21.Приемники оптического излучения Обобщенная схема приемника оптического излучения
Обобщенная структурная схема оптического приемника, реализуемого в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ) представлена на рис. , где приняты следующие обозначения: ОК – оптический кабель; ОС – оптический соединитель; ФД – фотодиод или фотодетектор; ПМШУ – предварительный малошумящий усилитель; МУ с АРУ - мощный усилитель с автоматической регулировкой усиления; ФК – фильтр-корректор.
Оптический сигнал с выхода оптического кабеля (ОК) через оптический соединитель (ОС) поступает на фотодетектор (ФД), где происходит его преобразование в электрический сигнал. На выходе ФД электрический сигнал весьма мал и сопровождается различного вида шумами. Для его усиления используется предварительный малошумящий усилитель (ПМШУ). Электрический сигнала с выхода ПМЩУ далее усиливается мощным усилителем с автоматической регулировкой усиления (МУ с АРУ) и затем с помощью фильтра-корректора (ФК) осуществляется фильтрация помех и коррекция формы электрического сигнала, который и подается на оборудование сопряжения тракта приема ВОСП.
Приемник излучения реализуется в форме оптоэлектронного изделия единой конструкции, называемого приемным оптоэлектронным модулем – ПРОМ, предназначенного для преобразования оптических сигналов, передаваемых в ВОСП в электрические сигналы.
Типичный ПРОМ включает собственно приемник оптического излучения и устройства стабилизации режимов работы его активных элементов. ПРОМ подразделяются на аналоговые и цифровые, предназначенных для преобразования аналоговых и цифровых сигналов соответственно.
Основными параметрами и характеристиками ПРОМ являются:
рабочая длина волны , т. е. длина волны принимаемого оптического излучения, для которой нормированы параметры ПРОМ;
полоса пропускания, т. е. интервал частот, в котором значение амплитудно-частотной характеристики соответствует нормам, установленным техническими условиями;
скорость приема, т. е. предельное значение скорости передачи информации, при которой параметры ПРОМ сохраняют заданные значения, установленные нормативно-технической документацией;
напряжение шума, представляющее среднее квадратическое значение флуктуации выходного напряжения ПРОМ в заданной полосе частот или для заданной скорости передачи в отсутствии оптического сигнала на входе ПРОМ;
отношение сигнал/шум (ОСШ): отношение амплитуды переменной составляющей выходного напряжения ПРОМ при заданных характеристиках принимаемого оптического сигнала к среднеквадратическому значению флуктуации выходного напряжения при приеме немодулированного оптического излучения той же средней мощности;
коэффициент ошибок: отношение числа ошибок в цифровом сигнале электросвязи ПРОМ за заданный интервал времени к числу символов, переданных в этом интервале;
порог чувствительности: минимальная средняя мощность оптического сигнала на входе ПРОМ при заданных характеристиках этого сигнала, при которой обеспечивается заданное ОСШ или заданный коэффициент ошибок.
спектральная характеристика: зависимость чувствительности ПРОМ от длины волны принимаемого оптического сигнала;
выходная характеристика: зависимость тока (напряжения) электрического сигнала от величины мощности оптического сигнала;
динамический диапазон, под которым понимается отношение вида D = 10lg(Pмакс/Рмин), где Рмакс и Рмин максимальная и минимальная мощность оптического излучения соответственно, при которых обеспечиваются заданные величины ОСШ или коэффициента ошибок.
Базовым элементом ПРОМ волоконно-оптических систем передачи является фотодетектор – оптоэлектронный прибор, преобразующий оптический сигнал в электрический сигнал соответствующей формы.
22. p-i-n – фотодиоды
Структурная схема обратносмещенного р-i-n –фотодиода (ФД) и распределение напряженности электрического поля представлены на рис. 3.36.
Сконструированный таким образом полупроводниковый прибор, получил название p-i-n – ФД, происходящего из сокращенных названий составляющих его слоев: p – positive (положительный), i – intrinsic (внутренний), n – negative (отрицательный). Обедненный i – слой такого ФД сделан максимально широким из полупроводникового материала, легированного в такой степени, чтобы не относится ни к полупроводникам n – типа с электронным видом проводимости, ни к полупроводникам р – типа с дырочной проводимостью.
Как следует из рис. 3.36, структура такого диода состоит из сильно легированного тонкого n+- слоя (подложки), слаболегированного i – слоя и тонкого сильнолегированного р+ - слоя. Толщина i – слоя должна быть во много раз больше, чем длина поглощения оптического излучения мощностью Р соответствующих длин волн. Так, если толщина тонкого р+ - слоя не превышает 0,3 мкм, то ширина i – слоя составляет несколько десятков мкм.
Так как сильное легирование р – и n – слоев увеличивает их проводимость, то обратное смещение напряжением Есм, приложенное к этим слоям, создает в i – слое сильное внутренне электрическое поле напряженностью Евн. При этом образуется обедненная зона, толщина которой сравнима с размером диода. Широкий i – слой приводит к увеличению интенсивности поглощения фотонов в обедненном слое. В результате чего падающие фотоны возбуждают ток во внешней цепи более эффективно и с меньшим запаздыванием. Носители, возникающие внутри обедненной зоны, мгновенно сдвигаются в сильном электрическом поле к p+ - и n+ - i областям диода.
Конструктивно p-i-n – ФД выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощения излучения вне i – слоя. С этой целью переход формируется у самой поверхности кристалла. Следовательно, постоянная времени такого ФД определяется временем перехода носителей заряда через обедненный слой в сильном электрическом поле.
При отсутствии внешнего оптического излучения и наличии обратного смещающего напряжения в p-i-n – фотодиодах обедненный слой поляризуется и через нагрузку протекает постоянный ток Iт малой величины, который называется темновым током. Значение этого тока определяется свойствами полупроводникового материала, толщиной p-i-n – структуры и температурой окружающей среды.
В настоящее время p-i-n – фотодиоды являются довольно распространенным типом фотодетектора. Это объясняется простотой их изготовления, достаточно высокой временной и температурной стабильностью и относительно широкой полосой рабочих частот, они обладают хорошей линейностью в широком динамическом диапазоне (от нескольких пиковатт до нескольких милливатт), обеспечивают детектирование оптических сигналов, модулируемых частотами гигагерцового диапазона.
Для изготовления р-i-n ФД обычно используют кремний (Si), германий (Ge), арсенид галия (GaAs), соединения вида InAs, InGaAs, AlGaSb и InGaAsP. Кремниевые ФД считаются идеальными для применения в ВОСП, работающих на длине волны от 0,6 до 1 мкм с максимальной чувствительностью около 0,9 мкм и квантовой эффективностью до 0,9. Для длин волн 1 мкм и выше (вплоть до 1,8 мкм) часто используют ФД на основе Ge. При использовании соединения вида AlxGa1-xAsSb получены ФД для работы на длинах волн от 0,9 до 1,3 мкм с квантовой эффективностью не хуже 0,8.
Пример конструктивного выполнения p-i-n-ФД приведен на рис. 3.37.
В фотодиодах p-i-n – типа каждый поглощенный фотон в идеале приводит к образованию одной пары “электрон-дырка”, что приводит к генерации тока во внешней цепи. Квантовую эффективность ФД можно повысить путем использования лавинного усиления (умножения), реализуемого в структуре называемой лавинным фотодиодом (ЛФД), где один фотон порождает М электронов.