ЦМТС. ЦМТС Лекции. Конспект лекций по учебной дисциплине цифровые многоканальные телекоммуникационные системы (цмтс) 3 курс (ускоренная подготовка) по специальности (направлению подготовки)
 Скачать 3.38 Mb.
|
|
Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты (ОЛТ) Введение. Как отмечалось ранее, ОЛТ является составной частью любой системы передач. В его состав входят оптические передатчики, оптические приемники, волоконно – оптический кабель и ретрансляторы .ОЛТ могут уплотнятся различными методами. Ниже рассматриваются перечисленные выше узлы ОЛТ, методы уплотнения и д.р. Приемники оптического излучения выполняются в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ). Основным элементом ПРОМ являются фотодиоды: p-i-n и лавинные ФД. Раздел 8.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ) (продолжение) Приемные оптические модули Обобщенная структурная схема оптического приемника, реализуемого в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ), представлена на рис. 22.1, где приняты следующие обозначения: ОК — оптический кабель; ОС — оптический соединитель; ФД — фотодиод или фотодетектор; ПМШУ — предварительный малошумящий усилитель; МУ с АРУ — мощный усилитель с автоматической регулировкой усиления; ФК — фильтр-корректор. ПМШУ МУ с АРУ ФК ОК ОС ФД Выход Рис. 22.1. Обобщенная структурная схема оптического приемника Оптический сигнал с выхода оптического кабеля (ОК) через оптический соединитель (ОС) поступает на фотодетектор (ФД), где происходит его преобразование в электрический сигнал. На выходе ФД электрический сигнал весьма мал и сопровождается различного вида шумами. Для его усиления без существенной потери в шумозащищенности используется предварительный малошумящий усилитель (ПМШУ). Усиленный электрический сигнал далее усиливается мощным усилителем с автоматической регулировкой усиления (МУ с АРУ) и затем с помощью фильтра-корректора (ФК) осуществляется отфильтровывание помех и коррекция формы электрического сигнала, который и подается на оборудование сопряжения тракта приема ВОСП . Базовым элементом оптического приемника ВОСП является фотодетектор — оптоэлектронный прибор, преобразующий оптический сигнал в электрический сигнал соответствующей формы. Фотодетектор реализуется на основе полупроводниковых фотодиодов (ФД) с р-n обратносмещенными переходами, работающих на принципах внутреннего фотоэффекта. В технике ВОСП широкое применение находят два типа фотодиодов: р-i-n и лавинный ФД. Сущность внутреннего фотоэффекта в полупроводниковом материале заключается в поглощении фототока, энергия которого hf = hс/ более ширины запрещенной зоны материала Е g полупроводникового материала, а длина волны оптического излучения не превышает критического значения кр =1,24/E g , и сопровождается переходом электрона из валентной зоны в зону проводимости, а дырок — из зоны проводимости в валентную зону (генерация пар «электрон-дырка»). Фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны, 111 или длиной волны больше критической, не поглощаются и, следовательно, не происходит генерации пары «электрон-дырка». Эффективное поглощение падающего излучения, как правило, связано с эффектом примесного поглощения. Примесное поглощение имеет место в примесных полупроводниковых материалах, электрические свойства которых получаются путем добавки небольшого количества примесей в структуру собственных полупроводников, например, германия — Ge, кремния — Si, а также соединений элементов третьей и пятой групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева (ПСЭМ): алюминия — Al, галлия — Ga, индия — In из третьей группы и фосфора — P, мышьяка — As и сурьмы — Sb из пятой группы, например, арсенид галлия — GaAs и фосфид индия — InP. Возможно образование тройных и четверных соединений типа арсенида галлия с добавкой алюминия— GaAIAs или галлий –индий - арсенид фосфора — GalnAsP. Примеси могут создать избыток электронов (полупроводник n+-типа) или дырок (полупроводник р+ - типа). Процесс добавки примесей называется легированием. В легированном полупроводниковом материале имеются основные носители (свободные электроны