|
|
Конспект лекций по дисциплине восп для студентов специальности 210404 Многоканальные телекоммуникационные системы
Для реализации прямой модуляции интенсивности необходимо подать постоянное смещение (рисунок 3.21), которое позволяет получить линейный процесс. При этом выбирается линейный участок ваттамперной характеристики излучателя, чтобы избежать возникновение нелинейных. искажений.
Рисунок 3.22 – Эквивалентная схема модулятора с СИД
На рисунке 3.22 представлена эквивалентная электрическая схема модулятора с СИД, где:
C1 – ёмкость между электродами СИД;
L1 – индуктивность выводов СИД;
R1 – потери на безизлучательные рекомбинации;
C2(u) – ёмкость p-n перехода;
R2(u) – сопротивление открытого p-n перехода.
Рисунок 3.23 – Временные диаграммы работы СИД
Если ток накачки Iн изменяется по импульсному закону, то входящий скачок тока заряжает ёмкость С2 за время τз. После заряда конденсатора до напряжения Um (рис.37) происходит рекомбинация, то есть излучение начнётся спустя время τе. Время τз + τe называют временем включения СИД, или его быстродействием.
τe - задержки на рекомбинацию, определяемые временем жизни электрона ≈ 1÷10 нс. Для уменьшения времени τз на СИД подают смещение, близкое к контактной разности потенциалов. Для получения узких световых импульсов необходимо, чтобы импульсы тока накачки не растягивались во времени за счёт паразитных ёмкостей С1 и индуктивности L1. Чтобы их уменьшить выводы СИД делают короткими, а выходное сопротивление источника модулирующих сигналов согласуют с низким Rвх СИД. Недостаточное быстродействие СИД ограничивает полосу частот модуляции частотой 100 МГц.
3.6.2 Простейшая схема, применяемая для прямой модуляции СИД
Простейшая схема прямой модуляции светодиода представлена на рисунке 3.24. Ток от источника информационного сигнала управляет состоянием СИД.
Рисунок 3.24– Простейшая схема прямой модуляции СИД
Такая схема требует больших токов включения источника сигнала. В схеме сложно выполнить предварительное смещение, из-за чего могут возникать большие искажения информационного сигнала.
3.6.3 Схема модулятора СИД с логическим затвором и предварительнымсмещением
Рисунок 3.25 – Схема модулятора СИД с логическим затвором и предварительнымсмещением
Транзистор VT1 с резистором R образуют логический затвор, который управляется информационным сигналом. Исходный сигнал подаётся на базу транзистора VT1, в коллекторную цепь которого включён СИД. Схема установки смещения, состоящая из резистора Rсм, позволяет выбрать рабочую точку на ваттамперной характеристике излучателя. Согласующее устройство представляет собой систему линз, фокусирующую излучение от ППЛ. Оптическое волокно подключается к согласующему устройству с помощью оптического коннектора.
3.6.4 Прямая модуляция ППЛ
Рисунок 3.26 – Стабилизирующая схема модулятора с обратной связью
Модулирующий сигнал через дифференциальный усилитель (Рисунок 3.26) поступает на ППЛ. Небольшая часть выходной мощности захватывается фотодиодом, преобразуется в ток, усиливается, подаётся на инвертирующий вход усилителя и сравнивается с информационным сигналом. Отклонение мощности излучения компенсируется изменением тока накачки. Таким образом, создаётся петля отрицательной обратной связи, охватывающая излучатель. Благодаря этому обеспечивается высокая линейность модуляции и стабилизируется положение рабочей точки.
Рисунок 3.27 – Передающий оптический модуль (ПОМ)
Передающий оптический модуль (ПОМ) содержит дифференциальный усилитель 1, схему прямой модуляции интенсивности 4 с излучателем 5, и схемы стабилизирующие мощность и частоту излучения ППЛ или СИД. Модулированный оптический сигнал излучается в основное оптическое волокно ОВ-1 и через вспомогательное ОВ-2 контролируется фотодиодом 3. ФД и усилитель 2 создают цепь отрицательной обратной связи ООС, стабилизирующую параметры ПОМ. Блок 6 – термоохлаждающее устройство, поддерживающее постоянной температуру кристалла Tо°±∆T. Современные микросхемы дают отклонение ∆T ≈ 0,001°.
