基于APD的光通信探測系統(tǒng)設(shè)計與性能測試

郝世聰，張磊，常帥，于笑楠，江倫

（1.長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)研究所，長春 130022；2.長春理工大學(xué) 空地激光通信技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，長春 130022）

自由空間光通信是一種以激光為載波的數(shù)據(jù)傳輸方式，在長距離傳輸中，由于光信號在大氣傳輸過程中的損耗比較大，光通信探測系統(tǒng)需要解決接收信號功率小、信噪比低等問題。雪崩光電二極管（APD）由于內(nèi)部雪崩增益效應(yīng)的存在，具有高內(nèi)部增益、高靈敏度、高增益帶寬積、高響應(yīng)頻率和低噪聲等優(yōu)點[1］，在光通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。2012年Xin Yin等人提出一種在通信誤碼率為10-9下，靈敏度為-26dBm的10Gbps APD光通信接收機[2］。而在2015年，Oubei等人實驗驗證了在1Gbps速率，誤碼率10-9條件下，APD接收機靈敏度可以達到-26dBm[3］。2015 年OSILaserDiode公司設(shè)計了一種10M速率下，靈敏度為-48dBm的場效應(yīng)晶體管（PINFET）光接受模組。以上幾種接收機都是在固定速率下有特定的接收靈敏度，當(dāng)通信速率發(fā)生改變時，接收機性能將受到較大的影響，因此有必要設(shè)計一種高適用性，高靈活性的光通信接收機。李旭等人提出利用雪崩增益控制，實現(xiàn)不同溫度下最佳信噪比探測的方法[4］，徐偉等人提出的APD前置電路設(shè)計能夠有效抑制噪聲，提高系統(tǒng)信噪比[5］。

基于以上分析和研究，本文設(shè)計了一種寬帶寬的基于APD的光通信探測系統(tǒng)，使用二進制啟閉鍵控（OOK）調(diào)制NRZ碼，測試了接收機在10Mbps到2Gbps速率、恒定溫度、不同偏壓條件下的探測性能，為空間光通信接收系統(tǒng)的性能優(yōu)化提供了技術(shù)支持。

1 理論分析

對于光電導(dǎo)探測器，響應(yīng)度ρ是一個重要的參數(shù)，定義為：

式中，e為電子元電荷，λ為入射光波長，η為探測器量子效率，h為普朗克常數(shù)，c為光速。

若探測器接收到的入射光功率為P，則產(chǎn)生的光電流iS為：

在APD探測過程中，由反向偏壓影響的雪崩增益倍增因子M決定了信號放大的程度，熱噪聲iNT和散彈噪聲iNS是其主要的噪聲來源[6］。

熱噪聲電流均方值定義為：

其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，Δf為接收機帶寬，Rl為APD內(nèi)負(fù)載電阻。

散彈噪聲電流均方值定義為：

信噪比（S/N）定義為平均信號功率與所有噪聲源的平均功率之和的比，公式為：

對于OOK二進制數(shù)字通信系統(tǒng)，系統(tǒng)誤碼率Pe定義為：

式中，erf是誤差函數(shù)。

按照光通信業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)以及公式（6），計算出當(dāng)誤碼率Pe=10-9時，對應(yīng)的信噪比（S/N）為144[7］。

由公式（2）、（5），可以得到APD接收的探測靈敏度為：

通過以上理論分析，可以清楚看出影響APD探測靈敏度的因素是多方面的，包括工作溫度、反向偏壓以及通信速率等[8］，因此在設(shè)計APD探測系統(tǒng)時，需要對溫度和提供的反向偏壓大小有精確的控制，且應(yīng)準(zhǔn)確定位系統(tǒng)在不同通信速率下的探測性能。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的APD探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照功能，系統(tǒng)可以分為六個單元：APD探測單元（APD），光電流電流監(jiān)測單元（Current Monitor），偏壓控制單元（Bias Controller），溫度控制單元（TEC，Tsensor&Temperature Control Loop），數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)單元（CDR），總控單元（MCU）。作為探測核心的APD探測單元及控制核心的總控單元與其他各個單元相互連接。

