Практическое занятие 20

Приемники оптического излучения

1 Цель занятия:

1.1 Изучить устройство, принцип действия и технические характеристики приемников оптического излучения

2 Литература:

2.1 Фокин В.Г. Оптические системы передачи и транспортные сети: Учебное пособие для вузов / В.Г. Фокин. - М.: ЭКОТРЕHДЗ, 2008

2.2 Татаркина О.А. Волоконно-оптические системы передачи: Конспект лекций / О.А. Татаркина. - Екатеринбург: Изд-во УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2008

2.3 Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи. - М.: Техносфера, 2003

3 Подготовка к работе:

3.1 Повторить материал по темам «Основы построения волоконно-оптических систем передачи»

3.2 Ответить на контрольные вопросы:

1) На чем основан принцип действия приемников излучения ?

2) Перечислить основные требования к приемникам излучения

3) Каковы функции приемных оптических модулей?

4) Понятие модуляции оптического сигнала

3.3 Подготовить бланк отчета практического занятия

4 Задания:

4.1 Изучить материал по теории приемников оптического излучения (приложение А)

4.2 По справочным данным определить технические характеристики p-i-n диода, лавинного диода, приемного оптического модуля

4.3Провести сравнительный анализ различных видов модуляции/демодуляции сигнала в приемном оптическом модуле (приложение Б)

4.4 Построить график квантовой эффективности фотодиода. Данные взять в таблице 1

Таблица 1 – Данные для расчета характеристики фотодиода

λ, мкм	0,8	0,9	1,0	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8
η	0,28	0,30	0,33	0,41	0,48	0,55	0,62	0,55	0,42	0,38

5 Порядок выполнения работы:

5.1 Изучить задания к выполнению работы

5.2 Подготовить отчет на бланке

5.3 Выполнить задания в соответствии с вариантом

6 Содержание отчета:

6.1 Название и цель работы.

6.2 Конструкция и основные характеристики фотодиодов

6.3 Основные параметры приемных оптических модулей

6.5 Ответы на вопросы допуска

6.6 Ответы на контрольные вопросы

7 Контрольные вопросы:

1) Пояснить принцип работы лавинного и p-i-n диодов

2) Какие фотодиоды имеют лучшую чувствительность, малые шумы?

3) Пояснить принцип когерентного приема оптических сигналов

4) Пояснить принципы модуляции оптического сигнала

5) Пояснить отличие демодуляции гомогенной и гетерогенной

6) Типы оптических модуляторов

Приложение А

(справочное)

1 Приемники излучения ВОСП

1.1 Требование к фотоприемным устройствам

В ВОСП в качестве приемных устройств используются полупроводниковые фотодиоды. Фотодиод преобразует оптическую энергию в электрическую. ФД в наибольшей степени удовлетворяют предъявляемым требованиям к фотоприемным устройствам оптических систем. Основные требования к фотоприемным устройствам ВОСП:

1. Для получения эффективного оптоэлектронного преобразования спектральные характеристики фотоприемника и источника должны быть согласованы.

2. При преобразовании фотоприемник должен вносить минимально возможные шумы и искажения, то есть иметь низкий уровень шумов, обладать требуемой чувствительностью, быстродействием и динамическим диапазоном.

3. Конструкция фотоприемника должна обеспечивать надежное соединение с оптическим волокном.

4. Длительный срок службы и возможность использования в интегральных схемах.

Наибольшее применение в ВОСП получили p-i-n фотодиоды (PIN), лавинные фотодиоды (ЛФД, APD).

1.2 Принцип действия фотодиодов

Принцип действия любого фотодиода основан на внутреннем фотоэффекте, который заключается в увеличении электропроводности вещества при его освещении. В фотопреобразовательном режиме последовательно с ФД включается внешний источник энергии, смещающий диод в обратном направлении.