3.6.5 Внешняя модуляция
Внешний модулятор представляет собой кристалл, показатель преломления, либо показатель поглощения световой волны которого изменяется с помощью модулирующего сигнала. При этом используются физические явления, основанные на электрооптических модуляциях (ЭОМ), акустооптических модуляциях (АОМ) и магнитооптических модуляциях (МОМ). Для внешней модуляции чаще всего используются ЭОМ и АОМ.
3.6.5.1 Электрооптическая модуляция
Принцип действия ЭОМ основан на электрооптическом эффекте – изменении показателя преломления некоторых материалов под действием электрического поля. Этот эффект наблюдается в анизотропных кристаллах, где изменение показателя преломления ∆n линейно зависит от напряженности поля (эффект Поккельса).
Рисунок 3.28 – Принцип действия электрооптического модулятора
На входе ЭОМ включён поляризатор 2. Поляризатор – это оптически анизотропный кристалл, который выделяет из естественного света пучок света с одним направлением колебаний. В данной схеме поляризатор пропускает только волну света, распространяющуюся в вертикальной плоскости. На выходе схемы включён анализатор 4. Анализатор – это точно такой же по структуре кристалл, который в общем случае служит для определения плоскости поляризации колебаний света пропущенных поляризатором. В нашей схеме анализатор пропустит только волны света, распространяющиеся в горизонтальной плоскости.
Электрооптический кристалл 3 представляет собой ячейку Поккельса, зажатую между обкладками конденсатора. К обкладкам конденсатора подключён модулирующий сигнал. При изменении напряжения модулирующего сигнала будет изменяться напряжённость электрического поля, пронизывающего кристалл. Принцип действия ячейки Поккельса основан на электрически возбуждаемом в определённых кристаллах двулучепреломлении: когда. попадающий в ячейку луч формирует внутри неё два перпендикулярно поляризованных луча (один из этих лучей называют – обыкновенным, второй – необыкновенным). При изменении приложенного к ячейке напряжения по-разному изменяются коэффициенты преломления для горизонтально и вертикально поляризованных волн, вследствие этого возникает сдвиг фаз между обыкновенной и необыкновенной волной (одна волна опережает другую). Эти волны интерферируют между собой, вследствие чего изменяется плоскость поляризации результирующей волны.
3.6.5.2 Принцип действия ЭОМ
В исходном состоянии, когда к ячейке не приложено напряжение (ноль), она прозрачна для светового луча, свет не попадает на выход анализатора, т. к. анализатор расположен под углом 90° к поляризованному входному излучению. При увеличении напряжения приложенного сигнала меняются коэффициенты преломления по осям кристалла, что приводит к изменению плоскости поляризации света, проходящего через кристалл. При достижении максимального значения модулирующего напряжения (единица) происходит поворот плоскости поляризации света на 90°. (Напряжение, при котором происходит поворот плоскости поляризации света на 90°, называется полуволновым, потому что при этом сдвиг фаз между обыкновенной и необыкновенной волной равен Dj = p, т.е. половине длины волны). В этом случае анализатор становится полностью прозрачным для светового луча, и входное излучение полностью поступает на выход устройства. Таким образом, изменение напряжения модулирующего сигнала, приложенного к ячейке Поккельса, приводит к модуляции световой волны.
Достоинством ЭОМ является высокая частота модуляции, достигающая десятков ГГц.
3.6.5.3 Акустооптические модуляторы)
Рисунок 3.29 – Акустооптический модулятор
Работа этих модуляторов основана на акустооптическом эффекте – изменении показателя преломления вещества Δn под воздействием ультразвуковых волн (УЗВ). Наиболее ярко этот эффект проявляется в ряде материалов: тяжёлом оптическом стекле (флинтглассе); диоксиде теллура (TeO2); молибдонате свинца (PbMoO4) и др.