如圖1所示，對APD供電的偏壓控制單元和檢測APD光電流的電流監(jiān)測單元與APD探測單元直接相連，實現(xiàn)這兩個功能的核心器件為電流鏡和對數(shù)放大器。+5V電壓經(jīng)過直流電壓轉(zhuǎn)換（DC-DC）器件后上升到+36V，再經(jīng)倍壓電路提升到+72V，并將其提供給偏壓控制單元。偏壓控制單元本質(zhì)為一個30倍增益的運算放大器，通過微控制器（MCU）的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊（DAC1）在運算放大器的輸入端提供一個模擬電壓輸入VDAC1，以此來控制APD所需要的偏壓Vbias，偏壓控制單元電壓輸入與輸出的關(guān)系為：

在電流監(jiān)測單元，APD產(chǎn)生的光電流經(jīng)對數(shù)放大器（Log-TIA）轉(zhuǎn)換為電壓信號，由微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC1）采集。光電流IAPD經(jīng)對數(shù)放大器的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

通過對光電流監(jiān)測和偏壓的控制，可以對雪崩增益因子M進行有效地調(diào)整，使APD光電流始終在正常范圍[9］。

圖1 APD探測系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 標(biāo)定工作溫度與溫度電壓的實驗數(shù)據(jù)與曲線

除了偏壓控制和光電流監(jiān)測，要使APD正常工作，還需要對其工作溫度進行控制。在溫度控制單元，APD與溫度傳感器集成在氮化硅陶瓷片并貼在一塊熱電冷卻器（TEC）上，通過模擬電路控制環(huán)路對APD溫度進行檢測與控制，同時放大TEC的功率。為了標(biāo)定APD工作溫度與采集的溫度電壓之間的數(shù)量關(guān)系，進行了一系列的實驗與擬合計算，如圖2所示：圖2（a）表示溫度傳感器溫度與傳感器輸出電壓的關(guān)系，圖2（b）表示APD工作時的溫度與采集到的監(jiān)測電壓（VADC2）的關(guān)系。經(jīng)過實驗與計算，得出APD工作溫度TK與微控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC2）采集的溫度電壓VADC2之間關(guān)系為：

由MCU設(shè)定好APD工作溫度之后，經(jīng)過由運算放大器構(gòu)成的溫控環(huán)路使APD的溫度恒定在設(shè)定的溫度。

經(jīng)APD光電轉(zhuǎn)換之后的信號通過耦合在其內(nèi)部的互阻放大器（RTIA）放大后與數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)單元（CDR）連接，還原出信號中的數(shù)據(jù)與時鐘。此外，CDR通過內(nèi)部的通信總線（I2C）與微處理器進行通信。

3 實驗設(shè)置

為驗證和測試所設(shè)計的APD探測系統(tǒng)的性能，在實驗室中搭建實驗平臺。所搭建的光通信鏈路示意圖如圖3所示，主要由三部分構(gòu)成，鏈路發(fā)射部分，鏈路傳輸部分和鏈路接收部分。

圖3 實驗通信鏈路示意圖

鏈路發(fā)射部分主要有激光器和調(diào)制器。實驗使用的激光器可以發(fā)出波長為1550nm的激光，并使用調(diào)制器對其進行調(diào)制。調(diào)制方式為二進制啟閉鍵控（OOK），碼型為不歸零碼（NRZ碼）。

鏈路傳輸部分主要包含可調(diào)光衰減器和平行光管?？烧{(diào)激光器與激光器通過光纖耦合連接，作用是對調(diào)制信號光的光功率進行衰減，用以模擬信號光在大氣傳輸中的損耗。由于此探測系統(tǒng)用于低軌道衛(wèi)星以及同步軌道衛(wèi)星通信鏈路，在經(jīng)過較長傳輸路徑后，通信光束相對于接收面很小的光學(xué)鏡頭來說，光束直徑很大，相當(dāng)于平行光，因此使用平行光管來模擬經(jīng)過長距離傳輸后的通信光束。

鏈路接收部分主要包括PAT系統(tǒng)，APD探測系統(tǒng)以及誤碼儀。通信光束經(jīng)平行光管后被PAT（Pointing指向，Acquisition捕獲，Tracking跟蹤）系統(tǒng)[11］捕獲接收，再經(jīng)光纖傳輸給APD探測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用的是Voxtel Siletz公司的APD，靶面面積為75μm，帶寬為2.2GHz。在PAT系統(tǒng)與APD探測系統(tǒng)之間使用光功率計監(jiān)測信號光的光功率大小。最后將APD探測系統(tǒng)恢復(fù)出的數(shù)據(jù)時鐘信號輸入誤碼儀，用以測量整個通信鏈路的誤碼。此外，使用計算機時刻監(jiān)控APD的工作狀態(tài)，及時調(diào)整APD的偏壓與工作溫度。

