Приемный оптический модуль. Приемники оптического излучения, фото детекторы

Приемный оптический модуль (ПРОМ) представляет собой собранное в общем корпусе устройство, состоящее из фотодетектора (р-/-п ФД или ЛФД) и мало- шумящего предварительного усилителя, На рисунке 2.1 даны принципиальные схемы ПРОМ двух типов: модуля с подключением фотодетектора к усилителю (схема «прямой линии») и модуля с трансимпедансным усилителем, в котором осуществляется обратная связь через резистор Roc.,

Рисунок 7. Принципиальные схемы ПРОМ: а) С подключением, фотодетектора к усилителю; б) С трансимпедансным усиителем.

При использовании ЛФД в качестве фотодетектора можно изменять подаваемое на него напряжение обратного смещения и таким образом регулировать коэффициент лавинного умножения ФД, Это позволяет существенно расширять динамический диапазон модуля, но требует наличия в модуле блока автоматически регулировки усиления (АРУ). В блоке АРУ получаемое напряжение должно сравниваться с напряжением опорного сигнала, определяющего амплитудное значение выходного сигнала модуля. Напряжение рассогласования должно поступать на схему, управляющую одновременно коэффициентами усиления ЛФД и усилителя. При использовании p-i-nдиода в качестве фотодетектора электронная схема предварительного усиления упрощается. Она сводится к двойному амплитудному детектору, схеме сравнения и фильтру. Однако тогда динамический диапазон' модуля получается меньшим, чем при использовании ЛФД с блоком АРУ.

В зависимости от того, в какой форме (аналоговой или цифровой) передаются данные по ОВ, требуется различная мощность оптических сигналов, принимаемых фотодетектором. На рисунке 8 приведена зависимость требуемой оптической мощности от ширины полосы при приеме аналоговых и цифровых сигналов.

1. Основные принципы работы фотодиода.

Детектор выполняет противоположную функцию по сравнению с источником; он преобразует оптическую энергию в электрическую и является оптоэлектронным преобразователем. Существуют разнообразные детекторы. Наиболее известный

Рисунок 8. Зависимость мощности приема от ширины полос при приеме:1-

тип детектора — фотодиод, вырабатывающий ток при попадании на него света. В волоконной оптике достаточно интенсивно используются два вида фотодиодов: рт типа и лавинный.

При перемещении электрона из зоны проводимости в валентную зону в процессе электронно-дырочной рекомбинации выделяется энергия. ВС ИД эта энергия уносится фотоном, чья длина волны определяется шириной щели между зонами. Излучение происходит при пропускании внешнего тока через полупроводниковый кристалл СИ Д.

В фотодиоде происходит обратный процесс: свет., падающий на диод, приводит к генерации тока во внешнем контуре. Поглощение фотона приводит к появлению возбужденных электронов, переходящих из валентной зоны в зону проводимости. Данный процесс, в результате которого образуется пара электрон-дырка, получил название внутреннего поглощения. Эти носители тока при наличии приложенного смещающего напряжения дрейфуют вдоль вещества и возбуждают ток во внешнем контуре. В возникшей паре электрон-дырка в образовании тока во внешней цепи участвует электрон.

Рисунок 9. pnфотодиод

2.pn, pin, лавинные фотодиоды.

рп фотодиоды. Простейшим видом фотодиода является рп фотодиод, схематически изображенный на рисунке 9. Данный вид фотодиода достаточно редко встречаемая в волоконной оптике. Он будет использоваться как основа для рассмотрения принципиального устройства полупроводникового фотодиода.

При поглощении падающего фотона связанному электрону передается достаточное количество энергии для перехода из валентной зоны в зону проводимости, при этом образуется пара: свободный электрон + дырка. Если это происходит в обедненной зоне контакта, носители быстро разделяются и смещаются в противоположных направлениях. Это смещение возбуждает движение электронов

и во внешнем контуре. Когда носители достигают границы обедненной зоны, где электрические поля становятся малыми, то их движение, а следовательно, и ток во внешнем контуре прекращается.

