基于APD的光通信探测系统设计与性能测试

郝世聪，张磊，常帅，于笑楠，江伦

（1.长春理工大学 空间光电技术研究所，长春 130022；2.长春理工大学 空地激光通信技术国防重点学科实验室，长春 130022）

自由空间光通信是一种以激光为载波的数据传输方式，在长距离传输中，由于光信号在大气传输过程中的损耗比较大，光通信探测系统需要解决接收信号功率小、信噪比低等问题。雪崩光电二极管（APD）由于内部雪崩增益效应的存在，具有高内部增益、高灵敏度、高增益带宽积、高响应频率和低噪声等优点[1］，在光通信系统中得到了广泛的应用。2012年Xin Yin等人提出一种在通信误码率为10-9下，灵敏度为-26dBm的10Gbps APD光通信接收机[2］。而在2015年，Oubei等人实验验证了在1Gbps速率，误码率10-9条件下，APD接收机灵敏度可以达到-26dBm[3］。2015 年OSILaserDiode公司设计了一种10M速率下，灵敏度为-48dBm的场效应晶体管（PINFET）光接受模组。以上几种接收机都是在固定速率下有特定的接收灵敏度，当通信速率发生改变时，接收机性能将受到较大的影响，因此有必要设计一种高适用性，高灵活性的光通信接收机。李旭等人提出利用雪崩增益控制，实现不同温度下最佳信噪比探测的方法[4］，徐伟等人提出的APD前置电路设计能够有效抑制噪声，提高系统信噪比[5］。

基于以上分析和研究，本文设计了一种宽带宽的基于APD的光通信探测系统，使用二进制启闭键控（OOK）调制NRZ码，测试了接收机在10Mbps到2Gbps速率、恒定温度、不同偏压条件下的探测性能，为空间光通信接收系统的性能优化提供了技术支持。

1 理论分析

对于光电导探测器，响应度ρ是一个重要的参数，定义为：

式中，e为电子元电荷，λ为入射光波长，η为探测器量子效率，h为普朗克常数，c为光速。

若探测器接收到的入射光功率为P，则产生的光电流iS为：

在APD探测过程中，由反向偏压影响的雪崩增益倍增因子M决定了信号放大的程度，热噪声iNT和散弹噪声iNS是其主要的噪声来源[6］。

热噪声电流均方值定义为：

其中，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，Δf为接收机带宽，Rl为APD内负载电阻。

散弹噪声电流均方值定义为：

信噪比（S/N）定义为平均信号功率与所有噪声源的平均功率之和的比，公式为：

对于OOK二进制数字通信系统，系统误码率Pe定义为：

式中，erf是误差函数。

按照光通信业务标准以及公式（6），计算出当误码率Pe=10-9时，对应的信噪比（S/N）为144[7］。

由公式（2）、（5），可以得到APD接收的探测灵敏度为：

通过以上理论分析，可以清楚看出影响APD探测灵敏度的因素是多方面的，包括工作温度、反向偏压以及通信速率等[8］，因此在设计APD探测系统时，需要对温度和提供的反向偏压大小有精确的控制，且应准确定位系统在不同通信速率下的探测性能。

2 系统设计

本文设计的APD探测系统结构如图1所示。按照功能，系统可以分为六个单元：APD探测单元（APD），光电流电流监测单元（Current Monitor），偏压控制单元（Bias Controller），温度控制单元（TEC，Tsensor&Temperature Control Loop），数据时钟恢复单元（CDR），总控单元（MCU）。作为探测核心的APD探测单元及控制核心的总控单元与其他各个单元相互连接。

如图1所示，对APD供电的偏压控制单元和检测APD光电流的电流监测单元与APD探测单元直接相连，实现这两个功能的核心器件为电流镜和对数放大器。+5V电压经过直流电压转换（DC-DC）器件后上升到+36V，再经倍压电路提升到+72V，并将其提供给偏压控制单元。偏压控制单元本质为一个30倍增益的运算放大器，通过微控制器（MCU）的数模转换模块（DAC1）在运算放大器的输入端提供一个模拟电压输入VDAC1，以此来控制APD所需要的偏压Vbias，偏压控制单元电压输入与输出的关系为：