實驗平臺搭建完成后，對APD探測系統(tǒng)進行一系列的性能測試實驗。

首先測試在不同通信速率下探測系統(tǒng)的探測靈敏度。在10Mbps到2Gbps范圍內(nèi)，偏壓為-70V，不斷改變調(diào)制速率，同時在改變到某一通信速率時，通過調(diào)節(jié)衰減器對光功率進行衰減，在誤碼儀顯示誤碼率達到10-9后，停止衰減，記錄此時光功率計顯示的接收光功率大小，即為探測系統(tǒng)在此通信速率下的探測靈敏度。

其次測試在不同偏壓條件下探測系統(tǒng)的探測靈敏度。改變APD的偏壓，重復(fù)上述步驟，測量系統(tǒng)在不同偏壓條件下的探測靈敏度。

4 實驗結(jié)果分析

在進行實驗結(jié)果分析之前，首先仿真理論分析的結(jié)果。根據(jù)公式（7），并結(jié)合公式（2）（3）（4），帶入?yún)?shù)值ρ＝1.01A/W ，F(xiàn)(M)=2.5，Id=23nA，T=290K ，M=19(Vbias=-70V)，Rl=3.3kΩ ，以通信速率為自變量，得到相應(yīng)的靈敏度曲線，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 探測靈敏度與通信速率仿真關(guān)系曲線

圖5顯示了在偏壓為-70V條件下，測得的探測系統(tǒng)靈敏度與通信速率的關(guān)系曲線。比較圖4與圖5，可以看出實測的探測靈敏度與仿真結(jié)果有1dB到2dB的誤差。經(jīng)過分析，造成誤差的原因是光纖的耦合損耗以及APD工作溫度的上升。為了解決這一誤差，應(yīng)該提高光纖耦合效率，優(yōu)化溫度閉環(huán)控制的速度和精確度。

圖5 探測靈敏度與通信速率實測關(guān)系曲線

圖6顯示了在不同偏壓條件下，APD探測系統(tǒng)在通信速率分別為10Mbps、100Mbps、1000Mbps時的探測靈敏度曲線。由圖可以看出，提供的反向偏壓由55V上升到70V，探測靈敏度在三種速率下都有明顯的提升：10Mbps下提升5.8dB，100Mbps下提升6.4dB，1000Mbps下提升7.9dB。

圖6 三種通信速率下偏壓對探測靈敏度的影響

從圖6也可以看出，10Mbps速率下偏壓提高到60V，以及100Mbps和1000Mbps速率下偏壓提高到65V之后，APD靈敏度加速提升，驗證了偏壓大小對APD的雪崩效應(yīng)具有巨大的影響。

5 結(jié)論

本文提出了一種寬帶寬的APD光通信探測系統(tǒng)，目的在與適應(yīng)不同通信速率，且在一個動態(tài)范圍內(nèi)仍能有較好的探測靈敏度。在設(shè)計該系統(tǒng)時，較為全面地考慮了影響系統(tǒng)探測靈敏度的各種因素，系統(tǒng)中設(shè)計的溫控模擬電路，偏壓控制電路，光電流監(jiān)測單元，數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)等充分保證了探測系統(tǒng)的性能。設(shè)計并進行了實驗驗證。在偏壓為-70V，通信速率為10Mbps～2000Mbps時，系統(tǒng)的探測靈敏度為-47dBm～-34dB，在10Mbps，1Gbps，2Gbps的特定速率下，系統(tǒng)探測靈敏度分別為-47dBm，-38dBm，-34dBm，均優(yōu)于或接近于國內(nèi)外提出的APD接收機指標(biāo)（10Mbps，-48dBm；1Gbps，-26dBm[3］；10Gbps，-12dBm[8］），且相較于固定通信速率的接收系統(tǒng)更具有靈活應(yīng)用性；而當(dāng)給APD提供的偏壓在55V～70V范圍內(nèi)增大時，靈敏度在10Mbps、100Mbps、1000Mbps三種速率下分別提升了5.8dB、6.4dB以及7.9dB。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的APD探測系統(tǒng)能夠為自由空間光通信探測系統(tǒng)的性能優(yōu)化提供一個切實有效的方案。

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