ТПСС. 3.ТПСС Лекции -2021 г. Конспект лекций по учебной дисциплине транспортные проводные системы связи 3 курс по специальности (направлению подготовки)
 Скачать 2.21 Mb.
|
|
Тема 7. 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. Раздел 7.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ) (продолжение) Оптический передатчик. Оптические передатчики ОЦТС реализуются в форме единого передающего оптического модуля (ПОМ) - электронно-оптического преобразователя, осуществляющего преобразование электрических сигналов в оптические сигналы. Обобщенная структурная схема передающего оптоэлектронного модуля (ПОМ) приведена на рис. 15.1, где приняты следующие обозначения: ФМС МОИ ИОИ СВД СРРИОИ Сигнал отказа ОР ЛОС СУ и ОС ОВ Рис. 15.1 Обобщенная структурная схема оптического передатчика ФМС — формирователь модулирующего сигнала, осуществляющий преобразование сигнала, поступающего с выхода оборудования сопряжения, к виду, обеспечивающему оптимальный режим работы оптического модулятора или источника оптического излучения; МОИ – модулятор оптического излучения, здесь осуществляется модуляция одного из параметров оптического излучения (интенсивности, частоты, фазы, поляризации и др.); ИОИ — источник оптического излучения; ОР – оптический разветвитель, обеспечивающий отвод оптического сигнала на СРРИОИ – стабилизатор режима работы источника оптического излучения; ЛОС – линейный оптический сигнал (модулированное оптическое излучение, передаваемое по оптическому кабелю; СВД – схема встроенной диагностики, предназначенная для контроля работоспособности ПОМ; СУ и ОС – согласующее устройство и оптический соединитель, обеспечивающие ввод оптического сигнала в оптический кабель; ОВ – оптическое волокно. Основным блоком, определяющим качество функционирования ПОМ, является источник оптического излучения. К источникам оптического излучения предъявляются следующие требования: длина волны оптического излучения должна совпадать с одним из окон прозрачности оптического волокна: достаточно большая мощность выходного излучения и эффективность его ввода в оптическое волокно; возможность модуляции оптического излучения различными способами; достаточно 87 большой срок службы; минимальное потребление электрической энергии или высокая эффективность; минимальные габариты и вес; простота технологии производства, обеспечивающая невысокую стоимость и высокую воспроизводимость параметров и характеристик. Известны три класса источников оптического излучения для ТПСС: планарные полупроводниковые; волоконные; объемные микрооптические источники (микролазеры). Все они в той или иной мере удовлетворяют изложенным выше требованиям, однако только планарные полупроводниковые источники – светоизлучающие диоды и лазеры – широко используются в реальных системах. Интенсивное развитие полупроводниковых источников света связано, в первую очередь, с уникальным сочетанием важных для ТПСС положительных свойств, таких как непосредственное преобразование энергии электрического тока в оптическое излучение с высокой эффективностью, возможность прямой модуляции параметров излучения током накачки с высокой скоростью, малые масса и габаритные размеры. Принцип действия некогерентных и когерентных источников излучения. Как известно из квантовой механики, значения приобретаемой электронами энергии не являются непрерывными, а носят дискретный характер. Дискретность энергетических состояний дает основание говорить, что электрон находится на том или ином энергетическом уровне. В полупроводниках (рис. 15.2) плотность электронов значительна и поэтому многочисленные энергетические уровни расположены плотно, образуя зоны. Имеется два типа таких зон – верхняя зона – проводимости с энергией Е с и нижняя зона – валентных электронов с энергией E v Между этими зонами находится запрещенная зона с энергией Е q Ес Еv Еq Рис. 15.2 Энергетические уровни в полупроводнике Считается, что зона валентных электронов соответствует базовому (минимальному) энергетическому уровню. При тепловом равновесии почти все электроны находятся именно в этой зоне, т.