Потери из-за несовпадения апертуры волокна и источника излучения

, (8.6)

Где nAи  апертура источника излучения и nAв  апертура оптического волокна.

Общие потери А_ из-за несогласованности диаметра источника излучения d_и и диаметра сердцевины волокна d_в, апертуры источника излучения NA_и и апертуры волокна NA_в равны:

А_ = А_д + А_в . (8.7)

Потери отсутствуют, если апертура волокна больше апертуры источника излучения и диаметр волокна больше диаметра источника излучения.

Рассмотрим, например, источник излучения с выходным диаметром d_и = 100 микрон и апертурой NA_и = 0,3, и подключенное к нему волокно с диаметром d_в = 62,5 микрон и NA_в=0,275. Потери из-за рассогласования параметров волокна и источника излучения будут равны

дБ и дБ

Общие потери составляют А_п = 4,08 + 0,76 = 4,84 дБ. Если выходная мощность источника излучения составляет 1 мВт, то только 0,328 мВт попадет в волокно.

4) быстродействие источника излучения ПОМ представляет скорость включения и выключения источника при воздействии на него прямоугольных импульсов. Скорость определяется временем нарастания _н и спада _с фронтов импульса оптического излучения, определяемых как временные интервалы, за которые происходит нарастание от 0,1 до 0,9 значения мощности импульса света и, наоборот, спад импульса света от 0,9 до 0,1. Время нарастания СИД составляет несколько наносекунд, а ПЛД  менее одной наносекунды. Время нарастания и спада дает информацию о рабочей ширине полосы пропускания ПОМ, которая приближенно равна

F = 0,35/_н. (8.8)

5) срок службы и надежность ПОМ определяются условиями их эксплуатации, и оценивается наработкой на отказ до 10⁶ час для СИД и не менее 10⁵ час для ЛПД. Это достигается применением различных схем стабилизации режимов работы полупроводниковых ИОИ и непрерывного мониторинга их основных параметров.

Для модуляции оптической несущей многоканальным электрическим сигналом можно использовать частотную (ЧМ), фазовую (ФМ), амплитудную (АМ), поляризационную (ПМ) модуляции, модуляцию по интенсивности (МИ) и др.

При фиксированных пространственных координатах мгновенное значение электрического поля монохроматического оптического излучения можно записать в виде

Е(t) = Е_ьсos(w₀t + j₀ ),

где Е_м – амплитуда поля; w₀ и j₀ – соответственно частота и фаза оптической несущей. Тогда мгновенное значение интенсивности оптического излучения будет равно

Р_мг = Е²(t) соs²(w₀t + j₀ ),

а усредненное значение по периоду Т₀ = 2p / w₀ равно

.

Последнее называется средней интенсивностью или мощностью оптического излучения.

При модуляции интенсивности (МИ) именно величина изменяется в соответствии с модулирующим многоканальным сигналом.

Отметим, что МИ нашла самое широкое применение при построении волоконно-оптических систем передачи, так как приводит к относительно простым техническим решениям при преобразовании оптического сигнала в электрический, т.е. демодуляции.

8.2.2. Приемные оптоэлектронные модули

Фотоприемники конструктивно оформляются в виде единого оптоэлектронного устройства  приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ), функциональная схема которого представлена на рис. 8.6.

Оптическое излучение с выхода станционного оптического кабеля воздействует на фотодиод (ФД), на который поступает напряжение смещения от управляемого источника напряжения (УИН). Протекающий через резистор R_н фототок I_ф создает напряжение U_ф, которое через разделительный конденсатор С_р1 поступает на вход предварительного малошумящего усилителя (Ус1). Усиленный электрический сигнал через устройства фильтрации и коррекции частотных искажений (УФК) подается на мощный усилитель (Ус2), к выходу которого подключается устройство обработки электрического сигнала (УОЭС).

Снижение влияния изменений температуры, нестабильности смещающих напряжений ФД и усилителей, колебаний чувствительности ФД компенсируется цепью отрицательной обратной связи (ОСС) путем управления смещением УИН. Качество функционирования ПРОМ осуществляется устройством мониторинга и контроля (УМК), сигналы на которой поступает с выхода Ус2 и УОЭС.

Обобщенная структурная схема оптического приемника, реализуемого в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ), представлена на рис.8.7, 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 сигнал с выхода ПМШУ усиливается мощным усилителем с автоматической регулировкой усиления (МУ с АРУ), и затем с помощью фильтра-корректора (ФК) осуществляется отфильтровывание помех и коррекция формы электрического сигнала, который и подается на оборудование сопряжения тракта приема ВОСП.

Типичный ПРОМ включает собственно приемник оптического излучения и устройства стабилизации режимов работы его активных элементов. 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 среднеквадратическое значение флуктуации выходного напряжения ПРОМ в заданной полосе частот или для заданной скорости передачи при 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 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(P_макс/Р_мин), где Р_макс и Р_мин  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.

В технике ВОСП широкое применение находят два типа фотодиодов : р-i-n и лавинный ФД.

8.2.3. p-i-n – фотодиоды

Структурная схема обратносмещенного р-i-n – фотодиода (ФД) и распределение напряженности электрического поля представлены на рис. 8.8.

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. 8.8., 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 Е_см, приложенное к этим слоям, создает в i-слое сильное внутренне электрическое поле напряженностью Е_вн. 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.

При отсутствии внешнего оптического излучения и наличии обратного смещающего напряжения в p-i-n – фотодиодах обедненный слой поляризуется и через нагрузку протекает постоянный ток I_т 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 Al_xGa_1-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. 8.9.

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.