Если генерация электронно-дырочной пары происходит вне обедненной зоны, то носители начинают медленное смещение в ее сторону. Многие носители реком-бинируют прежде, чем достигают обедненной зоны. Те из них, которые достигают обедненной зоны, быстро проходят ее под действием сильного электрического поля, возбуждая при этом ток во внешнем контуре.

Данный ток возникает со сдвигом во времени по сравнению с поглощением фотона. Сдвиг во времени определяется первоначальным медленным движением носителей по направлению' к обедненной зоне. В данной случае ток может возникнуть уже после отключения' инициирующего света. Запаздывающий ток называется медленным откликом.

Две характеристики рп фотодиодов ограничивают их применение в большинстве волоконно-оптических приложений. Во-первых, обедненная зона составляет достаточно малую часть всего объема диода, и большая часть поглощенных фотонов не приводит к генерации тока во внешнем контуре. Возникающие при этом электроны и дырки рекомбинируют по дороге к области сильного поля. Для генерации тока достаточной силы требуется мощный световой источник. Во-вторых, наличие медленного отклика, обусловленного медленной диффузией, замедляет работу диода, делая его непригодным для средне- и высокоскоростных применений. Это позволяет использовать диод только в килогерцовом диапазоне,

рп — фотодиоды. Структура рn — фотодиода спроектирована так, чтобы избежать недостатков фотодиода рп-типа. Эта структура показана на рисунке 9.

Обедненная зона сделана максимально широкой. Слаболегированный промежуточный слой разделяет более сильно легированные слои п- и р- типа. Промежуточный слой легирован в такой степени, чтобы не относиться ни к полупроводникам п- типа с электронной проводимостью, ни к полупроводникам р- типа с дырочной проводимостью.

Поскольку внутренний слой не содержит свободных носителей заряда, то электрические силы в нем будут значительными. При этом образуется обедненная

Рисунок 10.РТ –фотодиоды.

зона, сравнимая по ширине с размером диода. Принципиального различия в работе диода рт-типа и диода рп-типа не существует. Широкий внутренний слой приводит к большей' эффективности поглощения фотонов внутри обедненной зоны. В результате падающие фотоны' возбуждают ток во внешнем контуре более эффективно и с меньшим запаздыванием. Носители, образующиеся внутри обедненной зоны, мгновенно сдвигаются в сильном электрическом поле к соответственно р- и п- областям диода.

Существует некоторый оптимум размера внутреннего слоя. Для более эффективного протедгания процесса преобразования падающих фотонов в носители заряда требуется по возможности более широкий внутренний слой. С другой стороны, скорость срабатывания диода уменьшается с ростом ширины этого слоя, поскольку при этом увеличивается время смещения носителей к краям обедненной зоны. В у стройстве диода учитывается баланс этих двух конфликтующих факторов для достижения большей эффективности с максимальной скоростью.

Лавинные фотодиоды (APD). В диодах pin-типа каждый поглощенный фотон в идеале приводит к образованию одной электронно-дырочной пары, которая в свою очередь приводит к возбуждению тока в виде смещения одного электрона во внешнем контуре. В этом смысле данный тип фотодиода похож на СИД. В основе и того, и другого лежит соотношение один кодному между фотонами, носителями заряда и током. Продолжая это сравнение, можно сказать, что ЛФД похож на лазер, в котором соотношение один к одному не выполняется. В лазере небольшое первоначальное количество носителей приводит к появлению большого числа фотонов. В лавинном фотодиоде (АРD) несколько падающих фотонов приводят к появлению большого числа носителей и к существенному току во внешнем контуре. На рисунке 11 представлена структура АРD, отличающаяся наличием очень сильного электрического поля в некоторой части обедненной зоны.