在电流监测单元，APD产生的光电流经对数放大器（Log-TIA）转换为电压信号，由微控制器的模数转换模块（ADC1）采集。光电流IAPD经对数放大器的转换关系为：

通过对光电流监测和偏压的控制，可以对雪崩增益因子M进行有效地调整，使APD光电流始终在正常范围[9］。

图1 APD探测系统架构

图2 标定工作温度与温度电压的实验数据与曲线

除了偏压控制和光电流监测，要使APD正常工作，还需要对其工作温度进行控制。在温度控制单元，APD与温度传感器集成在氮化硅陶瓷片并贴在一块热电冷却器（TEC）上，通过模拟电路控制环路对APD温度进行检测与控制，同时放大TEC的功率。为了标定APD工作温度与采集的温度电压之间的数量关系，进行了一系列的实验与拟合计算，如图2所示：图2（a）表示温度传感器温度与传感器输出电压的关系，图2（b）表示APD工作时的温度与采集到的监测电压（VADC2）的关系。经过实验与计算，得出APD工作温度TK与微控制器模数转换模块（ADC2）采集的温度电压VADC2之间关系为：

由MCU设定好APD工作温度之后，经过由运算放大器构成的温控环路使APD的温度恒定在设定的温度。

经APD光电转换之后的信号通过耦合在其内部的互阻放大器（RTIA）放大后与数据时钟恢复单元（CDR）连接，还原出信号中的数据与时钟。此外，CDR通过内部的通信总线（I2C）与微处理器进行通信。

3 实验设置

为验证和测试所设计的APD探测系统的性能，在实验室中搭建实验平台。所搭建的光通信链路示意图如图3所示，主要由三部分构成，链路发射部分，链路传输部分和链路接收部分。

图3 实验通信链路示意图

链路发射部分主要有激光器和调制器。实验使用的激光器可以发出波长为1550nm的激光，并使用调制器对其进行调制。调制方式为二进制启闭键控（OOK），码型为不归零码（NRZ码）。

链路传输部分主要包含可调光衰减器和平行光管。可调激光器与激光器通过光纤耦合连接，作用是对调制信号光的光功率进行衰减，用以模拟信号光在大气传输中的损耗。由于此探测系统用于低轨道卫星以及同步轨道卫星通信链路，在经过较长传输路径后，通信光束相对于接收面很小的光学镜头来说，光束直径很大，相当于平行光，因此使用平行光管来模拟经过长距离传输后的通信光束。

链路接收部分主要包括PAT系统，APD探测系统以及误码仪。通信光束经平行光管后被PAT（Pointing指向，Acquisition捕获，Tracking跟踪）系统[11］捕获接收，再经光纤传输给APD探测系统，系统采用的是Voxtel Siletz公司的APD，靶面面积为75μm，带宽为2.2GHz。在PAT系统与APD探测系统之间使用光功率计监测信号光的光功率大小。最后将APD探测系统恢复出的数据时钟信号输入误码仪，用以测量整个通信链路的误码。此外，使用计算机时刻监控APD的工作状态，及时调整APD的偏压与工作温度。

实验平台搭建完成后，对APD探测系统进行一系列的性能测试实验。

首先测试在不同通信速率下探测系统的探测灵敏度。在10Mbps到2Gbps范围内，偏压为-70V，不断改变调制速率，同时在改变到某一通信速率时，通过调节衰减器对光功率进行衰减，在误码仪显示误码率达到10-9后，停止衰减，记录此时光功率计显示的接收光功率大小，即为探测系统在此通信速率下的探测灵敏度。

其次测试在不同偏压条件下探测系统的探测灵敏度。改变APD的偏压，重复上述步骤，测量系统在不同偏压条件下的探测灵敏度。

4 实验结果分析

在进行实验结果分析之前，首先仿真理论分析的结果。根据公式（7），并结合公式（2）（3）（4），带入参数值ρ＝1.01A/W ，F(M)=2.5，Id=23nA，T=290K ，M=19(Vbias=-70V)，Rl=3.3kΩ ，以通信速率为自变量，得到相应的灵敏度曲线，仿真结果如图4所示。

