что приводит к росту частоты появления ошибок. Насыщением цифрового ПРОМ называется максимальная входная мощность, выше которого BER начинает превосходить максимально допустимую величину для данного приложения.
Диапазон значений мощности от чувствительности до насыщения ПРОМ называется динамическим диапазоном ÏÐÎÌ.
Максимально допустимое обратное напряжение Ur – это напряжение, превышение ко-
торого может привести к пробою фот\оприемника и его разрушению. Наряду с этим значе- нием или вместо него изготовители фотоприемников могут указывать просто обратное рабо- чее напряжение. Если выбрать меньшее значение рабочего напряжения, то будет ограничена область линейной характеристики фотоприемника.
Рабочий диапазон температур (OС). Есть две характеристики, на которые сильно влияет изменение рабочей температуры фотоприемника.
Во первых, это квантовая эффективность, которая может вести себя в общем случае довольно сложным образом с изменением температуры. Например, на рис. 4.10 а показана зависимость квантовой эффективности фотодиода на основе кремния. По горизонтальной оси отложена длина волны падающих фотонов, по вертикальной относительное процентное изменение квантовой эффективности при увеличении температуры на 1 градус. Из рисунка видно, что если длина волны меньше 600 нм, то с ростом температуры квантовая эффективность падает, а при λ >600 нм квантовая эффективность увеличивается с ростом температуры.
Во вторых, рост температуры приводит к экспоненциальному росту термических возбужденных электронно-дырочных пар, в результате чего также экспоненциально возрастает темновой ток, рис. 4.10 б. Утечка тока удваивается при повышении температуры на 8-10oC.
|
|
|
1,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
ток |
единицы) |
1000 |
|
|
|
|
|
0,8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
||
|
|
|
1,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∆η |
/η |
(%) |
0,6 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
Темновой |
относительные( |
0 |
50 |
100 |
-0,2 |
||||||||||||||||
(∆ |
|
o |
0,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
T=1 C) |
0,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-0,4 |
|
Длина волны λ |
(нм) |
|
|
|
|
|
Температура (оС) |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
à) |
|
|
|
|
|
|
|
á) |
|
Ðèñ. 4.10. Температурные зависимости квантовой эффективности и темнового тока: а) относительное изменение квантовой эффективности при изменении температуры на 1OC для разных длин волн;
б) зависимость темнового тока от температуры
Наработка на отказ (тыс. часов). При правильной эксплуатации ресурс фотоприемников значительно выше, чем у светоизлучающих диодов.
Лавинный фотодиод
Принцип работы. Главным отличием лавинного фотодиода (ЛФД) от обычного фотодиода является внутреннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала. Если структура слоев у обычного фотодиода имеет вид p+-i-n+, то у ЛФД добавляется p-ñëîé (p+-i-p-n+), рис. 4.7 б. Причем профиль распределения легирующих примесей выбирается так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряженность электрического поля имел p-ñëîé. При воздействии света на i-ñëîé образуются элек- тронно-дырочные пары. Благодаря небольшому полю, происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам. При попадании свободных электронов из i-ñëîÿ в p- слой их ускорение становится более ощутимым èç-çà высокого электрического поля в p-ñëîå. Ускоряясь в зоне проводимости p-ñëîÿ, такие электроны накапливает энергию достаточную,
84 |
Р.Р. УБАЙДУЛЛАЕВ |
чтобы выбить (возбудить) другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. Этот |
|||||||||||||||
процесс носит название лавинного усиления или умножения первичного фототока. Коэффи- |
|||||||||||||||
циент умножения составляет несколько десятков, поэтому токовая чувствительность ЛФД |
|||||||||||||||
значительно выше токовой чувствительности p-i-n фотодиодов. Коэффициент умножения M |
|||||||||||||||
определяется по эмпирической формуле |
M = 1 (1− (U Ub )n ), где U – напряжение внешнего |
||||||||||||||
обратного смещения, Ub – напряжение обратного смещения, при котором наступает электри- |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ческий пробой (breakdown) фотодиода |