Рисунок 11. Лавинные фотодиоды.

Первоначальные носители — свободные электроны и дырки, появляющиеся после поглощения света, — под действием этого поля ускоряются, приобретая несколько' электрон-вольт кинетической энергии. При столкновении быстрых носителей с нейтральными' атомами происходит передача части кинетической энергии электронами валентной зоны и перемещением этих электронов в зону проводимости. В результате появляются свободные электроны и дырки. Возникающие таким образом носители, в отличие от первоначальных, называются вторичными.Данный процесс создания носителей называется ударной ионизацией.

Процесс в целом называется фатомулътиплексией и представляет собой по сути некоторую форму усиления.

Число электронов, протекающих во внешнем контуре в результате поглощения одного фотона, зависит от АРD-фактора мультиплексии. Типичное значение фактора мультиплексиинаходится в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен. В каждом конкретном случае один первичный электрон может породить как больший, так и меньший ток во внешнем контуре.

Существует пороговое значение напряжения для инициирования лавинного процесса ударной ионизации. Выше порога по напряжению APDбудет генерировать ток без наличия оптической мощности. Самого напряжения при этом достаточно для инициирования ударной ионизации.

Достаточно часто APDиспользуется в режиме, когда приложенное напряжение чуть ниже ' порогового. Тогда даже незначительная оптическая мощность приводит к мгновенному реагированию и заметному выходному сигналу. К недостаткам АРD можно отнести то, что шумовой ток (ток, возникающий в результате генерации пары носителей в отсутствии света) растет при увеличении приложенного напряжения и, кроме того, высокое напряжение требует специального высоковольтного питания.

3. Шум, дробовый шум, тепловой шум, отношение сигнал/шум.

В основе работы детектора лежит генерация электрического тока в ответ на падающие фотоны. От него требуется улавливание даже очень слабого оптического сигнала и воспроизведение заметного электрического тока. Однако в действительности электрический сигнал может быть достаточно слабым при уровне оптической мощности от нескольких десятков до нескольких сотен нановатт. Поэтому в приемнике происходит усиление электрического сигнала полученного от детектора, и возможно искажение его формы.

Шум является неустранимым эффектом, который серьезно ограничивает чувствительность детектора. Шумом называется любое возмущение электрического или оптического характера, отличное от полезного сигнала. Сигнал несет полезную информацию, а шум является чем-то дополнительным и бесполезным. Хотя шум может присутствовать и присутствует во всех частях коммутационной системы, особенно важен его уровень на входе в приемное устройство. Причина в том, что приемное устройство работает со слабым сигналом, потерявшим свою первоначальную мощность при передаче. Поэтому слабый в большинстве контуров по сравнению с сигналов шум становится заметным на фоне слабого сигнала. Того же уровня шум-в передающем устройстве обычно несущественный, поскольку здесь уровень сигнала намного-выше. Итак, шум оказывает существенное влияние на порог чувствительности детекторов. Слишком слабый оптический сигнал невозможно различить на фоне шума, для этого необходимо либо уменьшить уровень шума, либо усилить сигнал.

В процессе усиления в приемном устройстве усиливается не только сигнал, но и шум. Некоторые виды шума можно отфильтровать с помощью электронных фильтров. Удобно иметь уровень сигнала более высокий по сравнению с уровнем шума, а еще лучше иметь сильный сигнал и слабый шум. Не которые виды, шума связаны с самим фотодетектором или, приемником. Уже упоминался шум, связанный с процессом мультиплексирования в APD, объясняющийся статистической природой самого процесса. К другим видам шумов, также важных для понимания работы фотодиодов и волоконной оптики, относятся дробовый и тепловой шум.

В основе работы детектора лежит генерация электрического тока в ответ на падающие фотоны. От него требуется улавливание даже очень слабого оптического сигнала и воспроизведение заметного электрического тока. Однако в действительности электрический сигнал может быть достаточно слабым при уровне оптической мощности от нескольких десятков до нескольких сотен нановатт. Поэтому в приемнике происходит усиление электрического сигнала полученного от детектора, и возможно искажение его формы.