е. сосредоточены в определенных местах кристаллической решетки полупроводника. Что же произойдет с электронами, если добавить энергию извне? Если к p- n переходу полупроводника приложить напряжение смещения в прямом направлении, то через переход потечет электрический ток. Если количество добавляемой энергии значительно, то некоторые электроны, находящиеся на низком энергетическом уровне, приобретая добавочную энергию, переходят на более высокий уровень. Таким образом, часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости. Это приводит к появлению свободных электронов, которые могут свободно перемещаться внутри полупроводника. При этом в зоне валентных электронов на освободившихся местах появляются положительно заряженные дырки. Дырки и свободные электроны являются носителями тока в полупроводнике. Свободные электроны в полупроводнике, сталкиваясь с узами кристаллической решетки или с другими электронами «падают» в зону валентных электронов, и пара «электрон-дырка» исчезает. Если падение на нижний энергетический уровень или в зону валентных электронов происходит без соударения, в таких случаях энергия, теряемая электроном, выделяется в виде фотона. Подобный процесс излучения называется спонтанным. Частота f определяется разностью энергетических уровней E q (равна E c -E v ), т.е. шириной запрещенной энергетической зоны: h E c f q (19.1) Эта формула называется частотным условием Бора. Интенсивность света зависит от числа пар «электрон-дырка». 88 Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного энергетического уровня на другой. Так как время перехода всех электронов не совпадает, то происходит наложение излучения и возникают оптические волны одинаковой амплитудой и фазой, а вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Кроме того, мельчайшие колебание энергии E q тоже, пусть и не в такой мере, влияют на частотный разброс излучения. Напряженность электрического поля оптического излучения изменяется во времени по следующему закону: , ) ( 2 sin ) ( ) ( t ft t a A t E где a(t) – колебания амплитуды (шумы амплитудной модуляции); (t) – колебания частоты (шумы частотной модуляции). Если бы все колебания представляли собой синфазные синусоиды и отсутствовали бы частотные отклонения, то спектр состоял бы из единственной линии с частотой f. Поскольку в нашем случае имеются флуктуации частоты, то спектр приобретает некоторую ширину f, определяемую этими флуктуациями. Ширина спектра используется как параметр, характеризующий монохроматичность источника излучения. Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью. Его называют некогерентным светом. Когерентными источниками света называются такие источники, которые в отличие от описанных выше излучают синфазные оптические волны. В основе их лежит спонтанное излучение полупроводника, охваченное объемным резонатором. Широкое распространение получил резонатор Фабри – Перо, который представляет собой два зеркала, установленные перпендикулярно оси z (рис 15.3). x y z Рис. 15.3 Общая структура резонатора Фабри – Перо Зеркала исполняют роль положительной обратной связи. Данная конструкция препятствует распространению лучей вдоль оси z, а, следовательно, уменьшается число поперечных мод. Наличие резонатора создает условия существования синфазных оптических волн и спектр излучения становится дискретным или когерентным. В соответствии с законами квантовой механики в таких структурах с положительной обратной связью происходит не только спонтанное излучение, но и еще один процесс – индуцированное (вынужденное) излучение. Суть вынужденного излучения состоит в том, что если на электрон, находящийся в зоне проводимости падает свет с частотой f 0 , примерно равной частоте f, определяемой (15.1), то возникает излучение с частотой f 0 и направлением падающего света. Таким образом, к спонтанному добавляется вынужденное излучение. При каждом переходе возникшего вынужденного излучения между зеркалами оно усиливается средой полупроводника, так как вызывает все новые и новые вынужденные излучательные рекомбинации носителей. Если потери в такой структуре меньше, чем усиление, то возникает лазерный эффект, характеризующийся появлением генерации вынужденного излучения. Стоит убрать зеркала, обеспечивающие положительную обратную связь, генерация прекратится, хотя спонтанное излучение можно по-прежнему наблюдать. Механизмы спонтанного и вынужденного излучений используются в лазерных диодах. 89 Вынужденное или индуцированное излучение приводит к значительному снижению числа излучаемых продольных мод. Выводы. 1. Известны три класса источников оптического излучения для ЦМТС: планарные полупроводниковые; волоконные; объемные микрооптические источники (микролазеры). Все они в той или иной мере удовлетворяют изложенным выше требованиям, однако только планарные полупроводниковые источники – светоизлучающие диоды и лазеры – широко используются в реальных системах. 