59. Источники и приемники оптических сигналов.

Структура оптических передатчиков. Оптические передатчики (ОП), применяемые в волоконно-оптических системах связи, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. С этой целью выходное излучение оптического источника модулируется в соответствии с входными электрическими сигналами, поступающими от передающего источника сообщений.

а)

б)

Рисунок 4.12 – Зонные схемы, пояс­няющие возникновение активной области в полупроводниковом кри­сталле с p_n-переходом. Заштрихо­ваны области энергетических зон, заполненные электронами:

а – внешнее напряжение к кристаллу не приложено (нулевое сме­щение);

б – к кристалу приложено напряжение (прямое смещение)

а)

б)

Рисунок 4.11 – Схемы оптических передатчиков:

а – с прямой модуляцией;

б – с внешней модуляцией

По характеру модуляции ОП делятся на передатчики с прямой (внутренней) и внешней модуляцией (рисунок 4.11). В оптических передатчиках с прямой модуляцией мощность излучения источника света модулируется внешним электрическим током. Применение внешней модуляции позволяет использовать более сложные форматы модуляции и применять поляризационное разделение сигналов. ОП с внешней модуляцией используются в системах дальней связи, в которых требования к качеству оптического сигнала особенно высоки. Физический механизм работы лазеров. Физический механизм работы лазеров заключается в создании активной области (среды), в которой одновременно присутствуют носители зарядов двух типов: электроны, находящиеся в зоне проводимости, и дырки, находящиеся в валентной зоне. Вынужденная рекомбинация электронно-дырочных пар под действием световой волны вызывает усиление света в этой области. В полупроводниках р-типа, напротив, уровень Ферми Е_F лежит ниже запрещенной зоны – в валентной зоне. Незаполненные электронами уровни энергии валентной зоны называются дырками. В отсутствие внешнего напряжения уровни Ферми двух полупроводников, находящихся в контакте, совпадают. В области p-n-перехода энергетические зоны искривляются, что препятствует взаимному проникновению электронов и дырок в области с другим типом проводимости (можно сказать, что в области p-n-перехода возникает контактная разность потенциалов). Для создания активной области к p-n-переходу прикладывается внешнее напряжение.

Светоизлучающие диоды (СИД), используемые в связи, излучают свет в диапазоне, близком к инфракрасному. От большинства лазеров СИДы отличаются невысокой стоимостью.

Применение СИДов ограничено в виду того, что они излучают свет в широком конусе, который может быть эффективно захвачен только многомодовым ОВ, имеющим большую число­вую апертуру.

Рисунок 4.14 – Типы светоизлучающих диодов:

а – с излучающей поверхностью; б – с излучающим срезом

По своей сути СИД являет­ся диодом с p-n гомопереходом, смещенным в прямом направлении. Реком­бинация пар электрон-дырка в обедненной зоне генерирует свет. Часть его выходит из диода и может быть собрана и направлена в ОВ. Существует два типа данного рода диодов – с излучаю­щей поверхностью или с излучающим срезом. Различие заключается в излучаемой поверхности – она параллельна или перпендикулярна области перехода (рисунок 4.14).

Полупроводниковые лазеры. Лазер с резонатором Фабри-Перо.

Перестраиваемые лазеры. Принципы работы перестраиваемых лазеров такие же, как и у лазеров с фиксированной длинной волны генерации. Основными элементами любого лазера являются усилитель и резонатор. В перестраиваемых лазерах применяются те же активные элементы, что и в обычных лазерах, поэтому свойства таких лазеров определяются конструкциями используемых перестраиваемых селективных резонаторов.

Оптические приемники. Наиболее распространены детекторы на основе кремниевых и InGaAs PIN-диодов. Пик чувствительности кремниевых фотодиодов находится в районе длины волны 900 нм, фотодиоды типа InGaAs имеют наибольшую чувствительность в диапазоне длин волн 1300 – 1500 нм.

PIN-фотодиоды. Наиболее распространены детекторы на основе кремниевых и InGaAs PIN-диодов. Пик чувствительности кремниевых фотодиодов находится в районе длины волны 900 нм, фотодиоды типа InGaAs имеют наибольшую чувствительность в диапазоне длин волн 1300 – 1500 нм.

Детекторы на основе кремниевых фотодиодов. В кремниевых PIN-фотодиодах между p- и n-областями расположен i-слой с собственной проводимостью. Толщина этого слоя выбирается большой с тем, чтобы обеспечить поглощение света именно в этой области. Поскольку в i-слое свободные носители отсутствуют, при обратном смещении p-n перехода все приложенное напряжение будет падать на i-слое. Фотогенерированные носители в i-слое будут разделяться в сильном электрическом поле и фотоотклик таких диодов будет быстрым.

Детекторы на основе InGaAs. Этот тип диодов используется как фотодетектор для больших длин волн (в диапазонах 1310 и 1550 нм).

Детекторы на основе лавинных фотодиодов. Лавинный фотодиод – это фотоприемник, в котором повышение квантовой эффективности реализуется за счет внутреннего усиления благодаря лавинному умножению в обратно смещенном p-n переходе.