Для получения УЗВ используют генератор с большой акустической мощностью Pа, которая поступает на пьезокристалл. При прямом пьезоэффекте механические колебания резонатора передаются твёрдому телу, по которому распространяются УЗВ. В результате в твёрдом теле создаются зоны сжатия и разрежения плотности ρ вещества, что приводит к изменению показателя преломления Δn
Если кристалл осветить потоком света от источника света (ИС), то созданные УЗВ зоны сжатия и разряжения будут для света представлять собой дифракционную решетку (ДР) с периодом Λ. В результате произойдёт дифракция света, появятся дифракционные максимумы и минимумы. Когда генератор УЗВ выключен, кристалл прозрачен для света, и свет от источника сигнала поступает на выход схемы. Когда генератор УЗВ включён, то свет преломляется дифракционной решёткой и не попадает на выход АОМ. Таким образом, дифрагированный свет будет модулирован по интенсивности с частотой модуляции ультразвука.
Недостатком АОМ является ограниченная частота модуляции – не выше 1 ГГц.
3.7 Приемники оптического излучения
Фотоприёмники служат для преобразования оптического сигнала в электрический. Их изготавливают обычно из полупроводникового материала. В основе работы фотоприёмников лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения полупроводником фотонов с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар).
При наличии электрического напряжения с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток.
Требования, предъявляемые к фотоприёмникам:
высокая чувствительность;
требуемые спектральные характеристики и широкополосность;
низкий уровень шумов;
требуемое быстродействие;
длительный срок службы;
использование в интегральных микросхемах.
В ВОСП в качестве фотоприёмников получили распространение: p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды.
3.7.1 Принцип работы р – i – n фотодиода
Рисунок 3.30 – Принцип работы р – i – n фотодиода
Для p-i-n фотодиода характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями p+ и n+ типа (знак‘+’ означает сильное легирование). i-слой называют обеднённым слоем, поскольку в нём нет свободных носителей. На p-i-n структуру подаётся напряжение с обратным смещением U0 (по сравнению со светоизлучающим диодом).
Сильное легирование крайних слоёв делает их проводящими, и максимальное значение электрического поля создаётся в i-слое. Но поскольку нет свободных носителей в i-слое, нет и электрического тока. При наличии падающего излучения на i-слой в нём образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам (положительно заряженные дырки направляются к минусу источника, а отрицательно заряженные электроны – к плюсу источника), образуя электрический ток. При изготовлении фотодиодов стремятся делать p+ и n+-слои как можно тоньше (не более 0,3 мкм), а обеднённую область достаточно большой протяженности (порядка 40 мкм), чтобы она полностью поглощала весь падающий свет. Однако часть падающего излучения испытывает френелевское отражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на границе между этой поверхностью и средой.
Таблица 3.2 – Элементы, используемые для создания фотоприёмников
-
Материал
|
Диапазон принимаемых длин волн λ, нм.
|
Кремний Si
|
400-1000
|
Германий Ge
|
600-1600
|
GaAs
|
800-1000
|
JnGaAs
|
1000-1700
|
JnGaAsP
|
1100-1600
|
Для уменьшения отражения приёмную поверхность обедненного слоя покрывают антиотражающим слоем – специально подобранным прозрачным материалом толщиной около λ/4 и показателем преломления, равным  , где n1 и n2 – показатели преломления i-слоя и воздуха. Данные ФД просты по структуре и сравнительно дёшевы.
3.7.2 Принцип работы лавинного фотодиода
Главным отличием лавинного фотодиода (ЛФД) от обычного фотодиода является внутреннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала. Если структура слоёв у обычных ФД имеет вид p+- i -n+, то у ЛФД добавляется дополнительный р-слой. (p+- i - p - n+).