2. Оптические передатчики ТПСС реализуются в форме единого передающего оптического модуля (ПОМ) - электронно- оптического преобразователя, осуществляющего преобразование электрических сигналов в оптические сигналы. 3. Основным узлом ПОМ является источник оптического излучения 4. Различают два вида оптического излучения: спонтанное и вынужденное (индуцированное). Контрольные вопросы. 1. Нарисуйте схему оптического передатчика и поясните назначение узлов. 2. Какие источники оптического излучения используются в ТПСС? 3. Поясните механизм спонтанного излучения? 4. Поясните механизм вынужденного (индуцированного) излучения? 5. Назначение резонатора Фабри – Перо. Светоизлучающие диоды. Светодиоды являются примером некогерентного оптического излучения. Основой такого источника служит полупроводник с прямым переходом (GaAs и т. п.). В нем электрон в зоне проводимости не сталкивается с узлами кристаллической решетки, т. е. при сохранении количества энергии переходит в зону валентных электронов и воссоединяется с дыркой. При таком переходе возникает спонтанное излучение. Так как время перехода всех электронов не совпадает, то происходит наложение излучения, и возникают оптические волны с неодинаковой амплитудой и фазой, а вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Ширина спектра используется как параметр, характеризующий монохроматичность источника излучения. Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью. Его называют некогерентным светом. В настоящее время разработаны два основных типа светодиодов: с поверхностным излучением и торцевого типа. Структура светодиода с поверхностным излучением показана на рисунке 15.4. 90 n p 1 2 3 p-n переход 3 GaAs GaAs SiO 2 1 - оптическое волокно; 2- склеивающий состав; 3- электрод. Свет Рис. 15.4. Структура светоизлучающего диода с поверхностным излучением Для предотвращения сильного поглощения света и физического сопряжения с ОВ в подложке из GaAs протравливается ямка. Для такого диода характерно практически ламбертовское распределение интенсивности с шириной диаграммы направленности 120. Размеры излучающей области определяются размерами металлического контакта и подбираются в соответствии с диаметром ОВ. Потери на ввод без применения согласующих устройств зависят от NA волокна и составляют 14. . .20 дБ. Применение согласующих устройств позволяет уменьшить эти потери. Структура СИД торцевого типа показана на рисунке 15.5. В торцевом СИД используется двойная гетероструктура. Гетероструктурой или гетеропереходом называются полупроводники с p-n–переходом из различных материалов. На рисунках 15.6, а и б показаны гетероструктуры соответственно с одно- (ОГС) и двусторонним (ДГС) ограничениями. В СИД с ОГС под действием прямого смещения электроны инжектируются через прямой p-n- переход, а затем удерживаются (рисунок 15.6, а ) потенциальным барьером перехода p(GaAs) – p(Al x Ga 1-x As). Излучательная рекомбинация происходит преимущественно в активной области толщиной d. Возникшее излучение распространяется в волноводе, образовавшемся из-за разных коэффициентов преломления слоев структуры. Мощность излучения возрастает за счет локализации излучения (в данном случае – справа). N n p p Электрод Электрод GaAs Al y Ga 1-y As P GaAs Al x Ga 1-x As GaAs Рис. 15.5. Структура светоизлучающего диода торцевого типа 91 P мкм d 2 1 мкм 0,1 мкм y n p p GaAs GaAs Al x Ga 1-x As n p p P мкм d 3 , 0 0,1 мкм 0,1 мкм y GaAs Al x Ga 1-x As Al x Ga 1-x As а) б) Рис. 15.6. Гетероструктуры с ОГС (а) и ДГС (б) Гораздо лучшими свойствами обладает ДГС. В такой структуре активная излучательная рекомбинация (рисунок 15.6, б) наблюдается в p-области (GaAs) благодаря имеющимся слева и справа от нее потенциальным барьерам. Образовавшийся плоский симметричный волновод способствует локализации излучения практически в пределах активной области d. Использование ДГС в СИД торцевого типа позволяет уменьшить расходимость излучения в плоскости, нормальной p-n-переходу, примерно до 30, а в плоскости, параллельной переходу, где нет волноводного эффекта, излучатель остается ламбертовским с шириной диаграммы направленности = 120. Мощность излучения у торцевого СИД оказывается в 2-5 раз меньше, чем у поверхностного СИД. Однако потери на ввод излучения в ОВ благодаря меньшей угловой расходимости также оказываются меньше и в зависимости от NA составляют 10 . . . 16 дБ. Выводы 1. Светодиоды являются примером некогерентного оптического излучения. Основой такого источника служит полупроводник с прямым переходом (GaAs и т. п.). 