в материале n+ - типа и дырки в материале р+ - типа). Такие материалы известны как примесные полупроводники. В этих материалах концентрация примесей настолько велика, что она (не температура) является основным фактором, определяющим число свободных носителей и, следовательно, электрическую проводимость и быстродействие прибора. Собственные полупроводники четвертой группы ПСЭМ кремний и гepманий могут быть полупроводниками n-типа после введения небольших концентраций донорных примесей элементов пятой группы ПСЭМ — мышьяка или фосфора. Они же могут стать полупроводниками р-типа в результате введения акцепторных примесей из группы элементов третьей группы ПСЭМ — галлия или индия. Во многих полупроводниковых материалах одновременно присутствуют как донорные, так и акцепторные примеси и такие материалы становятся полупроводниками соответствующего вида проводимости. Р-i-n- фотодиоды. Структурная схема обратносмещенного р-i-n-ФД представлена на рис. 22.2. Сконструированный таким образом полупроводниковый прибор, получил название р-i-n- фотодиода, происходящего из сокращенных названий составляющих его слоев: р — positive (положительный), i — intrinsic (внутренний), n — negative (отрицательный). Обедненный i слой такого ФД сделан максимально широким из полупроводникового материала, легированного в такой степени, чтобы не относиться ни к полупроводникам n-типа с электронным видом проводимости, ни к полупроводникам р-типа с дырочкой проводимостью. Как следует из рис. 22.2 структура такого диода состоит из сильно легированного n+-слоя (подложки), слаболегированного I-слоя и тонкого сильнолегированного р-и-слоя. Толщина i-слоя должна быть во много раз больше, чем длина поглощения оптического излучения соответствующих длин волн. Так, если толщина тонкого р+ -слоя не превышает 0,3 мкм, то ширина i слоя составляет несколько десятков мкм. Так как сильное легирование р- и n-слоев увеличивает их проводимость, то обратное смещение напряжением E см , приложенное к этим слоям, создает в I-слое сильное внутренне электрическое поле напряженностью Е в . При этом образуется обедненная зона, толщина которой сравнима с размером диода. 112 Обедненная зона Обедненный слой + + + - - - + + - - n + p + R н Контакты Контакты Оптическое излучение мощностью W 0 Выход электрического сигнала Е см Рис. 22.2. Структурная схема p-i-n-фотодиода Широкий i- cлой приводит к увеличению интенсивности поглощения фотонов в обедненном слое. В результате чего падающие фотоны возбуждают ток во внешней цепи более эффективно и с меньшим запаздыванием. Носители, возникающие внутри обедненной зоны, мгновенно сдвигаются в сильном электрическом поле к р+ и n+ областям диода. В результате поглощения кванта света с энергией hf в нагрузке диода R н протекает импульс тока. Если каждый поглощенный квант рождает электронно-дырочную пару, то число носителей тока N, равное отношению мощности оптического излучения W к энергии кванта, умноженное на величину носителя q, определит средний ток I ф , протекающий через нагрузку R н : f h W q N q I ф Как правило, не все поглощенные кванты света приводят к появлению импульсов тока. Этот факт необходимо учитывать коэффициентом, характеризующим эффективность преобразования фотонов в электрический сигнал. Этот коэффициент ф называется квантовой эффективностью (выходом) фотодетектора. Следовательно, средний фототок, протекающий через нагрузку фотодетектора, будет равен: f h W q I ф ф Коэффициент полезного действия фотодетектора, определяемый как отношение среднего значения фототока I ф к среднему значению оптической мощности (А/Вт), называется токовой чувствительностью: f h q W S ф 1 Отсюда следует, что чувствительность оптического приемника тем выше, чем больше квантовый выход ф , т.е. чем больше доля светового потока, поглощаемая в активной зоне фотодиода. Токовая чувствительность зависит от длины волны падающего излучения. Характер этой зависимости определяется спектральной характеристикой квантового выхода, которая обычно имеет вид плавной кривой с более или менее выраженным максимумом и определяется материалом полупроводника (рис.22.3). 