литература / Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей, 2004

Л е к ц и я 14

Основные узлы оптических систем передачи. Оптический линейный тракт

Оптические передатчики

Оптический передатчик ВОСП реализуется в форме единого передающего оптического модуля (ПОМ) - электронно-оптического преобразователя, осуществляющего преобразование электрических сигналов в оптические сигналы.

[ и о и М СРРИОИ I

Рис. 1. Обобщенная структурная схема оптического передатчика

Обобщенная структурная схема передающего оптоэлектронного модуля (ПОМ) приведена на рис. 1, где приняты следующие обозначения:

ФМС - формирователь модулирующего сигнала, осуществляющий преобразование сигнала, поступающего с выхода оборудования сопряжения (см. рис.1 лекции 13), 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 работоспо-

собности 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.

Требования к источникам оптического излучения: их параметры и характеристики

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 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.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют источники оптического излучения на основе светоизлучаюицих диодов (СИД) и полупроводниковых лазерных диодов (ЛД).

Основными параметрами источника оптического излучения являются:

1)длина волны оптического излучения Ло, мкм, соответствующая одному из минимумов спектральной характеристики затухания оптического волокна;

2)ширина спектра оптического излучения АЛ, нм\

3)мощность оптического излучения І/У, мВт или абсолютный уровень мощности оптического излучения р, дБм\

4)ток возбуждения источника оптического излучения 1в, мА, под которым понимается минимальное значение тока, обеспечивающее устойчивое световое излучение;

5) эффективность излучения, т.е. коэффициент полезного действия (КПД) источника оптического излучения, под которым понимается отношение вида

1/У 77 = — ^ - Ю О %,

И/пот

где \А/0 - мощность оптического излучения; ]/\/пот - мощность, потребляемая источником оптического излучения от внешнего источника электрической энергии;

6)время нарастания импульса оптического излучения Гнар, за которое его амплитуда возрастает от 0,1 до 0,9 своего номинального значения;

7)максимальная скорость передачи информации С, Мбит/с или частота модуляции РМ0(Э, МГц\

8)шумы источников оптического излучения.

Основными характеристиками источников оптического излучения

являются:
1) ватт-амперная характеристика	= / (1Н), описывающая зави-

симость мощности оптического излучения \А/0 от тока возбуждения 1д (или тока инжекции - 1и)\ примерные ватт-амперные характеристики СИД и ЛД приведены на рис. 2.

2) спектральная характеристика излучения при различных величинах тока возбуждения (инжекции), показывающая зависимость

относительной мощности оптического	излучения \NZ\No ОТ		Д Л И Н Ы
волны оптического излучения, т.е. 1	=	1д), здесь \А/0 -	мощ-

ность оптического излучения на номинальной длине волны Л0 и 1/У- на текущей длине волны в пределах соответствующего окна прозрачности оптического волокна; типичная спектральная характеристика источников оптического излучения приведена на рис. 3.

3) диаграмма направленности, представляющая пространственную характеристику излучения. После выхода света из источника начинается расширение светового пучка, и только малая его часть

вдействительности попадает в оптическое волокно. Чем уже диаграмма направленности, тем большая часть света может попасть

вволокно.

Хорошие источники излучения должны иметь малые диаметры выходных пучков света и малую апертуру (МА). Диаметр выходного пучка определяет величину поперечного сечения пучка излучения, а апертура Л/Л - 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. 4. представлены типичные диаграммы направленности для светоизлучающих и лазерных диодов.

\№о, мВт

Лазерный диод у

Светоизлучающий диод

Светоизлучающий

диод

Рис. 2. Ватт-амперная характеристика источника

оптического излучения

ІВ. м А

Светоизлучающий

диод

Рис. 3. Типичная спектральная характеристика источника оптического излучения

Рис.4. Диаграмма направленности источников оптического излучения

Диаграмма направленности лазерного диода ближе к эллиптической форме, а светоизлучающего диода - к сферической.

Когда выходной диаметр источника с1и не соотвествует диаметру сердцевины волокна с/в, то потери излучения, связанные с рассогласованием данных параметров Лд, могут быть определены из следующего выражения:

Д а = 2 0 1 д ^ .

Потери отсутствуют, когда диаметр сердцевины волокна превосходит диаметр источника излучения.

Когда апертура Л/Д источника больше, чём Л/Д волокна, то потери, вызванные этим рассогласованием Аа, равны

Д = 2 0 1 д ^ . Л/Д

Потери отсутствуют, если апертура волокна больше апертуры источника излучения.

Рассмотрим, например, источник излучения с выходным диаметром dM = 100 микрон и апертурой Л/Д, = 0,3, и подключенное к нему волокно с диаметром dB = 62,5 микрон и Л/Д = 0,275. Потери из-за рассогласования параметров волокна и источника излучения будут равны

	Ад = 20lg-^- = 2 0 l g ^ : = 4,08 дБ
	d.		62.5
и	Д = 201д-^- =	0.275	= 201д1,091 = 0,76 дБ.
	У Л/Д		а

Общие потери составляют А„ = 4,08 + 0,76 = 4,84 дБ. Если выходная мощность источника излучения составляет 1 мВт, то только 0,328 мВт попадет в волокно.

Оптические приемники

Обобщенная структурная схема оптического приемника, реализуемого в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ), представлена на рис. 5, 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.

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 З О С П (см. рис. 1 лекции 13).