2. В настоящее время разработаны два основных типа светодиодов: с поверхностным излучением и торцевого типа. 3. В структуре ДГС активная излучательная рекомбинация наблюдается в p-области (GaAs) благодаря имеющимся слева и справа от нее потенциальным барьерам. Образовавшийся плоский симметричный волновод способствует локализации излучения практически в пределах активной области d. Контрольные вопросы. 1. Объясните принцип работы СИД с поверхностным излучением. 2. Объясните принцип работы СИД торцевого типа. 3. Поясните, что такое ОГС и ДГС? 92 Лазерные диоды.Лазерные диоды являются когерентными источниками света, которые в отличие от некогерентных излучают синфазные оптические волны. В основе их работы лежит спонтанное излучение полупроводника, охваченное объемным резонатором. Рассмотрим принцип работы простейшего ЛД, выполненного на основе одного вида полупроводника GaAs или InP, представляющего собой параллелепипед с p-n- переходом (рис. 15.7), перпендикулярным двум противоположным торцам кристалла. p n Излучение p- n переход Рис. 15.7 Структура лазерного диода Рекомбинация носителей происходит вблизи плоскости перехода и в самом переходе, положительная обратная связь создается за счет параллельных отражающих торцевых поверхностей, образующих резонатор Фабри – Перо (он получается путем шлифования торцевых поверхностей до зеркального блеска). Отражение от торцов обусловлено разницей показателей преломления n полупроводника и воздуха. Поверхность неизлучающих граней подвергают загрублению, добиваясь их шероховатости, чтобы исключить возможность генерации в нежелательных направлениях. Наличие резонатора создает условия существования синфазных оптических волн и спектр излучения становится дискретным или когерентным. При малых уровнях инжекции присутствует только спонтанное излучение. Когда плотность тока инжекции I и (накачки) возрастает, достигая порогового значения I п , полное оптическое усиление в структуре становится равным полным потерям и возникает генерация, или лазерный эффект. Для гомолазера, чтобы достичь порога генерации при комнатной температуре, пороговая плотность I п должна быть 30 . . . 100 А/см 2 . Столь большие плотности токов приводят к перегреву кристалла и быстрому его разрушению. При уменьшении температуры кристалла до температуры жидкого азота возможна длительная работа лазера. На примере гомолазера удобно лишь рассмотреть механизм вынужденного излучения, но использовать его в ОЦТС практически невозможно. Лазерный диод для ОЦТС должен устойчиво работать при нормальных внешних условиях с модулирующими токами, не требуя внешнего охлаждения. Уменьшение плотности тока и улучшение других характеристик достигнуто за счет использования многослойных полупроводников – гетероструктур. В ЛД с ДГС удается снизить величину I п до 1 . . . 2 А/см 2 Если увеличивать ток накачки в ЛД с ОГС или ДГС с широким контактом по всей поверхности, то генерация сначала возникает в малой области шириной 3 . . . 5 мкм. По мере увеличения тока “загорается” все больше таких областей, каждая из которых является как бы самостоятельно генерирующей. Это приводит к увеличению шума, расходимости и нестабильности излучения. На практике желательно иметь один канал генерации. Этого можно добиться ограничением активной области узкой полоской вдоль резонатора. Такие ЛД называются лазерами с полосковой геометрией. Ток I п в них уменьшается до 500 мА/см 2 , излучающую 93 поверхность можно изготовить до размеров, обеспечивающих эффективный ввод излучения в ОВ с малой числовой апертурой NA, и повысить стабильность излучения. Полосковый контакт можно выполнить следующими методами: лазер мезаполосковой структуры, получающийся стравливанием нескольких, их последующей изоляцией и напылением металлического контакта; полосковый контакт, образованный протонной бомбардировкой, которая разрушает активную область вне полоски; лазер с так называемой погруженной структурой, создаваемой путем “погружения” мезаструктуры в слой AlGaAs типа n. У ЛД с погруженной структурой наблюдаются низкие значения I п (5. . 10 мА/см 2 ) и малые выходные мощности (0, 5 . . . 2 мВт) из-за малых размеров излучающей площадки, не превышающей 1 . . . 2 мкм. Рисунок 15. 8. Лазеры с полосковой геометрией Для систем оптической связи используются лазеры, у которых с одного торца резонатора излучается 5 . . . 20 мВт при ширине полоскового контакта 10 . . . 