ДС Радиооптика_1 / Литература ч.1 / Введение в радиооптику

Введение в радиооптику

вопросы схемотехники и микроэлектроники приобрели исключительное значение в технике приема излучения, в особенности с развитием многоэлементных структур. Низкий уровень собственного шума чувствительных элементов фотоприемника предъявляет сложные требования к предусилителям в микросхемном исполнении и коммутирующим устройствам.

Рассмотрим особенности построения фотоприемных устройств при различных методах выделения оптического сигнала.

В настоящее время для регистрации излучения оптического диапазона используют прямой фотоприем (детектирование) и гетеродинный метод. При прямом фотоприеме энергия излучения в пределах спектральной чувствительности непосредственно преобразуется фотоэлементом и выходной сигнал и определяется входной мощностью. Сущность же оптического гетеродинирования заключается в смешении сигналов оптической частоты и наблюдении биений волн от источника сигнала и от гетеродина. Гетеродинный прием стал возможным лишь при использовании лазеров, обладающих высокой степенью когерентности.

7.2 Особенности построения аналоговых и цифровых систем оптической связи и режимы их работы

Входным элементом цифровых систем оптической связи (как и в радиотехнических вариантах) здесь является приемная антенна, которая как и передающие, могут быть отражательного или рефракционного типа. Как правило, в приемных устройствах нет необходимости коллимировать луч на входе детектора, поэтому фотодетектор может быть просто помещен в фокальную точку отражательной или рефракционной приемной антенны, как показано на рис. 7.1 (а − линзовая система, б − оптика Ньютона, в − оптика Кассегрена). Для оптических приемных систем с прямым детектированием желательно выбирать диаметр приемной антенны (которой может быть обычный фотообъектив или собирающая линза) как можно большим, что позволит обеспечить максимум сигнальной энергии на входе детектора. Знание фазы не является обязательным при прямом детектировании, поэтому аберрации оптической системы (дисторсия и астигматизм) не имеют большого значения до тех пор, пока размер сфокусированной точки приемной антенны не превышает площади фотодетектора. Для гетеродинных и гомодинных фотоприемников (ФП) размеры оптической антенны ограничены площадью когерентности принимаемого луча.

На рис. 7.2 приведены функциональные элементы аналогового (а) и цифрового (б) ФП. Аналоговые ФП принимают аналоговый оптический сигнал и на выходе формируют аналоговый электрический сигнал.

181

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

в)

Рисунок 7.1 − Структуры ФП антенн

К аналоговым ФП предъявляются требования высокой линейности преобразования и усиления сигнала при минимуме вносимых шумов. На протяженных линиях с большим количеством приемо-передающих узлов искажения и шумы накапливаются, что снижает эффективность аналоговых многоретрансляционных линий связи.

а)

Таймер

б)

Рисунок 7.2 − Функциональные элементы аналогового (а) и цифрового (б) фотоприемников

При цифровой передаче не требуется очень точная ретрансляция форм импульсов, поскольку ФП содержит узел принятия решения или дискриминатор, имеющий установленные пороги для сигналов 0 и 1, он же устраняет шумы и восстанавливает необходимую амплитуду сигнала. Правильное выделение нужного сигнала может происходить при большом уровне шумов.

182

Введение в радиооптику

Различают синхронные и асинхронные режимы приема-передачи цифрового сигнала [8, 10].

При синхронном режиме битовый поток между приемником и передатчиком носит непрерывный характер.

При асинхронном режиме данные передаются в виде битовых последовательностей − пакетов. В промежутках между пакетами линия молчит − сигнала нет. При синхронном режиме приема-передачи таймер приемника выделяет в приходящей битовой последовательности специальные сигналы − синхроимпульсы, на основании которых приемник регулирует свои часы.

При асинхронном режиме приема-передачи у приемника работает свой независимый таймер. Принимая преамбулу, таймер настраивает узел принятия решения так, чтобы определение приходящего бита выполнялось на его середине. Электрический сигнал, который выдает узел принятия решения, идет на частоте таймера. Так как есть погрешность у разных таймеров, то, по мере принятия последующих битов пакета, момент определения приходящего бита плавно смещается в одну из сторон относительно середины приходящего бита. Для правильной идентификации всех битов пакета важно, чтобы смещение за время принятия пакета не превысило 0,5 бита. Это приводит к ограничению на максимальную длину пакета. Чем меньше погрешность таймеров, тем большая длина пакета может использоваться для передачи.

