Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Волоконно-оптические сети - Р.Р. Убайдуллаев.pdf
Скачиваний:
702
Добавлен:
24.05.2014
Размер:
17.59 Mб
Скачать

мощность, выше которого ВЕР начинает превосходить максимально допустимую величину для данного приложения.

Диапазон значений мощности от чувствительности до насыщения ПРОМ называется динамическим диапазоном ПРОМ.

Максимально допустимое обратное напряжение Ur - это напряжение,

превышение которого может привести к пробою фотоприемника и его разрушению. Наряду с этим значением или вместо него изготовители фотоприемников могут указывать просто обратное рабочее напряжение. Если выбрать меньшее значение рабочего напряжения, то будет ограничена область линейной характеристики фотоприемника.

Рабочий диапазон температур (0С). Есть две характеристики, на которые сильно влияет изменение рабочей температуры фотоприемника.

Во первых, это квантовая эффективность, которая может вести себя в общем случае довольно сложным образом с изменением температуры. Например, на рис. 4.10 а показана зависимость квантовой эффективности фотодиода на основе кремния. По горизонтальной оси отложена длина волны падающих фотонов, по вертикальной относительное процентное изменение квантовой эффективности при увеличении температуры на 1 градус. Из рисунка видно, что если длина волны меньше 600 нм, то с ростом температуры квантовая эффективность падает, а при λ>600 нм квантовая эффективность увеличивается с ростом температуры.

Во вторых, рост температуры приводит к экспоненциальному росту термических возбужденных электронно-дырочных пар, в результате чего также экспоненциально возрастает темновой ток, рис. 4.10 б. Утечка тока удваивается при повышении температуры на 8-10°С.

Рис. 4.10. Температурные зависимости квантовой эффективности и темнового тока: а) относительное изменение квантовой эффективности при изменении температуры на 1 °С для разных длин волн; б) зависимость темнового тока от температуры.

Наработка на отказ (тыс. часов). При правильной эксплуатации ресурс фотоприемников значительно выше, чем у с вето излучающих диодов.

Лавинный фотодиод

Принцип работы. Главным отличием лавинного фотодиода (ЛФД) от обычного фотодиода является внутреннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала. Если структура слоев у обычного фотодиода имеет вид p+-i-n+, то у ЛФД добавляется р-слой (p+-i-p-n+), рис. 4.7 б. Причем профиль распределения легирующих примесей выбирается так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряженность электрического поля имел р-слой. При воздействии света на i-слой образуются электронно-дырочные пары. Благодаря небольшому полю, происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам. При попадании свободных электронов из i-слоя в р-слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокого электрического поля в р-слое. Ускоряясь в зоне проводимости р-слоя, такие электроны накапливает энергию достаточную, чтобы выбить (возбудить) другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит название лавинного усиления или умножения первичного фототока. Коэффициент умножения составляет несколько десятков? поэтому токовая чувствительность ЛФД значительно выше токовой чувствительности p-i- n фотодиодов. Коэффициент умножения М определяется по эмпирической формуле М=1/(1-(U/Ub)n) где U - напряжение внешнего обратного смещения, Ub - напряжение обратного смещения, при котором наступает электрический пробой (breakdown) фотодиода - обычно это напряжение порядка 100 В,., но может достигать в некоторых устройствах нескольких сот вольт, n-число в диапазоне от

3 до 6, рис. 4.11.

Рис. 4.11. Зависимость коэффициента умножения лавинного фотодиода от рабочего напряжения обратного смещения

ЛФД имеют высокое быстродействие, однако случайная природа лавинного тока приводит к шуму. В отличие от полезного сигнала, который усиливается пропорционально М, шум усиливается быстрее (приблизительно как М2,1). В результате этого выбирается оптимальное значение коэффициента умножения М, обычно в пределах от 30 до 100.

Особенностью работы ЛФД являются более высокое рабочее напряжение по сравнению с p-i-n фотодиодами и повышенная температурная чувствительность

коэффициента умножения, Это требует использования специальной электрической цепи, вырабатывающей необходимое рабочее напряжение, а также системы термостабилизации.

Электронные элементы ПРОМ

Выходящий электрический сигнал от фотоприемника усиливается каскадом электронных усилителей и, возможно, испытывает определенную обработку. Основные функции, которые выполняет ПРОМ на этом этапе: электронное предусиление и усиление, выравнивание, фильтрация, дискриминация, синхронизация и работа таймера.

Электронное предусиление и усиление. Типовое значение оптического сигнала на входе фотоприемника составляет 1-10 мкВт, а иногда и меньше. Если такой сигнал обрабатывается p-i-n фотодиодом с токовой чувствительность от 0,6 до 0,8 А/Вт, то выходной ток составит несколько микроампер, и необходимо последующее его усиление. Допускается одна или несколько стадий усиления. Обычно усилитель на первой стадии называется предусилителем. Его особенностью является низкий уровень вносимых шумов. Далее следует усилитель мощности.

Выравнивание. Прием и усиление сигнала может несколько изменять обрабатываемый сигнал. Например, каскад электронных усилителей, принимающий широкополосный аналоговый сигнал, может иметь разный коэффициент усиления для высоких и низких частот. Чтобы восстановить правильное соотношение амплитуд в низкой и высокой областях спектра, необходимо добавить цепь выравнивания сигнала.

Фильтрация позволяет увеличить соотношение сигнал/шум посредством избирательного (в определенных диапазонах частот) подавления шума. Часто, таким образом, можно подавить высокочастотные гармоники шума, заведомо зная, что полезный сигнал не распространяется в этой области спектра.

Дискриминация. Если предыдущие три функции в равной степени могли относиться как при обработке аналогового сигнала, так и цифрового, то функция дискриминации применяется только при обработке цифровых сигналов. Из-за наличия дисперсии при распространении света по волокну приходящие фронты импульсов могут потерять первоначальную прямоугольную форму и стать размытыми. Необходимо восстановить их прямоугольную форму. Для этой цели предназначена цепь принятия решения или дискриминатор, который имеет порог срабатывания. Если амплитуда поступающего на дискриминатор сигнала меньше порога, то на выходе сигнала нет (0), если же превосходит порог, то на выходе идет сигнал определенной амплитуды (1). Главным недостатком такой регенерации цифрового сигнала является допустимость нарушения длительности импульсов. Чем меньше амплитуда поступающего на дискриминатор сигнала, тем короче могут быть импульсы, соответствующие единичному сигналу на выходе дискриминатора. Низкое значение порога также не желательно, поскольку можно ошибочно принять шум за полезный сигнал.