113 100 50 Si Ge GeInAs мкм , % , ф 0 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 Рис. 22.3. Спектральная характеристика квантового выхода – квантовой эффективности Квантовый выход фотодиода однозначно связан с токовой чувствительностью следующей зависимостью: = 1,24S / , где — длина волны, мкм. Конструктивно р-i-n — ФД выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощения излучения вне i-слоя. С этой целью переход формируется у самой поверхности кристалла. Следовательно, постоянная времени такого ФД определяется временем перехода носителей заряда через обедненный слой в сильном электрическом поле. При отсутствии внешнего оптического излучения и наличии обратного смещающего напряжения в р-i-n — фотодиодах обедненный слой поляризуется и через нагрузку протекает постоянный ток Im малой величины, который называется темновым током. Значение этого тока определяется свойствами полупроводникового материала, толщиной р-i-n- структуры и температурой окружающей среды. В настоящее время р-i-n-фотодиоды являются довольно распространенным типом фотодетектора. Это объясняется простотой их изготовления, достаточно высокой временной и температурной стабильностью и относительно широкой полосой рабочих частот, они обладают хорошей линейностью в широком динамическом диапазоне (от нескольких пиковатт до нескольких милливатт), обеспечивают детектирование оптических сигналов, модулируемых частотами гигагерцевого диапазона. Для изготовления таких ФД обычно используют кремний (Si), германий (Ge), арсенид галлия (GaAs), соединения вида InAs, InGaAs, AIGaSb и InGaAsP. Кремниевые ФД считаются идеальными для применения в ВОСП, работающих на длине волны от 0,6 до 1 мкм с максимальной чувствительностью около 0,9 мкм и квантовой эффективностью до 0,9. Для длин волн 1 мкм и выше (вплоть до 1,8 мкм) часто используют ФД на основе Ge. При использовании соединения вида AixGa1-xAsSb получены ФД для работы на длинах волн от 0,9 до 1,3 мкм с квантовой эффективностью не хуже 0,8. В фотодиодах р-i-n — типа каждый поглощенный фотон в идеале приводит к образованию одной пары «электрон-дырка», которая приводит к генерации тока во внешней цепи. Квантовую эффективность ФД можно повысить путем использования лавинного усиления (умножения), реализуемого в структуре, называемой лавинным фотодиодом (ЛФД), где один фотон порождает М электронов. Лавинные фотодиоды (ЛФД). В основе работы ЛФД лежит процесс ударной ионизации в сильном электрическом поле, т.е. образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных молекул и атомов полу- проводника. При этом электроны в зоне проводимости могут приобрести кинетическую энергию, большую, чем ширина запрещенной зоны, и «выбивать» электроны из валентной зоны. В валентной зоне образуются дырки, в зоне проводимости вместо каждого «быстрого» электрона появляются два «медленных», которые, ускоряясь в сильном электрическом поле, становятся «быстрыми» и вызывают повторную ударную ионизацию. Вероятность ударной 114 ионизации возрастает с напряженностью электрического поля (или ростом обратного смещающего напряжения) Отметим, что при некоторой напряженности поля ударная ионизация приводит к резкому увеличению плотности тока, т.е. к электрическому пробою полупроводника. Следовательно, для создания условий ударной ионизации в структуре фотодиода необходимо создать сильное электрическое поле. Такое поле создается добавлением в структуру р-i- фотодиода дополнительного n-р — перехода, усиленное обратным смещением, рис. 22.4. n + p + p + i R н Е см W 0 x Е вх (х) Рис. 22.4. Структура ЛФД и распределение его электрического поля При воздействии оптического излучения мощностью W на i-слой образуются пары «электрон-дырка», называемые первоначальными носителями. Благодаря относительно небольшому полю i- cлоя, происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам батареи смещения. При попадании свободных электронов из i- cлоя в р- слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокой напряженности электрического поля n+-р — перехода. Ускоряясь в зоне проводимости р- слоя, такие «быстрые» электроны накапливают