Элементы структур ФП

Следует отметить, что для ослабления фонового излучения особенно в лазерных атмосферных системах связи (ЛАСС), перед фотодетектором устанавливаются оптические фильтры (поглощающие, рассеивающее поляризационные и интерференционные). Поглощающие фильтры характеризуются относительно широкими полосами пропускания. Рассеивающие фильтры изготовляются из оптически прозрачных материалов, которые на центральной длине волны однородны, а на всех других длинах рассеивают излучение.

Полоса пропускания и центральная частота фильтра зависят от показателей преломления материалов, размеров частиц и толщины фильтра. В ИК-диапазоне с помощью рассеивающих фильтров может быть получена полоса около одного микрона. Если поляризация оптического излучения, падающего на ФП, известна, то можно использовать поляризационный фильтр. Поляризатор, настроенный на плоскость поляризации оптической несущей, помещается перед двулучепреломляющей кристаллической пластиной, вносящей фазовый сдвиг. Кристалл вносит фазовый сдвиг между обыкновенным и необыкновенным лучами; фазовый сдвиг пропорционален оптической частоте. Длина кристалла выби-

183

Введение в радиооптику

ния, нанесенных на стеклянной подложке. Оптическая толщина центрального слоя равна половине длины волны, внешних слоев − четверти длины волны каждая. Внешние HLH диэлектрические наборы слоев действуют как сильно отражающие пластины резонатора Фабри-Перо, разделенные LL диэлектрической пластиной.

Как было сказано выше, за фильтрами следует, определяющий основные характеристики ФП элемент – фотодетектор, который в современных ФП устройствах систем связи – полупроводниковый элемент на основе внутреннего фотоэффекта (р-i-n-фотодиоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы).

Величина тока вырабатываемого фотодетектором, зависит от свойств материала, который определяет спектральный диапазон, в пределах которого может приниматься сигнал. Кремний пригоден для детектирования света в диапазоне длин волн 400 − 1100 нм, что близко к свойствам арсенида галлия (400 − 1000 нм). При больших длинах волн (800 − 1600 нм) используется германий, тогда как InGaAs и InGaAsP оказываются эффективными для детектирования оптических сигналов в ближней ИК-области, используемой в телекоммуникационных каналах.

Важными характеристиками и параметрами детекторов являются: время отклика (определяет, насколько быстро данное устройство может отслеживать поступающие сигналы или на какой частоте оно может работать); шумовые характеристики (могут приводить к регистрации ложных сигналов, генерируемых в результате тепловых эффектов). Учет этих факторов особенно важен при определении минимального уровня входного светового сигнала, при котором данное устройство еще способно обеспечивать нормальную работу.

Основными параметрами фотодетектора являются: чувствительность интегральная (S∑) и монохроматическая (Sλ), которые определяются поглощательной способностью элемента, принимающего излучения; пороговый поток (ФП) и обнаружительная способность фотодетектора (ФД) (DП=1/ФП); шум дробового эффекта, характерный для приемников, использующих фотогальванический фотоэффект; тепловой шум, обусловленный хаотическим тепловым движением носителей заряда в полупроводниках и определяемый по формуле Найквиста; генерационнорекомбинационный шум, вызываемый флуктуациями скоростей генерации и рекомбинации носителей заряда; избыточный шум, объединяющий несколько видов шумов (все они изменяются обратно пропорционально частоте и имеют место только при протекании тока через приемник, поэтому их называют также токовыми шумами или шумами, типа 1/f; радиационный (фотонный) шум, возникающий вследствие флуктуации числа фотонов фона и источника излучения; пороговым потоком называ-

185

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

ется минимальный поток излучения на входе ФП, который создает на выходе электрический сигнал, равный по величине среднеквадратичному значению напряжения шума; вольтовой чувствительностью ФП и ряд др.

Входным сигналом для биполярного фототранзистора (ЛФД и p- i-n-фотодиоды были рассмотрены выше) служит падающий поток излучения Ф(hν), который и управляет током в цепи.

Благодаря усилению фототока интегральная чувствительность биполярног фототранзистора (БФТ) выше, чем у фотодиода (ФД), и достигает 0,2 − 0,5 А/мЛм. Вольтовая чувствительность БФТ сравнима с ФД, так как темновой ток ФД больше, а рабочее напряжение питания меньше (3 В). Вольтамперные характеристики аналогичны ФД. БФТ имеют меньшее внутреннее сопротивление, и их характеристики обладают большей крутизной, чем у ФД. Световые характеристики БФТ линейны в широком диапазоне.

