1.4.2. Приемные оптоэлектронные модули

Функцией приемных оптоэлектронных модулей (ПРОМ) является преобразование оптического сигнала, принятого из волокна, в электрический. Последний обрабатывается далее электронными устройствами.

Основные элементы приемных оптоэлектронных модулей

Основными функциональными элементами ПРОМ являются:

• фотоприемник, преобразующий полученный оптический сигнал в электрическую форму;

• электрический усилитель, усиливающий сигнал до уровня, пригодного к обработке;

• регенератор, воспроизводящий первоначальную форму сигнала.

В некоторых ПРОМ отсутствует цепь принятия решения, поскольку электрический сигнал с выхода усилителя приемлем для непосредственной обработки другими электронными устройствами. Иногда для более эффективной работы ПРОМ перед фотоприемником устанавливается оптический усилитель.

Фото-

приемник

Малошумящий

предусилитель

Основной

усилитель

Фильтр

формы

Решающее

устройство

Таймер

На рис. 1.16 приведены функциональные элементы аналогового а) и цифрового б) ПРОМ. Аналоговые ПРОМ принимают аналоговый оптический сигнал и на выходе также выдают аналоговый электрический сигнал. К аналоговым приемникам предъявляются требования высокой линейности преобразования и усиления сигнала при минимуме вносимых шумов. Это особенно важно на протяженных линиях с последовательным числом приемо-передающих узлов, поскольку в этом случае искажения и шумы накапливаются.

Фото-

приемник

Малошумящий

предусилитель

Основной

усилитель

Демодулятор

Электрический сигнал

Свет

а)

Линейный модуль Регенератор Электрический

сигнал

Свет

б) Синхроимпульсы

Рис. 1.16. Функциональные элементы приемных оптоэлектронных модулей ПРОМ

а) аналогового; б) цифрового

При цифровой передаче от аналоговой обработки сигнала не требуется восстановление точной формы импульсов. Цифровой приемник включает регенератор, содержащий решающее устройство с порогами установленными на распознавание сигналов 0 и 1. Регенератор распознает, какой символ пришел, устраняет шумы и восстанавливает необходимую амплитуду сигнала. Правильное решение о приеме символа может происходить при относительно большом уровне шумов. Если требуется точное восстановление временных соотношений между импульсами, в состав регенератора включают выделитель тактовой частоты (таймер), который задает решающему устройству моменты принятия решения о приходе соответствующего символа (0 или1).

Принципы работы фотоприемника

Основным элементом ПРОМ является фотоприемник, изготавливаемый из полупроводникового материала. В основе работы фотоприемника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых в полупроводнике электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда. Для этого используется конструкция с p-n переходом, которая называется фотодиодом. Из фотоприемников, применяемых в ВОСП, наибольшее распространение получили p-i-n фотодиоды.

Свет образует

электронно-дырочные пары

• -

+ +

-слой i-слой - слой слойссслой

- +

- -

U

Параметр геометрии

Рис.1.17. Структура, включение и распределение потенциала p-i-n фотодиода.

Рассмотрим принцип работы фотоприемника на основе p-i-n фотодиода, для которого характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями и - типа (+ означает сильное легирование), рис.1.17. Также i-слой называют обедненным слоем, поскольку в нем нет свободных носителей. На p-i-n структуру подается напряжение с обратным смещением (по сравнению со светоизлучающим диодом). Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальное значение электрического поля (градиент потенциала) создается в i-слое. Но поскольку там нет свободных носителей, нет и электрического тока, так что i-слой испытывает только поляризацию. При наличии падающего излучения на i-слой, в нем образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам, образуя электрический ток. Эффективным является взаимодействие излучения только с i-слоем, так как при попадании фотонов в и -слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. Поэтому при изготовлении фотодиодов стремятся делать и -слои как можно тоньше, а обедненную область достаточно большой протяженности, чтобы она полностью поглощала весь падающий свет.

Эффективность (квантовая) обедненной области в рабочем диапазоне длин волн достаточно высока – порядка 80-100%. Однако часть падающего излучения испытывает френелевское отражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на границе между этой поверхностью и средой. Для уменьшения отражения приемную поверхность обедненного слоя покрывают специальным антиотражающим слоем.