|||||||
|
|
|
Нормальная рабочая область |
|
– |
обычно |
ýòî |
напряжение |
порядка |
||||||
|
|
|
|
напряжений |
|
|
100 В, но может достигать в некоторых |
||||||||
|
1000 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
устройствах нескольких сот вольт, n – |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
500 |
|
|
|
|
|
|
число в диапазоне от 3 до 6, рис. 4.11. |
|||||||
M |
|
|
|
|
|
|
|
|
ЛФД имеют высокое быстродей- |
||||||
умножения, |
200 |
|
|
|
|
|
|
ствие, однако случайная природа ла- |
|||||||
100 |
|
|
|
|
|
|
винного тока приводит к шуму. В отли- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
чие от полезного сигнала, который |
|||||||||
50 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
усиливается пропорционально M, шум |
|||||||||
Коэффициент |
20 |
|
|
|
|
|
|
усиливается быстрее (приблизительно |
|||||||
|
|
|
|
|
|
êàê M2,1). В результате этого выбира- |
|||||||||
10 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
ется оптимальное значение коэффици- |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
5 |
|
|
|
|
|
|
ента умножения M, обычно в пределах |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
îò 30 äî 100. |
|
|
|
|
||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Особенностью работы ЛФД яв- |
|||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
ляются более высокое рабочее напря- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
жение по сравнению с p-i-n фотодио- |
||||||||
|
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1,0 |
1,1 |
||||||||
|
|
Относительное напряжение (U/Ub) |
äàìè |
è |
повышенная |
температурная |
|||||||||
|
|
чувствительность коэффициента умно- |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Ðèñ. 4.11. Зависимость коэффициента |
жения. |
Ýòî |
требует |
использования |
|||||||||||
|
|
умножения лавинного фотодиода |
специальной электрической цепи, вы- |
||||||||||||
|
|
от рабочего напряжения |
|
рабатывающей |
необходимое |
рабочее |
|||||||||
|
|
обратного смещения |
|
|
напряжение, а также системы термо- |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
стабилизации. |
|
|
|
|
|||
|
Электронные элементы ПРОМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Выходящий электрический сигнал от фотоприемника усиливается каскадом электронных усилителей и, возможно, испытывает определенную обработку. Основные функции, которые выполняет ПРОМ на этом этапе: электронное предусиление и усиление, выравнивание, фильтрация, дискриминация, синхронизация и работа таймера.
Электронное предусиление и усиление. Типовое значение оптического сигнала на входе фотоприемника составляет 1-10 мкВт, а иногда и меньше. Если такой сигнал обрабатывается p-i-n фотодиодом с токовой чувствительность от 0,6 до 0,8 А/Вт, то выходной ток составит несколько микроампер, и необходимо последующее его усиление. Допускается одна или несколько стадий усиления. Обычно усилитель на первой стадии называется предусилителем. Его особенностью является низкий уровень вносимых шумов. Далее следует усилитель мощности.
Выравнивание. Прием и усиление сигнала может несколько изменять обрабатываемый сигнал. Например, каскад электронных усилителей, принимающий широкополосный аналоговый сигнал, может иметь разный коэффициент усиления для высоких и низких частот. Чтобы восстановить правильное соотношение амплитуд в низкой и высокой областях спектра, необходимо добавить цепь выравнивания сигнала.
Фильтрация позволяет увеличить соотношение сигнал/шум посредством избирательного (в определенных диапазонах частот) подавления шума. Часто, таким образом, можно подавить высокочастотные гармоники шума, заведомо зная, что полезный сигнал не распространяется в этой области спектра.
Дискриминация. Если предыдущие три функции в равной степени могли относиться как при обработке аналогового сигнала, так и цифрового, то функция дискриминации применяется только при обработке цифровых сигналов. Из-за наличия дисперсии при распространении света по волокну приходящие фронты импульсов могут потерять первоначальную прямоугольную форму и стать размытыми. Необходимо восстановить их прямоугольную форму. Для этой
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СЕТИ |
85 |