Шум является неустранимым эффектом, который серьезно ограничивает чувствительность детектора. Шумом называется любое возмущение электрического или оптического характера, отличное от полезного сигнала. Сигнал несет полезную информацию, а шум является чем-то дополнительным и бесполезным. Хотя шум может присутствовать и присутствует во всех частях коммутационной системы, особенно важен его уровень на входе в приемное устройство. Причина в том, что приемное устройство работает со слабым сигналом, потерявшим свою первоначальную мощность при передаче. Поэтому слабый в большинстве контуров по сравнению с сигналов шум становится заметным на фоне слабого сигнала. Того же уровня шум-в передающем устройстве обычно несущественный, поскольку здесь уровень сигнала намного-выше. Итак, шум оказывает существенное влияние на порог чувствительности детекторов. Слишком слабый оптический сигнал невозможно различить на фоне шума, для этого необходимо либо уменьшить уровень шума, либо усилить сигнал.

В процессе усиления в приемном устройстве усиливается не только сигнал, но и шум. Некоторые виды шума можно отфильтровать с помощью электронных фильтров. Удобно иметь уровень сигнала более высокий по сравнению с уровнем шума, а еще лучше иметь сильный сигнал и слабый шум. Не которые виды, шума связаны с самим фотодетектором или, приемником. Уже упоминался шум, связанный с процессом мультиплексирования в APD, объясняющийся статистической природой самого процесса. К другим видам шумов, также важных для понимания работы фотодиодов и волоконной оптики, относятся дробовый и тепловой шум.

Дробовый шум. Дробовый шум возникает вследствие дискретной природы электронов. Электрический ток не является непрерывным однородным потоком. Это поток отдельных дискретных электронов. Напомним, что фотодиод работает благодаря поглощению фотонов, которые инициируют появление электронно-дырочных пар, а те, в свою очередь, — тока во внешнем контуре. Это трехступенчатый процесс: фотон, электрон-дырка, электрон. Падение и поглощение каждого фотона и генерация пары носителей являются частями случайною процесса. Он протекает как серия дискретных событий, а не плавно текущий однородный по­ток. Таким образом, в действительности ток флюктуирует в зависимости от того, насколько много или насколько мало электронно-дырочных пар возникло в данный момент времени.

Дробовый шум присутствует и тогда, когда свет не падает на детектор. Даже в отсутствие

света малый дребезг тока генерируется за счет тепловых флюктуации, причем его уровень

увеличивается примерно на 10% при росте температуры на 1 градус. Типичное значение

шумового тока составляет 25нА при 25 градусах. Дробовый шум определяется выражением:,

I_sn= 2*q*i*B

где д — заряд электрона (1.6* 10"¹⁹ кулон), i— средняя сила тока (включая фоновый ток и ток сигнала) и В — ширина частотной полосы приемника. Из уравнения видно, что дробовый шум усиливается при росте тока и ширины полосы. Дробовый шум минимален, когда присутствует только фоновый ток, и растет при возникновении тока, возбуждаемого оптическим сигналом.

Тепловой шум. Тепловой шум или шум Джонсона-Найквиста, возникает благодаря флюктуациям сопротивления детектора. Электроны в пространстве между электродами ведут себя непостоянно. Их тепловая энергия позволяет им случайным образом смешаться. 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 ток сигнала и изменяет его.' Тепловой шум задается выражением:

где к — постоянная Больцмана (1.38*10"²³ Дж/К), Г— абсолютная температура по шкале Кельвина, В — ширина частотной полосы приемника nR_L- сопротивление нагрузки.