图4 探测灵敏度与通信速率仿真关系曲线

图5显示了在偏压为-70V条件下，测得的探测系统灵敏度与通信速率的关系曲线。比较图4与图5，可以看出实测的探测灵敏度与仿真结果有1dB到2dB的误差。经过分析，造成误差的原因是光纤的耦合损耗以及APD工作温度的上升。为了解决这一误差，应该提高光纤耦合效率，优化温度闭环控制的速度和精确度。

图5 探测灵敏度与通信速率实测关系曲线

图6显示了在不同偏压条件下，APD探测系统在通信速率分别为10Mbps、100Mbps、1000Mbps时的探测灵敏度曲线。由图可以看出，提供的反向偏压由55V上升到70V，探测灵敏度在三种速率下都有明显的提升：10Mbps下提升5.8dB，100Mbps下提升6.4dB，1000Mbps下提升7.9dB。

图6 三种通信速率下偏压对探测灵敏度的影响

从图6也可以看出，10Mbps速率下偏压提高到60V，以及100Mbps和1000Mbps速率下偏压提高到65V之后，APD灵敏度加速提升，验证了偏压大小对APD的雪崩效应具有巨大的影响。

5 结论

本文提出了一种宽带宽的APD光通信探测系统，目的在与适应不同通信速率，且在一个动态范围内仍能有较好的探测灵敏度。在设计该系统时，较为全面地考虑了影响系统探测灵敏度的各种因素，系统中设计的温控模拟电路，偏压控制电路，光电流监测单元，数据时钟恢复等充分保证了探测系统的性能。设计并进行了实验验证。在偏压为-70V，通信速率为10Mbps～2000Mbps时，系统的探测灵敏度为-47dBm～-34dB，在10Mbps，1Gbps，2Gbps的特定速率下，系统探测灵敏度分别为-47dBm，-38dBm，-34dBm，均优于或接近于国内外提出的APD接收机指标（10Mbps，-48dBm；1Gbps，-26dBm[3］；10Gbps，-12dBm[8］），且相较于固定通信速率的接收系统更具有灵活应用性；而当给APD提供的偏压在55V～70V范围内增大时，灵敏度在10Mbps、100Mbps、1000Mbps三种速率下分别提升了5.8dB、6.4dB以及7.9dB。实验结果表明，本文设计的APD探测系统能够为自由空间光通信探测系统的性能优化提供一个切实有效的方案。

[1]陈翠华，柴金华，张江辉.自由空间光通信中光电子器件的现状分析[J］.光电子技术与信息，2005，18（2）：11-17.

[2]Xin Yin，Bart M，Xing-Zhi Qiu，et al.A 10Gb/s APD-based linear burst-mode receiver with 31 dB dynamicrangeforreach-extendedPON systems[J］.Optics Express，2012，20（26）：462-469.

[3]Oubei HM，Li C，Park KH，et al.2.3Gbit/s underwater wireless opticalcommunication using directly modulated 520nm laserdiode[J］.OpticsExpress，2015，23（16）：20743-20748.

[4]李旭，彭欢，王春辉.星载激光测距仪APD最佳雪崩增益控制技术研究[J］.红外与激光工程，2016，45（5）：69-74.

[5]徐伟，陈钱，顾国华，等.用于APD激光探测的电荷灵敏前置放大器设计[J］.激光与红外，2011，41（1）：27-30.

[6]孙超.背景光作用下激光雷达中Si-APD噪声特性研究[D］.南京：南京理工大学，2014：11-14.

[7]Yariv A，Yeh P.Photonics：Optical electronics in modern communications[M］.Oxford University Press，2007：529-530.

[8]梅海阔，刘建国，刘大畅，等.高灵敏度APD光接收机系统的设计与实现[J］.光通信技术，2015（8）：15-18.

[9]颜佩琴，孟文东，王煜蓉，等.温度漂移自动补偿的高稳定Si-APD单光子探测器[J］.激光与光电子学进展，2017，54（08）：4-6.

[10]单风华，佟首峰，吕春雷.自由空间光通信APT系统信标探测技术[J］.长春理工大学学报，2013，36（3）：53-55，59.