- •1.1 Характеристика диапазона электромагнитных волн для оптической связи
- •1.2 Характеристика физических сред для передачи оптических сигналов
- •Устранение “водяного” пика
- •1.3 Характеристики материалов для изготовления источников и приемников оптического излучения и волноводов
- •1.4 Структурная схема оптической системы передачи
- •2.1 Мультиплексирование плезиохронное pdh
- •2.2 Мультиплексирование синхронное sdh
- •2.3 Мультиплексирование асинхронное atm
- •2.4 Мультиплексирование отн
- •2.5 Мультиплексирование Ethernet
- •2.5.1 Ethernet стандарта EoT itu-t g.8010 в оптической системе передачи
- •2.5.2 Схемы мультиплексирования Ethernet
- •3.1 Требования к излучателям
- •3.2 Светоизлучающие диоды. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики
- •3.2.1 Конструкции светодиодов для оптической связи
- •3.2.2 Принцип действия светодиодов
- •3.2.3 Основные характеристики светодиодов
- •3.3 Лазеры. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики
- •3.3.1 Определение лазера
- •3.3.2 Определение резонатора для лазера
- •3.3.3 Конструкции и принцип действия полупроводниковых лазеров
- •3.3.4 Классы лазерных устройств для систем оптической связи
- •3.4 Согласование источников оптического излучения с физическими средами
- •3.4.1 Соединение источника с волокном
- •3.4.2 Линзовые соединения
- •3.4.3 Вывод излучения в атмосферу
- •3.4.4 Перестройка частоты излучения лазера
- •4.1. Определение модуляции и классификация видов
- •4.2. Прямая модуляция
- •4.2.1 Модуляционные характеристики светоизлучающего диода
- •4.2.2 Модуляционные характеристики полупроводникового лазера
- •4.2.3 Шумы модуляции лазера
- •4.2.4 Схемотехнические решения для прямой модуляции излучения сид и ппл
- •4.2.5 Светодиодные, лазерные и интегральные передающие оптические модули
- •4.3. Внешняя модуляция оптического излучения
- •4.3.1 Электрооптическая модуляция
- •4.3.2 Электроабсорбционная модуляция
- •4.3.3 Модулятор Маха – Зендера
- •4.3.4 Акустооптическая модуляция
- •4.4. Сравнительная характеристика прямой и внешней модуляции
- •5.1 Определение фотодетектора. Виды фотодетекторов. Требования к фотодетекторам
- •5.2 Фотодиоды конструкции p-I-n. Принцип действия, основные характеристики
- •5.3 Лавинный фотодиод. Конструкция, принцип действия, основные характеристики. Преимущества лфд
- •5.4 Фотодиоды конструкции tap
- •5.5 Шумы фотодиодов. Эквивалентная шумовая схема фотодиода
- •6.1 Методы фотодетектирования (прямое детектирование и детектирование с преобразованем). Требования к фотоприемным устройствам
- •6.2 Фотоприемные устройства с прямым детектированием
- •6.3 Фотоприемные устройства детектирования с преобразованием
- •6.4 Усилители фотоприемных устройств. Электрическая и оптическая полоса пропускания
- •6.5 Оценка соотношения сигнал/шум на выходе фотоприемного устройства
- •6.6 Особенности построения фотоприёмных устройств при использовании модуляции nrz-dpsk
- •7.1 Принцип оптического усиления. Классификация и назначение усилителей
- •7.2. Полупроводниковые оптические усилители. Конструкции, принцип действия, основные характеристики
- •7.3 Волоконно-оптические усилители на основе редкоземельных элементов. Конструкция, принцип действия, основные характеристики
- •7.4 Оптические усилители на основе эффекта рассеяния
- •8.1 Способы построения линейных трактов оптических систем передачи
- •8.2 Требования к линейным сигналам одноволновых оптических систем передачи
- •8.3 Линейные коды оптических систем передачи. Классификация кодов и их характеристики
- •8.4 Алгоритмы формирования сигналов в линейных кодах восп
- •8.4.1 Алгоритм формирования скремблированного линейного сигнала
- •8.4.2 Алгоритмы формирования линейных сигналов в классе кодов 1в2в
- •8.4.3.Алгоритмы формирования линейных сигналов в классе кодов nBmB
- •8.5 Проектирование линейных одноволновых трактов восп. Ограничения длины регенерационного участка
- •8.6 Требования к линейным трактам систем с многоволновой передачей
- •8.7 Проектирование линейных трактов многоволновой передачи. Ограничение длины участка регенерации и ретрансляции
- •8.9 Упреждающая коррекция ошибок в оптических системах передачи
- •9.1 Оптические разъемные соединители (коннекторы)
- •9.2 Соединительные розетки и адаптеры
- •9.3 Оптические аттенюаторы
- •9.4 Оптические кроссы
- •9.5 Оптические ответвители (разветвители)
- •9.6 Оптические изоляторы (вентили)
- •9.7 Оптические фильтры, мультиплексоры и демультиплексоры
- •9.8 Оптические циркуляторы
- •9.9 Компенсаторы дисперсии
- •9.10 Преобразователи длин волн
- •9.11 Оптические коммутаторы и маршрутизаторы
- •9.12 Фотонные кристаллы
- •10.1 Определение оптического солитона
- •10.2 Нелинейные оптические эффекты в стекловолокне и существование солитонов
- •10.3 Принципы построения солитонных волоконно-оптических систем передачи
5.1 Определение фотодетектора. Виды фотодетекторов. Требования к фотодетекторам
Фотодетектором (фотоприёмником) называют устройство, преобразующее оптическую энергию в электрическую.