Тепловой и дробовый шум в приемнике возникают независимо от поступающей оптической мощности. Они определяются структурой материи. Они могут быть уменьшены при улучшении устройства детектора, но избавиться от них полностью невозможно. Любой сигнал — оптический, электрический, или голосовой — обязательно¹существует совместно с шумом. После приема, на стадии следующей после детектирования происходит усиление сигнала совместно с шумом. Таким образом, сигнал должен быть существенно сильнее шума.

Отношение сигнал/шум. Отношение сигнал/шум (5МК) — общепринятый способ выражения качества сигнала в системе. Это просто отношение средней энергии сигнала к средней энергии шумов различной природы.

SNR= (3)

В децибелах SNRравно:

SNR=10 loq₁₀(s/n) (4)

Большие значения SNR.соответствует ситуации, когда сигнал существенно превосходит шум. Мощность сигнала зависит от мощности поступающего оптического сигнала. В различных случаях требуются различные значения SNR. Отношение сигнал/шум для телефонных линий меньше аналогичного параметра для телевизионного сигнала, поскольку даже достаточно высокий уровень шумов на телефонной линии может остаться незамеченным. Также можно принимать большие звуковые искажения по сравнению с приемом телевизионного сигнала.

Более того, передаваемый в эфир телевизионный сигнал имеет более высокое значение отношения сигнал/шум, чем телевизионный сигнал, принимаемым дома. Почему? На передаваемый в эфире сигнал накладывается шум. Поэтому необходимо, чтобы даже после передачи и приема отношение сигнал/шум оставалось достаточно высоким и обеспечивало качественную телевизионную картинку.

4. Характеристики детекторов (Чувствительность, Фоновый ток) Чувствительность.Чувствительностью называется отношение выходного тока к оптической энергии, она выражается в амперах/ватт. Оптическая энергия производит ток. Типичное значение чувствительности фотодиода составляет от 0.4 до 0.6 А/Вт.

Чувствительность изменяется в зависимости от длины волны, поэтому она задается либо при длине волны, соответствующей максимуму чувствительности, либо при длине волны, представляющей интерес, такой как 850нм или 1 ЗООнм. Кремний является наиболее распространенным материалом, используемым в детекторах в диапазоне длин волн от 800 до 13ООнм, Его пиковая чувствительность составляет 0.7 А/Вт при 13ООнм. При длине волны 850нм чувствительность близка к своему максимальному значению. Кремниевые фотодиоды не вполне пригодны для более длинно волнового диапазона 1ЗООнм и 1550нм. В этом диапазоне используется германий (Ge) и индий-галлий-арсенид (IbGaAs). Фотодиод pin-типа на основе IbGaAs имеет достаточно широкую область высокой чувствительности. На рисунке 7 представлены типичные кривые чувствительности для различных фотодиодов.

Чувствительность (А/Вт)

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 λнм)

Рисунок 12 Чувствительность.

Фоновый ток. Он возникает из-за тепловых эффектов. Он представляет собой низший уровень теплового шума. Теневой ток возрастает примерно на 10% с ростом температуры на 1 градус. Он существенно слабее в кремниевом диоде, используемом а более коротких волн, чем в германиевых или IbGaAs фотодиодах, используемых на более длинных волнах.

Заключение:

1. Детектор представляет собой преобразователь, который трансформирует оптическую энергию в ток.

2. Наиболее распространенными видами детекторов, используемых в волоконной оптике, являются pin— фотодиоды и лавинные фотодиоды.

 

3. Чувствительность отражает отношение выходного тока к оптической мощности.

4. Лавинные детекторы обеспечивают внутреннее усиление сигнала, поэтому их чувствительность существенно выше, чем чувствительность pin-диода. Лавинные детекторы более сложны в эксплуатации,

5. Шум определяет уровень минимальной детектируемой мощности.

6. С детекторами ассоциируются два вида шумов: дробовый и тепловой.

7. SNRи BERпредставляют два вида характеристик, указывающих их качество сигнала в системе.