基于APD的光通信探測系統設計與性能測試

郝世聰，張磊，常帥，于笑楠，江倫

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

自由空間光通信是一種以激光為載波的數據傳輸方式，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）由于內部雪崩增益效應的存在，具有高內部增益、高靈敏度、高增益帶寬積、高響應頻率和低噪聲等優點[1］，在光通信系統中得到了廣泛的應用。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公司設計了一種10M速率下，靈敏度為-48dBm的場效應晶體管（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，當通信速率發生改變時，接收機性能將受到較大的影響，因此有必要設計一種高適用性，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前置電路設計能夠有效抑制噪聲，提高系統信噪比[5］。

基于以上分析和研究，本文設計了一種寬帶寬的基于APD的光通信探測系統，使用二進制啟閉鍵控（OOK）調制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的性能優化提供了技術支持。

1 理論分析

對于光電導探測器，響應度ρ是一個重要的參數，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，c為光速。

若探測器接收到的入射光功率為P，則產生的光電流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，T為絕對溫度，Δf為接收機帶寬，Rl為APD內負載電阻。

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二進制數字通信系統，系統誤碼率Pe定義為：

式中，erf是誤差函數。

按照光通信業務標準以及公式（6），計算出當誤碼率Pe=10-9時，對應的信噪比（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］，因此在設計APD探測系統時，需要對溫度和提供的反向偏壓大小有精確的控制，且應準確定位系統在不同通信速率下的探測性能。

2 系統設計

本文設計的APD探測系統結構如圖1所示。按照功能，系統可以分為六個單元：APD探測單元（APD），光電流電流監測單元（Current Monitor），偏壓控制單元（Bias Controller），溫度控制單元（TEC，Tsensor&Temperature Control Loop），數據時鐘恢復單元（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光電流的電流監測單元與APD探測單元直接相連，實現這兩個功能的核心器件為電流鏡和對數放大器。+5V電壓經過直流電壓轉換（DC-DC）器件后上升到+36V，再經倍壓電路提升到+72V，并將其提供給偏壓控制單元。偏壓控制單元本質為一個30倍增益的運算放大器，通過微控制器（MCU）的數模轉換模塊（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系為：

在電流監測單元，APD產生的光電流經對數放大器（Log-TIA）轉換為電壓信號，由微控制器的模數轉換模塊（ADC1）采集。光電流IAPD經對數放大器的轉換關系為：

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

圖1 APD探測系統架構

圖2 標定工作溫度與溫度電壓的實驗數據與曲線

除了偏壓控制和光電流監測，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路對APD溫度進行檢測與控制，同時放大TEC的功率。為了標定APD工作溫度與采集的溫度電壓之間的數量關系，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系，圖2（b）表示APD工作時的溫度與采集到的監測電壓（VADC2）的關系。經過實驗與計算，得出APD工作溫度TK與微控制器模數轉換模塊（ADC2）采集的溫度電壓VADC2之間關系為：

由MCU設定好APD工作溫度之后，經過由運算放大器構成的溫控環路使APD的溫度恒定在設定的溫度。

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

3 實驗設置

為驗證和測試所設計的APD探測系統的性能，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，主要由三部分構成，鏈路發射部分，鏈路傳輸部分和鏈路接收部分。

圖3 實驗通信鏈路示意圖

鏈路發射部分主要有激光器和調制器。實驗使用的激光器可以發出波長為1550nm的激光，并使用調制器對其進行調制。調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光衰減器和平行光管。可調激光器與激光器通過光纖耦合連接，作用是對調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。由于此探測系統用于低軌道衛星以及同步軌道衛星通信鏈路，在經過較長傳輸路徑后，通信光束相對于接收面很小的光學鏡頭來說，光束直徑很大，相當于平行光，因此使用平行光管來模擬經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，APD探測系統以及誤碼儀。通信光束經平行光管后被PAT（Pointing指向，Acquisition捕獲，Tracking跟蹤）系統[11］捕獲接收，再經光纖傳輸給APD探測系統，系統采用的是Voxtel Siletz公司的APD，靶面面積為75μm，帶寬為2.2GHz。在PAT系統與APD探測系統之間使用光功率計監測信號光的光功率大小。最后將APD探測系統恢復出的數據時鐘信號輸入誤碼儀，用以測量整個通信鏈路的誤碼。此外，使用計算機時刻監控APD的工作狀態，及時調整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的探測靈敏度。在10Mbps到2Gbps范圍內，偏壓為-70V，不斷改變調制速率，同時在改變到某一通信速率時，通過調節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的探測靈敏度。改變APD的偏壓，重復上述步驟，測量系統在不同偏壓條件下的探測靈敏度。

4 實驗結果分析

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

圖4 探測靈敏度與通信速率仿真關系曲線

圖5顯示了在偏壓為-70V條件下，測得的探測系統靈敏度與通信速率的關系曲線。比較圖4與圖5，可以看出實測的探測靈敏度與仿真結果有1dB到2dB的誤差。經過分析，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，應該提高光纖耦合效率，優化溫度閉環控制的速度和精確度。

圖5 探測靈敏度與通信速率實測關系曲線

圖6顯示了在不同偏壓條件下，APD探測系統在通信速率分別為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的雪崩效應具有巨大的影響。

5 結論

本文提出了一種寬帶寬的APD光通信探測系統，目的在與適應不同通信速率，且在一個動態范圍內仍能有較好的探測靈敏度。在設計該系統時，較為全面地考慮了影響系統探測靈敏度的各種因素，系統中設計的溫控模擬電路，偏壓控制電路，光電流監測單元，數據時鐘恢復等充分保證了探測系統的性能。設計并進行了實驗驗證。在偏壓為-70V，通信速率為10Mbps～2000Mbps時，系統的探測靈敏度為-47dBm～-34dB，在10Mbps，1Gbps，2Gbps的特定速率下，系統探測靈敏度分別為-47dBm，-38dBm，-34dBm，均優于或接近于國內外提出的APD接收機指標（10Mbps，-48dBm；1Gbps，-26dBm[3］；10Gbps，-12dBm[8］），且相較于固定通信速率的接收系統更具有靈活應用性；而當給APD提供的偏壓在55V～70V范圍內增大時，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。實驗結果表明，本文設計的APD探測系統能夠為自由空間光通信探測系統的性能優化提供一個切實有效的方案。

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