Рисунок 3.31 – Лавинный фотодиод
Лавинное умножение достигается за счёт увеличения напряжения смещения до величины близкой к пробойной. Профиль распределения легирующих примесей выбирается так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряженность электрического поля имел p-слой. При воздействии света на i-слой образуются электронно-дырочные пары. Благодаря электрическому полю происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам. При попадании свободных электронов из i-слоя в p-слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокого электрического поля в p-слое. Ускоряясь в зоне проводимости p-слоя, такие электроны накапливают энергию достаточную, чтобы выбить другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. При этом возникает явление ударной ионизации. Суть этого явления состоит в том, что носители, проходящие через p-слой, порождают новых носителей, которые в свою очередь так же вызывают порождение очередных носителей. Лавинное умножение носителей (усиление фототока) происходит из-за того что: электроны, достигшие p-слоя, сталкиваются с атомами и выбивают из них вторичные электроны, которые благодаря высокому напряжению ускоряются, снова сталкиваются с атомами, возникают новые электроны и т. д. то есть происходит лавинообразный процесс, в результате которого резко увеличивается число электронов. От одного фотона может образоваться до 1000 электронов
В отличие от фототока у p-i-n фотодиода фототок в ЛФД получается в М раз большим.
Iф ЛФД =М× Iф pin ; (3.5)
где М – коэффициент лавинного умножения (усиления).
Реальная величина усиления для кремниевых ЛФД – 50..100, для германиевых ЛФД – 2…15, для арсенидгалиевых – 10…35. Чувствительность ЛФД в М раз выше токовой чувствительности p-i-n фотодиодов. Коэффициент лавинного умножения М определяется по эмпирической формуле:
 , (3.6)
где U – напряжение внешнего обратного смещения,
Uв – напряжение пробоя ЛФД, обычно ≈ 100 В, но может достигать в некоторых устройствах нескольких сот вольт,
n – коэффициент преломления, n= 1,5 ÷ 4 для кремния и n = 2,5 ÷ 9 для германия.
Обратное напряжение Uв обычно выбирают равным 0,95*Uпр от напряжения пробоя. Коэффициент лавинного умножения М сильно зависит от температуры.
Достоинствами ЛФД являются высокий коэффициент усиления, высокая чувствительность и быстродействие.
Недостатками ЛФД являются: более высокое рабочее напряжение по сравнению с p-i-n фотодиодами (до 400 В); повышенная температурная чувствительность коэффициента умножения, что требует использования специальной электрической цепи, вырабатывающей необходимое рабочее напряжение, а также системы термостабилизации. Недостатком ЛФД является также то, что случайная природа лавинообразного нарастания тока приводит к шуму, который в отличие от полезного сигнала усиливается пропорционально M (≈ в М2,1). В результате этого оптимальное значение М выбирают обычно в пределах от 30 до 100.
3.8 Технические характеристики фотоприёмников
Токовая чувствительность (монохроматическая)
 (3.7)
где Iph– фототок, P(λ) – полная оптическая мощность излучения на длине волны λ, падающего на фоточувствительную площадку.
Токовая чувствительность обычно равна 0,4-0,6 А/Вт.
Квантовая эффективность
 (3.8)
где Nph – количество фотонов, падающих за единицу времени на приём
Ne – количество рождённых в результате этого свободных электронов (или электронно-дырочных пар). Квантовая эффективность обычно равна 0,6-0,9.
Рисунок 3.32 – Квантовая эффективность фотоприёмников
Темновой ток
Темновой ток IТ протекает при обратном смещении через нагрузку в отсутствии падающего на фотодиод излучения. Он зависит от ширины запрещённой зоны. Чем меньше ширина запрещённой зоны, тем больше темновой ток. Темновой ток вызывается электронами, перешедшими из валентной зоны в зону проводимости под влиянием температурных изменений. Для хороших фотодиодов темновой ток IТ должен быть меньше 10 нА.
Быстродействие (время спада Δτ ) – это самая важная характеристика. Она определяет время, необходимое выходному сигналу для возрастания от 0,1 до 0,9 (спада от 0,9 до 0,1) от установившегося максимального значения при условии, что на вход подаются строго прямоугольные импульсы света большой длительности.
Рисунок 3.33 – Быстродействие
Быстродействие Δτ определяется временем дрейфа носителей через I – область. Δτ = 0,2 – 1 нс для кремниевых фотодиодов и от 0,04 до 0,5 нс для фотодиодов, изготовленных из соединения InGaAs.