кинетическую энергию достаточную, чтобы «выбить» (возбудить) два «медленных» электрона из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляются свободные носители, называемые вторичными. В зоне проводимости р- cлоя происходит их повторное ускорение до получения кинетической энергии, соответствующей «быстрому» электрону, который снова порождает ударной ионизацией пару «медленных» электронов из валентной зоны. Этот процесс называется лавинным усилением или лавинным умножением. Условия лавинного умножения достигаются увеличением напряжения обратного смещения до значения, чуть меньше напряжения пробоя полупроводника, так чтобы на n+-р — переходе установилось очень сильное поле (с напряженностью не менее 10 В/см). Электроны и дырки, двигаясь в таком поле, приобретают значительную кинетическую энергию, необходимую для образования вторичных носителей путем ударной ионизации. Энергия получаемых при этом электронов, обеспечивает их перенос из валентной зоны в зону проводимости. Процесс лавинного умножения (усиления) ЛФД оценивается коэффициентом умножения М, который приближенно может быть представлен эмпирической формулой: n пр см U U М ) ( 1 1 , где U см — напряжение обратного смещения; U пр — напряжения пробоя; величина n = 2...6 и определяется материалом проводника и конструкцией фотодиода. Величина фототока через нагрузку R н для ЛФД определяется по формуле: 115 W М I ф ф 8 , 0 Лавинный эффект приводит к увеличению темнового тока ЛФД в М раз по сравнению с темновым током р-i-n — фотодиода. Коэффициент умножения принимает различные значения в зависимости от напряжения смещения. При U см = U пр происходит резкое увеличение коэффициента М, которое может принимать высокие значения. При низком напряжении U см ЛФД работает как р-i-n-фотодиод без усиления (умножения). Существует пороговое напряжение U Д , для получения лавинного процесса ударной ионизации. Выше этого порога ЛФД будет генерировать ток без наличия возбуждающего оптического излучения. Отметим, что коэффициент умножения сильно зависит от температуры, что является серьезным недостатком ЛФД. Поэтому в схемах смещения ФЛД необходимо предусмотреть меры, которые устраняли бы влияние изменений напряжения и температуры. Типовой компромисс между величиной умножения и стабильностью работы ЛФД достигается при напряжении смещения, равном 0,95 U пр . Лавинный фотодиод с коэффициентом М=100 может породить как 95, так и 105 вторичных носителей. Такого рода вариации являются причиной возникновения шумов, ограничивающих предел чувствительности ЛФД. Отметим, что темновой ток ЛФД растет при увеличении приложенного смещающего напряжения и, следовательно, зависит от коэффициента умножения М. Квантовая эффективность ФД зависит от коэффициента отражения R на границе «полупроводник-воздух». Для уменьшения френелевского отражения обычно покрывают поверхность прозрачной диэлектрической пленкой толщиной в четверть длины волны принимаемого оптического излучения и показателем преломления, в идеальном случае равным 2 1 n n , где n 1 и n 2 — показатели преломления полупроводникового материала и воздуха. На практике более удобна тонкая кварцевая пленка, заметно увеличивающая пропускание оптического излучения; иногда используют нитрид кремния Si3N4. Такая пленка играет роль линзы, повышающей квантовую эффективность на 20% Выводы. 1. Приемники оптического излучения выполняются в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ). Основным элементом ПРОМ являются фотодиоды: p-i-n и лавинные ФД. 2. Фотодетектор реализуется на основе полупроводниковых фотодиодов (ФД) с р-n обратносмещенными переходами, работающих на принципах внутреннего фотоэффекта. 3. В основе работы ЛФД лежит процесс ударной ионизации в сильном электрическом поле, т.е. образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных молекул и атомов полу - проводника. Контрольные вопросы. 1 Нарисуйте схему оптического приемного модуля и поясните принцип ее работы. 2 Нарисуйте схему p-i-n фотодиода и поясните принцип работы. 3 Нарисуйте схему лавинного фотодиода и поясните принцип работы. 4 Поясните что такое внутренний фотоэффект. 