4.3. Передающие и приемные оптоэлектронные модули

Передающие и приемные оптоэлектронные модули предназначены для преобразования соответственно электрических сигналов в оптические и оптических в электрические. Элементами, выполняющими эти преобразования, являются полупроводниковые источники излучения и фотоприемники, рассмотренные выше. Типичный передающий оптоэлектронный модуль (ПОМ) содержит полупроводниковый источник излучения (лазерный диод или светодиод), электронные схемы возбуждения и стабилизации работы излучателя, а также оптический соединитель или отрезок оптического кабеля. Приемный оптоэлектронный модуль (ПРОМ) образуют p-i-n-фотодиод или ЛФД, электронные схемы обработки фототока и стабилизации работы фотоприемника (ЛФД), оптический соединитель или отрезок оптического кабеля. Как передающий, так и приемный модуль выполнен в виде герметичной конструкции (рис. 4.16), что повышает надежность и улучшает условия эксплуатации источников излучения и фотоприемников. Структурные схемы ПОМ и ПРОМ показаны соответственно на рис. 4.17 и 4.18.

Рис. 4.16. Конструкция оптоэлектронного модуля:

1 — внешние электрические выводы; 2 — корпус; 3 — оптический соединитель

Основными параметрами передающих оптоэлектронных модулей цифровых ВОСП являются: средняя мощность излучения, длина волны, ширина спектра излучения и скорость передачи. В ряде случаев задаются такие эксплуатационные параметры, как интервал рабочих температур, входное напряжение, напряжение питания и д.р. Средняя мощность излучения определяется как среднее за заданный интервал времени значение мощности на выходе оптического соединителя (выходном оптическом полюсе)* в заданном телесном угле при определенном входном напряжении.

Таблица 4.6

Тип фотоприемника	Рабочая длина волны, мкм	Диаметр фото-чувствительной площадки, мкм	Рабочее напряжение, В
ЛФД на основе кремния	0,8... 0,9	200 500	150...300 150...300
ЛФД на основе германия	1,3	200 100 80	30 ... 45
	1,55	200 100 80	30... 45
Фотодиод на основе соединений InGaAs	1,3	200 80	5(10)
	1,55	200 80	5(10)

Длина волны излучения ПОМ, на которой нормируются его параметры, часто называется рабочей длиной волны. Ширина спектра ПОМ определяется шириной спектра используемого излучателя, а скорость передачи зависит от быстродействия источника излучения и электронной схемы возбуждения. Под входным напряжением обычно понимают входное напряжение логической «I» и логического «О». Как правила, эти напряжения соответствуют стандартным сигналам семейства ТТЛ или ЭСЛ интегральных микросхем. Для уменьшения влияний температурной нестабильности характеристик лазерного диода в состав ПОМ входит фотоприемник {обычноp-i-n-фотодиод), используемый в качестве датчика обратной связи. Ответвление части оптической мощности излучателя в цепь обратной связи осуществляют с заднего торца лазерного диода, а фототок датчика используют для управления режимом работы излучателя.

Приемные оптоэлектронные модули цифровых ВОСП характеризуются следующими основными параметрами: рабочей длиной волны, напряжением шума, вольтовой чувствительностью, пороговой мощностью или пороговой чувствительностью, скоростью передачи и коэффициентом ошибок. Определенную роль играют и эксплуатационные параметры (напряжение источника питания, выходное напряжение, соответствующее логическим «1» и «О», интервал рабочих температур и др.).

Рис. 4.18. Структурная схема приемного оптоэлектронного модуля:

1-оптический соединитель и согласующее устройство; 2 — малошумящий предусилитель; 3 — усилитель с АРУ; 4 — фильтр-корректор

*Оптический полюс —место ввода (вывода) оптического излучения в компонент ВОСП.

Рис. 4.19. Входные цепи ПРОМ на трансимпедансном (а) и интегрирующем (б) предусилителях.

Под рабочей длиной волны ПРОМ понимают длину волны принимаемого оптического излучения, для которой его параметры нормированы. Напряжение шума ПРОМ представляет собой среднеквадратическое значение флуктуации его выходного напряжения в заданной полосе частот при отсутствии оптического излучения на входном оптическом полюсе. Это напряжение обусловлено не только шумами фотоприемника, но и шумами предусилителя, включенного непосредственно после фотоприемника и обеспечивающего предварительное усиление фототока. Основное требование к предусилителю — обеспечение минимального уровня собственных помех в полосе частот усиливаемого сигнала. Вольтовая чувствительность представляет собой отношения напряжения на заданной нагрузке ПРОМ к мощности излучения, вызвавшего появление этого напряжения. Значение вольтовой чувствительности приемных оптоэлектронных модулей обычно лежит в пределах В/Вт.

Важным параметром ПРОМ является пороговая чувствительность. Порог чувствительности определяет минимальную среднюю мощность излучения на входе ПРОМ для заданного сигнала (код в линии, скорость передачи), при которой обеспечивается заданное отношение сигнал/шум или заданный коэффициент ошибок. Чем меньше порог чувствительности, тем больше энергетический потенциал системы, а следовательно, и длина участка регенерации. Поэтому минимизация порога чувствительности является одной из главных задач при разработке приемных оптоэлектронных модулей.