20 мкм. Такое значение мощности является разумным компромиссом между величиной тока накачки, требуемыми мощностью излучения и сроком службы излучателя. Несмотря на использование полосковой геометрии в ЛД, число генерируемых мод все-таки достаточно велико. Для уменьшения числа возбуждаемых мод в резонаторе лазера создается периодическая неоднородность показателя преломления, приводящая к периодическим изменениям оптической толщины активного слоя, в котором распространяется световая волна. В результате дифракции на такой решетке останутся только те моды, длина волны которых кратна периоду решетки (только для этих типов волн наблюдается синфазное сложение волн дифракции). Такой излучатель получил название лазера с распределенной обратной связью (РОС) и показан на рис. 15.9. 94 p p n n InGaAsP InP InGaAs InGaAsP InP l p Рис. 15.9 Структура лазера РОС Необходимый период решетки l р можно определить из соотношения l р = / 2n, где - порядок дифракции. Изготовление решетки внутри кристалла представляет собой сложную задачу. Другой реализацией идеи селекции мод явилось создание лазера с распределенным брегговским отражением (РБО). В этих лазерах (рис.15.10) дифракционные решетки располагаются вне области накачки. p n InP InP InGaAsP InP Рис. 15.10 Структура лазера РБО Требуемая в этом случае точность обработки сопоставима с точностью формирования активного слоя, но зато для полученной таким образом структуры в отличие от лазеров с РОС генерация единственной продольной моды – обычное явление. Лазеры с такой структурой не имеют перескока моды даже при высокоскоростной модуляции и генерируют только одну продольную моду, что делает их удобными для использования в качестве источников излучения при работе по одномодовому волокну и в системах передачи со спектральным разделением каналов. Основными характеристиками источников оптического излучения являются: ватт- амперная характеристика W o =f(Iн),описывающая зависимость мощности оптического излучения W o от тока возбуждения I в , (или тока инжекции — I u ); примерные ватт-амперные характеристики СИД и ЛД приведены на рис. 15.11; спектральная характеристика излучения при различных величинах тока возбуждения (инжекции), показывающая зависимость относительной мощности оптического излучения W/W o от длины волны оптического излучения, т.е. W/W o = f( , I в ), ( здесь W o — мощность оптического излучения на номинальной длине волны o и W— на текущей длине волны в пределах соответствующего окна прозрачности оптического волокна) типичная спектральная характеристика источников оптического излучения приведена на рис. 15.12; диаграмма направленности, представляющая пространственную характеристику излучения. После выхода света из источника начинается расширение светового пучка, и только малая его часть в 95 действительности попадает в оптическое волокно. Чем уже диаграмма направленности, тем большая часть света может попасть в волокно. Хорошие источники излучения должны иметь малые диаметры выходных пучков света и малую апертуру (NA). Диаметр выходного пучка определяет величину поперечного сечения пучка излучения, а апертура NA — диапазон углов, в которых происходит излучение света. Если диаметр выходного пучка или его апертура превышают соответствующие параметры волокна, в которое вводится излучение, часть излучения не попадает в волокно. На рис.15.13 представлены типичные диаграммы направленности для светоизлучающих и лазерных диодов. Порог I пор I в , мА W 0 , мВт Светоизлучающий диод Лазерный диод W/W 0 1 0,5 0,0 0 Светоизлучающий диод Лазерный диод Рис. 15.11. Ватт-амперная характеристика Рис. 15.12. Типичная спектральная источника оптического излучения характеристика источника оптического излучения Светоизлучающий диод Лазерный диод Рис. 15. 13. Диаграмма направленности источников оптического излучения Диаграмма направленности лазерного диода ближе к эллиптической форме, а светоизлучающего диода — к сферической. Когда выходной диаметр источника d u , не соответствует диаметру сердцевины волокна d в то потери излучения, связанные с рассогласованием данных параметров А д , могут быть определены из следующего выражения: в u d d d A lg 20 Потери отсутствуют, когда диаметр сердцевины волокна превосходит диаметр источника излучения. Когда апертура NА и , источника больше, чем NA в , волокна, то потери, вызванные этим рассогласованием А д , равны: в u d NA NA A lg 20 96 Потери отсутствуют, если апертура волокна больше апертуры источника излучения. Рассмотрим, например, источник излучения с выходным диаметром d