Рис. 5. Обобщенная структурная схема оптического приемника

Базовым элементом оптического приемника ВОСП является

фотодетектор	- оптоэлектронный прибор, преобразующий опти-
ческий сигнал в электрический сигнал соответствующей				формы.
Фотодетектор	реализуется	на основе	полупроводниковых фото-
диодов (ФД) с р-п обратносмещенными			переходами,	работающих
на принципах внутреннего		фотоэффекта.

В технике ВОСП широкое применение находят два типа фотодиодов: рч-п и лавинный ФД.

Сущность внутреннего фотоэффекта в полупроводниковом материале заключается в поглощении фототока, энергия которого М = Лс/Я более ширины запрещенной зоны материала Ед полупроводникового материала, а длина волны оптического излучения не превышает критического значения

Лкр = 1,24/Ед, 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 - ве, кремния - а также соединений элементов третьей и пятой групп Периодической системы элементов Д. И. Менделеева (ПСЭМ): алюминия - А1, галлия - Ga, индия - 1п из третьей группы и фосфора - Р, мышьяка - Аэ и сурьмы - ЭЬ из пятой группы, например, арсенид галлия - СаАБ и фосфид индия - 1пР. Возможно образование тройных и четверных соединений типа арсенида галлия с добавкой алюминия - СаА1Аз или галий-индий-аосенид фосфора - 6а1пАзР.

Примеси могут создать избыток электронов (полупроводник п+-типа) или дырок (полупроводник р+-типа). Процесс добавки примесей называется легированием. В легированном полупроводниковом материале имеются основные носители (свободные электроны в материале п+-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 германий 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.

p-i-n-фотодиоды. Структурная схема обратносмещенного р-/'-л-ФД представлена на рис. 6. Сконструированный таким образом полупроводниковый прибор, получил название p-i-n- фотодиода, происходящего из сокращенных названий составляющих его слоев: р - positive (положительный), /' - intrinsic (внутренний), n - negative (отрицательный). Обедненный /'-слой такого ФД сделан максимально широким из полупроводникового материала, легированного в такой степени, чтобы не относиться ни к полупроводникам л-типа с электронным видом проводимости, ни к полупроводникам р-типа с дырочной проводимостью.

Как следует из рис. 6, структура такого диода состоит из сильно легированного л+-слоя (подложки), слаболегированного /'-слоя и тонкого сильнолегированного р+-слоя. Толщина /-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 /'-слоя составляет несколько десятков мкм.

Так как сильное легирование р- и л-слоев увеличивает их проводимость, то обратное смещение напряжением Есш приложенное к этим слоям, создает в /'-слое сильное внутренне электрическое поле напряженностью Ев. При этом образуется обедненная зона, толщина которой сравнима с размером диода. Широкий /'-слой приводит к уве-

Оптическое
излучение	Обедненная зона
мощностью Щ
Контакты		р+	Контакты
	Ев
			Выход
Есм	Обедненный слой		электрического
		Щсигнала
Рис. 6. Структурная схема		р-/'-о-фотодиода
личению 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

всильном электрическом поле к р+- и п+ч областям диода.

Врезультате поглощения кванта света с энергией /7/ в нагрузке

диода Ян протекает импульс тока. Если каждый поглощенный квант рождает электронно-дырочную пару, то число носителей тока Л/, равное отношению мощности оптического излучения 1/У к энергии кванта, умноженное на величину носителя <7, определит средний ток /ф, протекающий через нагрузку Ян

/		- дЛ/ =		УЯ
	Ф		д — .
		ч	ч	м

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 щ называется квантовой эффективностью (выходом) фотодетектора. Следовательно, средний фототок, протекающий через нагрузку фотодетектора, будет равен

!ф = ЧФЯ

Коэффициент полезного действия фотодетектора, определяемый как отношение среднего значения фототока 1Ф к среднему значению оптической мощности (А /Вт), называется токовой чувствительностью

Б = 1ЛЛ/ = т!Фд/ М

Отсюда следует, что чувствительность оптического приемника тем выше, чем больше квантовый ВЫХОД Т]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. 7).

Рис. 7. Спектральная характеристика квантового выхода - квантовой эффективности

Квантовый выход фотодиода однозначно связан с токовой чувствительностью следующей зависимостью: Т] ~ 1,245 /Л, где Л - длина волны, мкм.

Конструктивно р-/-/т—ФД выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощения излучения вне /'-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-і-п - фотодиодах обедненный слой поляризуется и через нагрузку протекает постоянный ток 1т малой величины, который называется темновым током. Значение этого тока определяется свойствами полупроводникового материала, толщиной р-/'-л-структуры и температурой окружающей среды.

В настоящее время р-/'-л-фотодиоды являются довольно распространенным типом фотодетектора. Это объясняется простотой их изготовления, достаточно высокой временной и температурной

10—2248

стабильностью и относительно широкой полосой рабочих частот, они обладают хорошей линейностью в широком динамическом диапазоне (от нескольких пиковатт до нескольких милливат), обеспечивают детектирование оптических сигналов, модулируемых частотами гигагерцового диапазона.

Для изготовления таких ФД обычно используют кремний (Si), германий (Ge), арсенид галия (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 A^Ga^AsSb получены ФД для работы на длинах волн от 0,9 до 1,3 мкм с квантовой эффективностью не хуже 0,8.

В фотодиодах p-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 M 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 p-i-n- фотодиода дополнительного п+-р - перехода, усиленное обратным смещением, рис. 8.