6. Приемный оптический модуль

   1. Приемные антенны

Структурная схема фотоприёмника представлена на рис.6.20. Приёмная антенна осуществляет обратное преобразование лучей света: падающий на входную апертуру широкий световой пучок фокусируется в пучок малого диаметра.

Рис.6.19. Яркостная характеристика лазера на основе GaAs при различных температурах

Геометрия лучей аналогична в первом и втором случаях, только направления стрелок необходимо поменять на обратные и углы θ_вх→ θ_вых. Система, изображённая на рисунке 5, называется телескопической системой Галилея.

Рис.6.20. 1 – приёмная антенна; 2 – фотодетектор; 3 – усилитель; 4 – обрабатывающее устройство; 5 – выходной сигнал

Для приёма оптического сигнала и его детектирования применяются в основном два метода, схемы которых приведены ниже:

а) метод прямого фотодетектирования (энергетический)

реализуется по схеме, изображенной на рис.6.21, в которой детектируется прямой сигнал, приходящий от источника через оптическую антенну на фотодетектор.

Рис.6.21. 1 – источник информации; 2 – фотоприёмник; 3 – усилитель фотоприёмника

б) метод гетеродинного приёма по реализуется по схеме, приведенной рис.6.22.

В этой схеме дополнительно введены источник гетеродинного излучения (4) и два зеркала.

Для реализации метода оптического гетеродинирования необходимо смешивать в плоскости фотодетектора две волны - сигнальную и волну дополнительного лазера, играющего роль гетеродина.

Рис.6.22. 1- источник информации, 2 – фотоприемник, 3 –усилитель фотоприемника, 4 - гетеродинный источник

На входе оптического приёмника размещается линзовая фокусирующая система, которая и является оптической приёмной антенной. Схемы таких антенн приведены ниже:

Рис.6.23. Зеркальная фокусирующая антенна; . 1 – зеркало, 2 – узкополосный фильтр, 3 – фотодетектор

Рис.6.24. Линзовая фокусирующая антенна; 1 – объектив (собирающая линза), 2 – узкополосный фильтр, 3 – фотодетектор

Рис.6.25. Телескопическая антенна; 1 – телескоп, 2 – узкополосный фильтр, 3 – фокусирующая линза, 4 – фотодетектор

Рис.6.26. Телескопическая антенна. 1 – объектив, 2 – диафрагма, 3 – окуляр, 4 – узкополосный фильтр, 5 – фокусирующая линза, 6 – фотодетектор; D_вх – диаметр входной линзы, d_вх – диаметр

отверстия диафрагмы.

Сигнал фотодетектора необходимо усилить и демодулировать, для чего служат усилитель и демодулятор. Все три блока объединяют в одно устройство – приёмный модуль (аналогично передающему модулю).

6.2.6.2. Компоненты приемного модуля

Оптический приемный модуль представляет собой собранное в общем корпусе устройство, состоящее из фотодетектора (p - i - n – фотодиода или лавинного фотодиода) и малошумящего предварительного усилителя. В качестве усилителей используют различные схемы: усилитель с высоким входным сопротивлением (с коррекцией в области высоких частот) – усилитель “прямой линии”, усилитель с низким входным сопротивлением (без коррекции) и усилитель с обратной связью по напряжению – трансимпедансный усилитель, шумы которого значительно меньше, чем в усилителе без обратной связи. Кроме того, нет необходимости осуществлять частотную коррекцию трансимпедансного усилителя. Однако, у него есть недостаток – склонность к самовозбуждению на высоких частотах.

В основном используются две схемы, приведенные на рис.6.27: усилитель «прямой линии» или интегрирующий (схема а) и трансимпедансный усилитель (схема б).

Рис.6.27. Усилители приемного модуля; а) усилитель «прямой линии», б) трансимпедансный усилитель

Рассмотрим ток, возникающий в фотодиоде при попадании на него светового потока.

Как известно, с укорочением длины волны электромагнитного излучения оно начинает проявлять корпускулярные свойства, т.е. свойства частиц – фотонов. Кроме того, к излучению можно применить понятие температуры, которая находится из условия:

,

где

–постоянная Планка, имеющая размерность действия,

– постоянная Больцмана.

Для нормальной температуры Т =293˚К, получаем частоту f=6,1·10 ¹² Гц и соответствующую длину волны λ= 49,2 мкм.