5 Какие переходы называются обратносмещенными? 116 Лекция 23 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты Введение. Качество работоспособности ЦМТС оценивается коэффициентом ошибок или защищенностью сигнала на входе ретрансляторов или тракта приема оконечных станций. Основную долю шумов ОЛТ вносят приемные оптические модули. Рассмотрим и оценим шумы приемников оптического излучения. Раздел 8.1. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты Шумы приемников оптического излучения. Фотодиоды обычно характеризуются следующими основными параметрами: токовой чувствительностью S; квантовой эффективностью ф ;. предельной частотой, т.е частотой гармонической модуляции падающего на ФД модулированного по интенсивности излучения, при которой чувствительность ФД уменьшается до 0,707 чувствительности при немодулированном излучении; отметим, что предельная частота численно равна ширине полосы пропускания фотодиода F ф ; быстродействием, под которым понимается время нарастания н или время спада с, фототока l ф (t) при воздействии на ФД импульса оптического излучения И(t) достаточно большой длительности (рис. 23.5). W(t) I ф (t) I m 0,9I m 0,1I m t t н с Импульс излучения Рис. 23.5. К определению быстродействия ФД Время спада импульса тока и время его нарастания определяются длительностью переднего и заднего фронтов между значениями 0,1 и 0,9 установившегося значения фототока I m . В совокупности время спада и время нарастания называются временем отклика, т.е. временем, необходимым для преобразования мощности излучения в электрический ток. Быстродействие оценивается максимальным значением одной из составляющих времени отклика (обычно это время нарастания). Между временем нарастания и шириной полосы пропускания существует зависимость вида: н ф F 35 , 0 Для ЛФД увеличение коэффициента усиления сопровождается уменьшением быстродействия. Поэтому параметром, характеризующим быстродействие ЛФД является его добротность, под которой понимается произведение коэффициента умножения (усиления) М на ширину полосы пропускания F ф , численно равной предельной частоте. 117 Как функциональные элементы р-i-n и лавинные фотодиоды могут быть представлены в виде обобщенной эквивалентной схемы (рис. 23.6), где приняты следующие обозначения: I ф =WS — фототок; R д — дифференциальное сопротивление обратносмещенного перехода фотодиода; обычно это сопротивление настолько велико, что его шунтирующим действием можно пренебречь; R в — внутреннее сопротивление диода, состоящее из сопротивления необедненной зоны диода, контактного сопротивления и общего сопротивления, связанного с удельным сопротивлением поверхностного слоя, величина этого сопротивления не превышает нескольких десятков Ом; C д — емкость обратносмещенного перехода, зависящая от его площади; R д — сопротивление нагрузки ФД (входное сопротивление предварительного усилителя). Для большинства случаев анализа эквивалентную схему ФД можно представлять генератором тока I ф и шунтируемого емкостью С д . Можно показать, что для эквивалентной схемы ширина полосы пропускания или предельная частота равна н д ф R С F 2 1 , здесь R н - сопротивление нагрузки ФД (как правило, входное сопротивление предварительного малошумящего усилителя фототока). I ф =WS R д R в R н С д I фд U фд Рис. 23.6. Эквивалентная схема фотодиода В состав тока I фд на выходе схемы входят: фототок I ф , темновой ток I m , а также токи шумов различного происхождения, являющиеся естественным ограничением чувствительности фотодиодов. Значения этих токов являются одним из ключевых параметров приемников оптического излучения и оцениваются среднеквадратическими величинами соответствующих токов. Среднеквадратическое значение тока фотодиода определяется следующей формулой: 2 2 2 2 2 2 ) ( 2 M I M S W I ф ос ф Здесь: W ос — мощность оптического сигнала, поступающего на вход фотодетектора — фотодиода; S — чувствительность фотодиода на соответствующей рабочей длине волны оптического излучения; М— коэффициент лавинного умножения (усиления) ЛФД (для p-i— n фотодиода M = 1); I ф — средний ток фотодиода, генерируемый оптическим