесть дБ.

2)  расчет для ЛФД:

а) расчет для скорости 10Гбит/сек

Тогда

Составляющая дробового шума:

 Составляющая шума, приведенного ко входу усилителя:

,

Тогда согласно выражению (1.14):

              

тогда ζ=9,7

Соответствующая защищенность равна А_з=19,73дБ

При ограничении тепловым шумом () SNR, по выражению (1.15), становится:

                                       

Защищенность А_з=30,1дБ.

В противоположность этому случаю ограничение дробовым шумом () SNR определяется согласно формуле (1.16):

                                  

Защищенность А_з=20,2дБ

б) расчет для скорости 40Гбит/сек.

Для данной скорости передачи определяем SNR по формуле (1.14):

тогда ζ = 4,85

Соответствующая защищенность равна А_з=13,73дБ

При ограничении тепловым шумом () SNR  по формуле (1.15) становится:

Защищенность А_з=24,1дБ.

В противоположность этому случаю ограничение дробовым шумом () SNR определяется как:

Защищенность А_з=14,2дБ

Таким образом, как и в случае p-i-n  фотодиода, при увеличении скорости передачи в четыре раза, отношение сигнал/помеха также падает в два раза, а защищенность при этом уменьшается на шесть дБ.

При увеличении скорости передачи более 5Гбит/сек, соответствующая защищенность ниже необходимого уровня А_з=22,2 при заданной вероятности ошибки Р_ош=10^-10. Поэтому требования, которые предъявляются к приемным устройствам для скоростей 40Гбит/сек, очень жесткие. Для достижения необходимой защищенности необходимо использовать дополнительные средства.

2 Разработка структурной схемы усилителя

Как было сказано выше, в состав приемных оптических модулей кроме фотодетектора входит так же предварительный электронный широкополосный усилитель. Низкоуровневый сигнал тока фотодетектора должен быть усилен так, чтобы дополнительная его обработка существенно не добавляет мешающие колебания. Предварительный усилитель используется для преобразования тока в напряжение для последующей обработки. Чувствительность приемника и отношение сигнал/шум определяется на этой стадии, поэтому требуется усилитель с очень малым уровнем шума. В случае применения p-i-n – фотодиода порог чувствительности определяется шумами схемы, здесь роль входного каскада особенно велика.

 Рассмотрим возможность проектирования усилителя на скорость передачи 2,5Гбит/сек. На выходе фотодетектора полоса частот 1,25ГГц (при использовании сигнала в формате NRZ). Были рассмотрены биполярные транзисторы с граничной частотой, превышающей частоту на выходе фотодетектора. Из ряда предложенных транзисторов наиболее подходящим по всем характеристикам является  транзистор 2Т3115А-6 кремневый эпитаксиально - планарный структуры n-p-n усилительный, который предназначен для применения во входных и последующих каскадах малошумящих усилителей сверхвысоких частот в составе гибридных интегральных микросхем. Основные характеристики данного транзистора приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 -  Основные характеристики транзистора 2Т3115А-6