Число фотонов, излучаемых источником в секунду, можно определить по формуле

где – излучаемая (передаваемая) оптическая мощность.

Полагая Р_пер=10 мВт, λ=10 мкм, получим n=5,03·10¹⁷ фотонов.

Принимаемая мощность P_пр будет равна

,

где S_пр - площадь фотоприемника , R- расстояние от излучающей площадки до фотодиода, а фототок I_ф с учетом запаздывания на время описывается выражением

,

где А – чувствительность фотоприёмника, I_Т – темновой ток фотоприёмника, L – расстояние, которое проходят электроны внутри фотодиода.

В зависимости от того, в аналоговой или цифровой форме передаются данные по линии связи, требуется различная мощность оптических сигналов, принимаемых фотодетектором. Мгновенное значение фототока i(t) фотодетектора определяется с помощью соотношения

, (6.1)

Где p(t) мгновенное значение мощности пучка света, падающего на фотодетектор.

Для p-i-n и лавинного фотодиода

, (6.2)

где е- заряд электрона, h - постоянная Планка, - частота оптического излучения, G - коэффициент усиления фотодиода

(G =1 для p-i- n - диода), - отношение числа электронов к числу фотонов (квантовый выход).

При приеме сигнала в аналоговой форме с модуляцией интенсивности света, падающего на фотодетектор,

, (6.3)

где P_r - мощность, принимаемая оптическим модулем, m - глубина модуляции в %, _m - частота модуляции.

Подставляя p(t) в выражение для фототока, получим:

, (6.4) где первое слагаемое –переменная составляющая тока сигнала, а второе – темновой ток, медленно меняющийся во времени. Средний квадрат первого слагаемого составляет

(6.5)

при Т→∞.

Второе слагаемое в (6.4) средняя величина постоянного тока равная

.

Полезный сигнал, возникающий на фотодиоде, может маскироваться шумами в оптической системе и в усилителе.

В оптических системах связи имеются шумы, источниками которых являются сам сигнал и фотоприемник. Первый – возникает из-за флуктуаций при регистрации фотонов фотодетектором – квантовый шум

, (6.6)

где В – ширина полосы пропускания, F– шум, обусловленный внутренним процессом лавинного умножения в фотодиоде.

. (6.7)

Здесь х – фактор избыточного шума, равный 0,2…0,3 для хороших кремниевых фотодиодов, используемых при детектировании света с длиной волны меньшей λ=1,1 мкм.

Шум в фотоприемнике является суммой всех шумов, генерируемых в схеме приемника оптического модуля. Основную роль при этом играет тепловые шумы и флуктуационный шум в предусилителе.

Совокупность всех шумов определяется значением энергетического эквивалента шума (noise equivalent power), выражаемого в Вт·Гц^-1/2. Для фотоприемника с p-i-n - фотодиодом NEP=10^-12 Вт·Гц^-1/2, и – c лавинным фотодиодом NEP=10^-12 Вт·Гц^-1/2.

Квантовые и тепловые шумы не коррелированы, поэтому они аддитивно складываются. При этом отношение среднеквадратического значения тока сигнала к среднеквадратическому значению шумового тока составляет:

(6.8)

При передаче аналоговых сигналов по линии связи, при сто процентной модуляции интенсивности пучков света (m=1)

(6.9)

Для p-i-n - фотодиода F=1, а в случае лавинного фотодиода справедливо соотношение

. (6.10)

В этом случае фотоприемник будет работать в режиме квантового шума, и мощность будет пропорциональна ширине полосы.

. (6.11)

При F=1,  и при минимальном квантовом шуме

. (6.12)

Если в фотоприемнике преобладает не квантовый шум, а другие виды шума, то требуемая мощность будет выше:

, (6.13)

где

. (6.14)

Оптическая мощность достаточная для того, чтобы отношение сигнал / шум при приеме импульсов света по линии связи было равно 1, называется минимальной детектируемой оптической мощностью (МДМ). Полагая

, (6.15)

получим

. (6.16)

Если в фотоприемнике преобладают тепловые шумы и дробовой шум, вызванный темновым током фотодиода, то МДМ рассчитывается по формуле:

. (6.17)

При

(6.18)

и

(6.19)

При передаче цифровой информации по линии

, (6.20)

, (6.21)

где D описывается соотношением (6.14).