По постоянной времени и частотным характеристикам БФТ уступают ФД, так как эмиттерный переход имеет большую емкость (примерно 105 пФ/см2), что увеличивает постоянную времени схемной релаксации (постоянная времени БФТ 10−4 − 10−6 с).

Кроме схемы включения с оборванной базой (наиболее часто используемые на практике) для БФТ разработаны специальные схемы включения, учитывающие необходимую стабильность его работы при изменении температуры окружающей среды. Повышения стабильности работы БФТ добиваются применением компенсирующих элементов и отрицательной обратной связи по переменному току.

В полевых фототранзисторах (ПФТ) между истоком и стоком образуется фоторезистивный проводящий канал, сопротивление которого изменяется при его облучении и зависит также от потенциала затвора. Затвор отделен от проводящего канала p-n-переходом, ширина которого модулируется потенциалом затвора. Расширение перехода уменьшает сечение канала и увеличивает его сопротивление, сужение − наоборот. Переход затвор-канал можно рассматривать как ФД, в цепи которого фототок IФД, пропорциональный потоку излучения, вызывает на резисторе RЗ падение напряжения ∆UЗ = RЗIФД, что приводит к изменению потенциала затвора. Как и в обычном полевом транзисторе, при изменении потенциала затвора изменяется ток стока:

∆IС = S∆UЗ = SRЗIФД,

где S − крутизна характеристики передачи dIC/dUЗ при UCИ = const. Можно показать, что токовая чувствительность ПФТ по сравне-

нию с токовой чувствительностью ФД увеличивается в SRЗ раз. Энергетические характеристики ПФТ линейны лишь в опреде-

ленных пределах изменения потока излучения. При больших уровнях

186

Введение в радиооптику

потока излучения потенциал затвора становится столь малым, что его изменения практически перестают влиять на ток стока, который близок к максимальному значению. Инерционность ПФТ определяется инерционностью цепи затвора и временем пролета носителей заряда через канал. Постоянная времени ПФТ составляет 10−7с для малых потоков излучения.

Технические характеристики фотоприемников

Факторы, влияющие на технические характеристики ФП, сложны и сильно взаимосвязаны между собой. На первый взгляд может показаться, что достаточно выбрать только три параметра − чувствительность, быстродействие, цену. На практике эти факторы часто оказываются зависящими от других факторов, включая рабочую длину волны, выбор ОВ и передатчика, темновой ток, шумовые характеристики, тип кодировки передаваемого сигнала и др.

Главными из характеристик ФП являются: токовая чувствительность; квантовая эффективность; темновой ток; время нарастания и спада; эквивалентная мощность шума; соотношение с/ш и чувствительность аналоговых систем; частота появления ошибок и чувствительность цифровых систем; насыщение ПРОМ; максимально допустимое обратное напряжение; рабочий диапазон температур; наработка на отказ. Рассмотрим их более подробно.

Токовая чувствительность (монохроматическая) Siλ (А/Вт) определяется как Siλ = Iiλ /Р(λ), где Iiλ − фототок, а Р(λ) − полная оптическая мощность излучения на длине волны λ, падающего на фоточувствительную площадку. Токовая чувствительность характеризует ФП при низких частотах модуляции.

Квантовая эффективность η (безразмерная величина) определяется как η = Nq/Niλ, где Niλ − количество фотонов, падающих за единицу времени на ФП, а Nq − количество рожденных в результате этого свободных электронов (или электронно-дырочных пар). Квантовая эффективность для р-i-n-фотодиодов не может быть больше 1 (100 %).

Между токовой чувствительностью и квантовой эффективностью существует простая связь Siλ = qηλ/hc, где q − заряд электрона (1,6010 10−19 К), λ − длина волны, h − постоянная Планка (6,63 10−34 Дж сек), с − скорость света (3,00 108 м сек). Подставляя значения констант получаем Siλ = ηλ/1,24. Типичное значение токовой чувствительности для р-i-n-фотодиодов в их рабочих диапазонах составляет 0,5 − 0,8 А/Вт, а для ЛФД 20 – 60 А/Вт (табл. 7.1). Характеристики η и Siλ используют при создании ФП и ПРОМ, когда необходимо согласовывать последующий каскад электронных усилителей.