В фотодетекторах используются два фотоэффекта: фотогальванический и фотопроводимости.
Приборы на основе фотогальванического эффекта: фотодиоды, фототранзисторы, солнечные элементы.
Эффект фотопроводимости используется в фоторезисторах.
К фотодетекторам оптических систем связи предъявляются следующие требования:
-
высокая чувствительность;
-
требуемые спектральные характеристики и широкополосность;
-
низкий уровень шумов;
-
требуемое быстродействие;
-
длительный срок службы;
-
использование в интегральных схемах совместно с оптическими усилителями.
В большой степени этим требованиям отвечают фотодиоды.
Фотодиод – прибор, электрические свойства которого изменяются под действием падающего на него излучения.
В технике оптической связи наибольшее применение получили p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД). Перспективными приборами для высокоскоростных систем являются фотодиоды бегущей волны TAP (Travelling-Wave Photodetectors), используемые на скорости от 10Гбит/с до 160Гбит/с и выше. В этих приборах, фотодетектирование сочетается с оптическим усилением в полупроводниковом оптическом усилителе [109, 123].
5.2 Фотодиоды конструкции p-I-n. Принцип действия, основные характеристики
Фотодиоды p-i-n отличаются простотой конструкции, высокой надежностью, низкой стоимостью.
Пример конструкции p-i-n фотодиода приведен на рисунке 5.1.
В p-i-n фотодиоде между областями с проводимостями р+ (база) и n+ (коллектор) расположен слой i (слой поглощения фотонов) собственной проводимости полупроводника (i – intrinsic). Фотоны вводятся в детектор через окно, имеющее тонкий слой просветляющего покрытия (толщина около /4) с показателем преломления , согласующим разные среды – стекловолокно (nОВ 1,46) и полупроводник (nПП 3,5). В базе и коллекторе повышена концентрация носителей зарядов. В слое поглощения может создаваться некоторый примесный фон.
Рисунок 5.1 Конструкция p-i-n фотодиода
В основе работы фотодиода лежит обратно смещенный p - n переход. При нулевом смещении (ЕСМ = 0) ток дрейфа, протекающий через переход, сбалансирован противоположными токами из-за диффузии основных носителей. При ЕСМ 0 диффузия прекращается. Фототок возникает при освещении i – слоя излучением определенной длины волны. При этом.образуются пары "электрон – дырка". На них воздействует поле, созданное источником ЕСМ и сосредоточенное в i – слое. Это поле заставляет дрейфовать электроны и дырки. Создается фототок дрейфа
(5.1)
где е – заряд электрона (1,6 10 -19 Кл), N – число электронов, прошедших из валентной зоны в зону проводимости. Однако, не все фотоны вызывают образование пар "электрон – дырка". По этой причине вводится понятие квантовой эффективности:
(5.2)
- соотношение числа электронов и фотонов в фотодетекторе.
Величина фототока определяется
(5.3)
Учитывая, что число фотонов зависит от мощности излучения
(5.4)
величина фототока может быть представлена
(5.5)
где h – постоянная Планка, с – скорость света, - длина волны излучения.
Чувствительность фотодиода оценивается
(5.6)
Для фотодиодов характерна спектральная чувствительность за пределами длины волны
(5.7)
На рисунке 5.2 приведены характеристики спектральной чувствительности фотодиодов на основе кремния Si и германия Ge.
Завалы спектральной характеристики обусловлены длинноволновой границей чувствительности и шунтирующим действием емкости запертого p - n перехода на высоких частотах, когда из-за высокой энергии фотоны не успевают взаимодействовать атомом материала.
Полоса детектируемых частот фотодетектора оценивается на уровне 0,707 от максимальной чувствительности.
Эквивалентная электрическая схема фотодиода позволяет оценивать частотные свойства фотодетектора для электрических сигналов (рисунок 5.3).
Рисунок 5.2 Спектральная чувствительность фотодиодов
Рисунок 5.3 Эквивалентная электрическая схема фотодиода
На вольт-амперной характеристике фотодиода можно увидеть предельное значение ЕСМ (т.е. Епроб) и величину темнового тока, протекающего через прибор при отсутствии освещения (рисунок 5.4).
Темновой ток чаще всего обусловлен поверхностным током утечки. Он сильно зависит от температуры.
Быстродействие фотодиода зависит от времени нарастания фототока при воздействии на фотодиод импульса оптической мощности (рисунок 5.5).
Рисунок 5.4 Вольт-амперная характеристика фотодиода
Рисунок 5.5 Характеристика быстродействия
Величина б определяется временем дрейфа носителей через i-область. Поэтому для увеличения быстродействия желательно уменьшить толщину i – слоя для электрического тока и сохранять толщину для светового потока. Это реализовано в конструкции фотодиода в форме "мезы" – горы [13].
Электрическая схема включения фотодиода приведена на рисунке 5.6.
Рисунок 5.6 Схема включения p-i-n фотодиода
В схеме включения разделительная емкость Ср позволяет устранить высокое напряжение смещения Есм (до 30 В) со входа малошумящего усилителя.
Динамический диапазон входных оптических мощностей для схемы фотодиода с усилителем может достигать 60 дБ.