激光通信直接探测

        高速、远距离、波形扭曲、线性和非线性串扰、累加的ASE噪声、光信噪比(optical signal-to-noise, OSNR)。直接探测器主要包括两种形式，即无前置放大和有前置放大，

       在一个直接探测系统中，不考虑波形扭曲和串扰情况下，Q值只依赖光电探测后的电SNR。在一个强度直接探测(IMDD)系统中，接收灵敏度主要受热噪声，闪烁噪声，光电二极管光电流影响，

       一个10Gbps的二进制直接探测系统，电带宽Be=7.5GHz(非归零码10Gbps对应的正弦频率为5GHz)，R=0.85mA/mW，RL=50Ω，Id=5nA，T=300K，Q值和输入功率关系如下图所示，误码率BER=1E-12对应Q=7，最低接收光功率为-19dBm。由图也可以看出，这种情况下主要是热噪声为主。

红色为只考虑热噪声条件下，输入功率和Q之间的关系；绿色为只考虑闪烁噪声条件下，输入功率和Q之间的关系；蓝色为只考虑暗电流条件下，输入功率和Q之间的关系。

       热噪声为主的情况下，如果考虑波形扭曲，A<1，B>0，则Q值表达式变为，

       目标Q=7时，接收灵敏度，

       另外一种情况，如果RL非常大，散粒噪声是主要噪声源，

       其中，，如果量子效率100%，无波形扭曲，则有，。如果带宽效率为1bit/Hz，此时量子极限探测效率是49光子/bit。

       另外，可以通过增加前置光放大器来增加探测灵敏度，忽略波形扭曲条件下，Q值可以表示为，

       Pr=GPave，Pave=2P1，一般情况下通过前置放大器自动增益控制，将Pr控制在0dBm左右，此时探测器PIN的暗电流和热噪声影响可以忽略不计。ASE噪声和前置放大器增益是输入信号功率的函数。假设EDFA的F=5dB，相应的nsp=1.58。这里主要基于，，，。波长1550nm，则ASE的噪声光功率谱密度(W/Hz)，

       假设Pr=0dBm，RL=50Ω，Id=5nA，T=300K，Bo=25GHz，Be=7.5GHz（10Gbps通信速率），波长1550nm。不考虑波形扭曲，不同信号功率下的噪声及Q值曲线如下图所示，

红色虚线为只考虑信号-ASE噪声条件下，输入功率和Q之间的关系；蓝色虚线为只考虑ASE-ASE噪声条件下，输入功率和Q之间的关系。绿色实线为只考虑闪烁噪声条件下，输入功率和Q之间的关系；红色实线为只考虑热噪声条件下，输入功率和Q之间的关系。

       有前置光放大器情况下，接收灵敏度主要受信号ASE噪声影响，当输入信号特别弱时，ASE-ASE噪声起主要作用。Q=7对应功率Psen=-42.8dBm，比较无光放大器方案直接探测方案高约23dB。只考虑信号ASE噪声，

       直接探测Q和Pave成正比，前置放大探测Q和sqrt(Pave)成正比，一般Pave非常小，。      如果再考虑波形扭曲，A<1，B>0，

       因此，前置放大探测更容易受波形扭曲影响。