187

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

Темновой ток Iт (А) протекает при обратном смещении через нагрузку в отсутствии падающего на ФД излучения. Его величина зависит от материала полупроводника, температуры окружающей среды, конструкции ФП. Максимальные значения этот ток утечки имеет в ФД, изготовленных из германия, и составляет от долей до единиц миллиампера (табл. 7.1). Этот ток добавляется к току полезного сигнала, когда на ФД поступает свет.

Для изучения шумовых характеристик приемника используются также еще два шумовых тока: дробовой ток Iдр − для р-i-n-фотодиода Iдр= =(2qIтВ)0,5, где q − заряд электрона, Iт − темновой ток, В − полоса пропус-

кания (частота модуляции); It − тепловой Джонсоновский ток It = =(4kТВ/R)0,5, где k − постоянная Больцмана (1,38 10−23 Дж К−1), Т − абсо-

лютная температура (К), В − полоса пропускания, R − сопротивление

(Ом).

Полный шумовой ток IΣ определяется, как среднее квадратичное дробового и теплового токов IΣ = (I2др + I2t)0,5.

Время нарастания τp (спада τc) − это самая важная динамическая характеристика ФП. Она определяется как время, необходимое выходному сигналу, чтобы возрасти от уровня 0,1 до 0,9 (упасть от 0,9 до 0,1) от установившегося максимального значения при условии, что на вход подаются строго прямоугольные импульсы света большой длительности. Эти времена зависят от геометрии ФД, материала, напряженности ЭП в слаболегированной области, температуры. Максимальная из двух величин (обычно τp) берется в качестве характеристики времени отклика ФП. С увеличением частоты модуляции входных оптических импульсов максимальное значение фототока уменьшается. Предельная частота определяется как частота модуляции, при которой токовая чувствительность составляет 0,707 от значения токовой чувствительности при низких частотах модуляции.

188

Введение в радиооптику

Если внутренние задержки прямо не влияют на полосу пропускания или скорость передачи, то времена нарастания и спада главным образом определяют полосу пропускания. Различные ФП могут очень сильно отличаться по быстродействию (табл. 7.1) Наиболее быстрыми являются р-i-n-фотодиоды. У ЛФД увеличение коэффициента умножения сопровождается уменьшением быстродействия по сравнению с р-i-n- фотодиодами. Наиболее медленными являются БФТ.

Эквивалентная мощность шума Рш(Вт) − это одна из наиболее важных характеристик, учитывающих шумовые свойства ФП. Она определяет минимальную мощность оптического сигнала на входе ФП, при которой отношение с/ш равно единице, и вычисляются по формуле Рш = IΣ/Siλ, где IΣ − полный шумовой ток. По определению, эквивалентная мощность шума пропорциональна квадратному корню из полосы пропускания. РΣ можно пронормировать, поделив на B0,5. Такая нормированная эквивалентная мощность шума имеет размерность Вт Гц-0,5 и не зависит от полосы пропускания.

Например, если ФД имеет темновой ток 2 нА, сопротивление R = =5 108 Ом, токовую чувствительность Sph = 0,5 А/Вт, и полную полосу пропускания В =1 Гц, то дробовой ток Iдр = 2,5 10−14 А, тепловой ток It =

=5,6 10−15 А, полный шумовой ток IΣ = 2,6 10−14 А и эквивалентная мощность шума РΣ = 5,1 10−14 Вт.

В ФП, применяющихся в ВОСС, имеет место доминирование дробового тока над тепловым, это связано с тем, что на ФП подается обратное напряжение смещения, приводящее к темновому току, который, в свою очередь, влияет на дробовой ток. Только при нулевом напряжении смещения темновой и, следовательно, дробовой токи отсутствуют.

Главная функция ФП − это как можно более точное воспроизведение оптического сигнала, получаемого из свободного пространства в ЛАСС или ОВ в ВОСС. Две фундаментальные характеристики влияют на то, как хорошо ФП справляется с этой задачей: амплитуда входного сигнала и уровень шумов.

Соотношение с/ш и чувствительность аналоговых систем. Для аналоговых систем отношение с/ш измеряется количественно. На практике приемлемое соотношение с/ш зависит от приложения − для одних хорошим соотношением может быть величина 50 − 60 дБ, для других 30 дБ. Зная РΣ и требования к отношению с/ш, можно определить минимальный входной сигнал РΣ min − чувствительность аналогового ФП или ПРОМ, при котором вносимые искажения и шумы будут в пределах нормы. Этот параметр указывается производителями для ФП при поставке сетевого оборудования с вполне определенной областью приложения. Если входной сигнал ниже чувствительности ФП, то соотношение с/ш

189