и = 100 микрон и апертурой NA и = 0,3, и подключенное к нему волокно с диаметром d в , = 62,5 микрон и NА в , = 0,275. Потери из-за рассогласования параметров волокна и источника излучения будут равны: 76 , 0 091 , 1 lg 20 275 , 0 3 , 0 lg 20 lg 20 8 , 4 5 , 62 100 lg 20 lg 20 в u d в u d NA NA A d d A Общие потери составляют А п =4,08+0,76=4,84 дБ. Если выходная мощность источника излучения составляет 1 мВт, то только 0,328 мВт попадет в волокно. Существенным недостатком источников оптического излучения является температурная зависимость мощности излучения (рис.15.14). Рису. 15.14. Колебания длин волн неохлаждаемого лазера с распределенной обратной связью (длина волны – 1.55 нм) Выводы. 1. С целью селекции мод в источниках излучения используют полосковую геометрию, лазеры с распределенной обратной связью (РОС) и с распределенным брэгговским отражением (РБО). 2. Существенным недостатком источников оптического излучения является температурная зависимость мощности излучения. 3. Источник оптического излучения выполняются в виде модулей (ПОМ). Контрольные вопросы. 1. Нарисуйте схемы выполнения полосковых контактов. 2. Нарисуйте схему СИД торцевого типа и поясните принцип работы 3. Нарисуйте схему СИД с поверхностным излучением и поясните принцип работы. 4. Поясните принцип работы ЛД. 97 Приемные оптические модули Обобщенная структурная схема оптического приемника, реализуемого в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ), представлена на рис. 15.15, 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. 15.15. 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, 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 98 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. 15.16. 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. 15.16 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. Обедненная зона Обедненный слой + + + - - - + + - - n + p + R н Контакты Контакты Оптическое излучение мощностью W 0 Выход электрического сигнала Е см Рис. 15.16. 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 99 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.15.17). 100 50 Si Ge GeInAs мкм , % , ф 0 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 Рис. 15.17. 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. 100 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 полупроводника. 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 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. 15.18. n + p + p + i R н Е см W 0 x Е вх (х) Рис. 15.18. 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 101 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: 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% 102 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? 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. 15.19). W(t) I ф (t) I m 0,9I m 0,1I m t t н с Импульс излучения Рис. 15.9. 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, 103 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. Как функциональные элементы р-i-n и лавинные фотодиоды могут быть представлены в виде обобщенной эквивалентной схемы (рис. 15.21), 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. 15.21. 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». 104 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: 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=1,3810 -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 , 105 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. 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 . 4. Принимая во внимание высокую чувствительность современных фотоприемных устройств, для линий связи длиной 15 – 20 км целесообразно в качестве источника излучения применять светодиоды с выводом излучения через отрезок ВОК. 5. Основными характеристиками передающий оптических модулей на основе СИД торцевого типа являются длина волны излучения, мощность, ширина линии излучения, ток инжекции и габариты. 6. Основными характеристиками приемных оптических модулей являются скорость приема, шумовая полоса, чувствительность, коэффициент передачи, динамический диапазон и напряжение питания. 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. 6. Назовите основные параметры передающих оптических модулей с СИД. 7. Назовите основные параметры передающих оптических модулей с ЛД. 8. Назовите основные параметры приемных оптических модулей с лавинным фотодиодом. 9. Назовите основные параметры приемных оптических модулей с p-i-n фотодиодом. |