Эквивалентная мощность шума Pn (Вт) – это одна из наиболее важных характеристик, учитывающих шумовые свойства фотоприёмника
 , (3.9)
где In – полный шумовой ток.
Главная функция фотоприёмника – это как можно более точное воспроизведение оптического сигнала, получаемого из ОВ. Две характеристики влияют на это - амплитуда входного сигнала и уровень шумов.
Частота появления ошибок (BER). Определяется как отношение неправильно принятых битов к полному числу принятых битов.
Максимально допустимое обратное напряжение Ur , превышение которого может привести к пробою фотодиода.
Шумы фотодиодов.
Шумы фотодиодов подразделяются на: шумы темнового тока и шумы фототока.
Шумы темнового тока обусловлены шумом движения свободных носителей, шумом тепловой генерации пар носителей зарядов, шумом рекомбинации пар, температурными изменениями.
Шум фототока (дробовой шум) обусловлен квантовыми процессами случайного возникновения пар носителей зарядов, шумом фоновой засветки, шумом отражения и поглощения в окне, шумом генерации и рекомбинации пар и т. д.
3.8.1 Электрическая схема включения и вольтамперная характеристика
p-i-n фотодиода.
Рисунок 3.34 – Электрическая схема включения p-i-n фотодиода
В схеме включения p-i-n фотодиода (рисунок 3.34) разделительная ёмкость Ср позволяет устранить высокое напряжение смещения Есм (до 30 В) со входа малошумящего усилителя.
Рисунок 3.35 – Вольтамперная характеристика p-i-n фотодиода
На вольтамперной характеристике фотодиода можно увидеть предельное значение Есм ( т.е. Епроб.) и величину темнового тока, протекающего через прибор при отсутствии освещения.
Рисунок 3.36 – Электрическая схема включения лавинного фотодиода
Особенностью схемы включения ЛФД является наличие регулируемого через цепь обратной связи источника напряжения смещения.
3.8.2 Фотоприёмные устройства ВОСП
Рисунок 3.37 – Структурная схема фотоприёмника
Фотоприёмное устройство представляет собой сочетание фотодиода и каскада предварительного усиления. Фотоприёмные устройства входят в состав приёмных оптических модулей.
Оптическое излучение из ОВ поступает в фотоприёмник через согласующий элемент СЭ, представляющий собой рассеивающую линзу. Фотодетектор ФД преобразует оптический сигнал в электрический. ФД представляет собой p-i-n фотодиод или ЛФД. ФД должен иметь максимальную чувствительность на рабочей длине волны. Предварительный усилитель ПУС усиливает электрический сигнал. При этом обеспечивается максимальное соотношение сигнал/шум. В состав ПУС может входить противошумовой корректор К, который срезает шумы за пределами полосы частот сигнала. Главный усилитель ГУС обеспечивает усиление, необходимое для работы последующих устройств, например, регенератора электрического сигнала. Фильтр-корректор ФК выравнивает АЧХ линейного тракта, компенсируя искажения, вносимые линией и входной цепью ФПУ. Схема автоматической регулировки усиления АРУ поддерживает постоянство уровня сигнала на выходе ФПУ. Это достигается подстройкой коэффициента умножения ЛФД и регулировкой усиления ГУС.
3.9 Оптические усилители
По мере распространения оптического сигнала по ОВ происходит его ослабление, изменение формы импульсов из-за дисперсии. Для увеличения дальности связи применяют устройства, восстанавливающие оптический сигнал. К таким устройствам относятся:
Повторители
Оптические усилители (ОУ)
Рисунок 3.38 – Схема повторителя
Повторитель сначала преобразует оптический сигнал в электрический, затем усиливает и регенерирует его, после чего преобразует его обратно в оптический сигнал. ОУ в отличии от повторителя не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а сразу производит усиление оптического сигнала (рисунок 3.39), причем ОУ усиливает как входной сигнал так и входной шум, кроме того, вносит собственный шум в выходной сигнал.
|
|
|
Скачать 4.71 Mb.