излучением. Важной составляющей шумов фотодиодов являются дробовые шумы, обусловленные дискретной природой фотонов и генерируемых ими пар «электрон-дырка». Фототок не является непрерывным и однородным потоком, а представляет поток отдельных дискретных электронов. Фототок флуктуирует в зависимости от того, насколько много или мало пар «электрон-дырка» возникает в данный момент времени. Дробовые шумы присутствуют и тогда, когда свет не падает на фотодиод. Даже в отсутствие оптического сигнала малые флуктуации фототока генерируются за счет темнового тока и температурных колебаний, причем его значение увеличивается приблизительно на 10 % при росте температуры на 1˚С. Типичные значения тока дробовых шумов составляют 22...25 нА при 25˚С. Среднеквадратическое значение тока дробовых шумов (дробный шум) фотодиода равно: 118 ф ф др F M F M I q I ) ( 2 2 2 , где q — заряд электрона; F(М) — коэффициент избыточного шума лавинного умножения (усиления), учитывающий увеличение дробовых шумов ЛФД из-за нерегулярного характера процесса умножения; для некоторых типов ЛФД коэффициент F(M) вблизи напряжения пробоя может быть представлен в форме: x M M F ) ( , где показатель степени х для кремниевых ЛФД лежит в пределах 0,2...0,5 и для германиевых — 0,9...1, для ЛФД на основе гибридного соединения вида InGaAs — 0,7...0,8; F ф — ширина полосы пропускания фотодиода. Среднеквадратическое значение темнового тока определяется по формуле: ф m m F M F M I q I ) ( 2 2 2 Здесь: I m — среднее значение темнового тока; его величина для кремниевых р-i-n — фотодиодов лежит в пределах (1...8)10 А, а для германиевых — на два порядка выше. Темновой ток возрастает примерно на 10% с ростом температуры на 1˚С. Помимо дробовых шумов и шумов темнового тока в приемниках оптического излучения следует учитывать тепловые шумы (или шумы Джонсона-Найквиста), обусловленных флуктуациями отдельных электронов в проводнике, создающих на его концах напряжение случайного характера. Электроны в пространстве между электродами фотодиода ведут себя непостоянно. Их тепловая энергия позволяет им случайным образом смещаться. В каждый момент времени суммарный поток случайного движения электронов может быть направлен к одному либо к другому электроду. Таким образом, появляется постоянно меняющийся случайный ток. Он накладывается на полезный сигнал и изменяет его. Среднеквадратическое значение тока тепловых шумов определяется выражением: н ф тш R F KT I 4 2 , где К=1,38 10 -23 Дж/К — постоянная Больцмана; T— абсолютная температура по шкале Кельвина; F ф — ширина полосы пропускания фотодиода (фотодетектора); R н — сопротивление нагрузки. Среднеквадратическое значение суммарных шумов (полного шума) на выходе фотодетектора определяется суммой вида 2 2 2 2 тш m dp ш I I I I Помехозащищенность полезного электрического сигнала от полного шума на выходе фотодетектора определяется отношением сигнал — шум, которое можно представить в виде ш c зш W W А lg 10 , или ф m dp ф ф ш ф ш c n F KT I I F M F M q М I I I W W R 4 ) ( ) ( 2 2 2 2 2 2 2 2 2 , где W c — мощность фототока на единичном сопротивлении нагрузки R н = 1 Ом; W ш — полная мощность шумов на единичном сопротивлении нагрузки Шумы на выходе фотодетектора при передаче цифровой информации порождают ошибки, и в этом случае интегральной оценкой качества передачи является вероятность ошибки. 119 Выводы. 1. Шумы на выходе фотодетектора при передаче цифровой информации порождают ошибки, и в этом случае интегральной оценкой качества передачи является вероятность ошибки. 2. Основные шумы вносятся приемными оптическими модулями. 3. Среднеквадратическое значение суммарных шумов (полного шума) на выходе фотодетектора определяется суммой вида 2 2 2 2 тш m dp ш I I I I . Контрольные вопросы. 1. Нарисуйте эквивалентную схему фотодиода и объясните принцип ее работы. 2. Поясните, что такое дробовые шумы фотодиодов и как они определяются. 3. Поясните, что такое темновые шумы фотодиодов и как они определяются. 4. Поясните, что такое дробовые шумы фотодиодов и как они определяются. 5. Поясните, что такое тепловые шумы фотодиодов и как они определяются. |