В качестве предусилителя в приемных оптоэлектронных модулях применяют трансимпедансный и интегрирующий усилители. Структурные схемы входных цепей ПРОМ для таких предусилителей показаны на рис. 4.19. Обе схемы могут работать до скорости передачи 400 Мбит/с, а в некоторых случаях и до 1 Гбит/с. Основным недостатком интегрирующего усилителя является его насыщение при длинной серии единиц, а недостатком трансимпедансного усилителя — сложность обеспечения устойчивости на высоких частотах. В схеме интегрирующего предусилителя входная цепь благодаря высокому входному сопротивлению представляет собой интегратор. Частотная характеристика входной цепи на частоте имеет простой полюс, который приводит к спаду логарифмического коэффициента передачи с крутизной -6 дБ/окт. Этот спад корректирует дифференциатор,,с малой постоянной времени, установленный на выходе усилителя. Частота нуля дифференциаторавыбирается равной частоте, что позволяет обеспечить увеличение общей полосы пропускания до частоты. У трансимпедансного предусилителя полоса пропускания равна, гдеG— коэффициент усиления по петле обратной связи. Однако на практике она снижается из-за паразитных емкостей обратной связи.

Параметры ряда передающих и приемных оптоэлектронных модулей, применяемых в цифровых ВОСП, приведены соответственно в табл. 4.8 и 4.9. Особый интерес представляют интегрально-оптические модули, в которых в одном кристалле интегрированы электронные и оптоэлектронные компоненты.

Рис. 4.17. Структурная схема передающего оптоэлектронного модуля:

1 — формирователь и схема блокировки; 2 —формирователь импульсов тока накачки; 3 — схема встроенной диагностики; 4 —усилитель фототока; 5 — согласующее устройство и оптический соединитель; ФД —фотодиод; ЛД — лазерный диод

Таблица 4.8

Параметр	МПД-1-1А(Б) МПД-1-2А(Б) МПД-1-ЗА(Б)	МПД-3-1	МПД-4- -1	КЭМ-8- -4ПД-А(Б)	КЭМ-34- -4ПД	HLI321P (HItactti)	V23800 (SIraens)
Средняя мощность излучения, мВт	1(2)*	—	0,5	1*	1*	1.2	0,008
Длина волны излучения, мкм	0,78... 0,88	0,8... 0,95	1,3	0,82 ... 0,88	0,82 ... …0,88	1,3	1,285... ... 1,355
Ширина спектра излучения, им	1(2)	—	—	4	4	1	160
Максимальная скорость передачи, Мбит/с	17	8,5	200	17	50	1000	200
Наработка на отказ, ч		—					—
Интервал рабочих температур, °С	—60.. .+55	-60.. .+85	-60.. .+55	- 10...+40	-10...+40	-40...+60	-25… ...+85
Потребляемый ток, мА	300	500	—	300	600	200	130

Таблица 4.9

Параметр	МПР-1-1А(Б) МПР-1-2А(Б) МПР-1-ЗА(Б)	МПР-З-1	КЭМ-8-4ПР-А (КЭМ-8-4ПР-Б)	КЭМ-34-4ПР-А (КЭМ-34-4ПР-Б)	V23804 (Simens)
Рабочая длина волны, мкм	0,85	0,85	0,85	0,85	1,3
Пороговая мощность, Вт		—	()	()
Вольтовая чувствительность, В/Вт	—	—			—
Время нарастания (спада) переходной характеристики, НС	10	—	20(20)	7(7)	1,3*
Вероятность ошибки, не более
Наработка на отказ, ч					—
Интервал рабочих температур, °С	-40 ... +85	-60 ... +85	-10...+40	-10...+40	-25... +85
Потребляемый ток, мА	120	—	50	60	50

В качестве примера приведем характеристики отечественного интегрально-оптического передающего модуля, функции генерации, усиления и модуляции лазерного излучения которого обеспечиваются одним кристаллом при работе непосредственно с внешними ЭСЛ и ТТЛ микросхемами:

Длина волны излучения, мкм . . . . . . . . . . . .0,8 ... 0,9

Импульсный перепад мощности излучения, введенного в

оптическое волокно, мВт . . . . . . . . . . . . . .1...3

Уровень фонового излучения, мВт, не более . . . 0,1

Максимальная скорость передачи в формате БВН (NRZ),

Мбнт/с, не менее. . . . . . . . . . . . . . . .500

Ток смещения, мА. . . . . . . . . . . . .60... 120

Габаритные размеры (с выводами), мм . . . . . . .

Масса, г . . . . . . . . . . . . . . . 5

Напряжение управляющих .импульсов, В:

низкого уровня, не более . . . . . . . . . . 1,2

высокого уровня, не менее . . . . . . . . . . . 1,7