Р-i-n фотодиод имеет трехслойную структуру: высоколегированные области p+, n+ с большой концентрацией свободных носителей (дырок и электронов) и сравнительно протяженный обедненный носителями (слабо легированный) i– слой. Легирование примесями по заданному профилю обеспечивает характерное распределение потенциалов, при котором все прикладываемое к ФД напряжение сосредоточено в i-слое. для повышения эффективности преобразования фотон-электрон необходимо, чтобы фотоны попадали в i-слой.

Если на фотодиод не воздействуют фотоны, то в его структуре протекает слабый темновой ток, обусловленный тепловыми движениями зарядов.

Темновой ток ограничивает уровень минимально детектируемой мощности сигнала.

При падении фотонов на i-слой происходит генерация свободных носителей (электронов и дырок), так как кванты света выбивают электроны из валентных связей полупроводника. Время жизни носителей, образованных в i-слое, намного превышает их время жизни в p- и n- слоях (где они быстро рекомбинируют). Носители, под воздействием высокого напряжения обратного смещения, быстро смещаются к границам обедненной зоны, при этом замыкается цепь и начинает протекать фототок.

Рисунок А.1 - Структура p-i-n фотодиода

Фототок I_ф0, если Е_фЕ_g. Оптический сигнал считается преобразованным в электрический, если выполняется соотношение _р  _гр,

где _р - рабочий диапазон длин волн,

λ_кр= (h·c)/E_g - определяет длинноволновую границу чувствительности фотодиода.

_гр - длина волны, до которой оптический сигнал может быть преобразован в электрический, так как при превышении пороговой длины волны энергии фотона E_ф=(h·c)/λ недостаточно для возникновения фотоэффекта.

Структура ЛФД дополнительно содержит слаболегированный слой p-.

К ЛФД подводится высоковольтное питающее напряжение, близкое к напряжению пробоя. Профиль примесей обеспечивает условия, при которых напряжение максимально сосредоточено в р- слое.

При возникновении носителей в i-слое, электроны в р- слое с высоким ускоряющим напряжением, соударяются с узлами кристаллической решетки и в результате ударной ионизации выбивают дополнительные электроны. Носители в сильном электрическом поле приобретают избыточную энергию, достаточную для создания новых пар носителей зарядов за счет ударной ионизации.

В результате в переходе вблизи пика напряженности поля происходит умножение носителей. Поскольку вновь появившиеся носители в свою очередь способствуют ударной ионизации, то число носителей лавинообразно увеличивается, что вызывает усиление фототока.

Коэффициент умножения фототока определяется из соотношения:

(1)

где Uп – напряжение пробоя ЛФД;

Uд – напряжение смещения, подаваемое на ФД;

М – характеризует чистоту полупроводника.

Коэффициентом М трудно управлять, так как он зависит от температуры и напряжения. Поэтому эти параметры необходимо жестко стабилизировать.

Рисунок А.2 - Структура ЛФД

1.3 Основные характеристики ФД:

1) Токовая чувствительность S_ТЧ определяется отношением фототока к оптической мощности

Для p-i-n фотодиода S_ТЧ=0,50,9 А/Вт, для ЛФД: S_ТЧ=2060 А/Вт

S_ТЧ задается на длине волны, соответствующей максимуму чувствительности для определенного окна прозрачности волокна.

2) Внутренняя квантовая эффективность _вн – это безразмерная величина, определяющая соотношение числа электронов и фотонов в фотодиоде.

При расчете _вн не учитываются отраженные фотоны, а для ЛФД дополнительно не учитываются электроны, возникающие при ударной ионизации.

Для pin ФД _вн=0,30,5, для ЛФД _вн= 0,60,8

3) Фототок определяется как I_ф = N_ф·η_вн·e

где e =1,6·10^-19 Кл- заряд электрона.

4) Темновой ток – это ток, протекающий через нагрузку обратно смещенного фотодиода в отсутствии светового потока. Этот ток вызывается электронами, перешедшими под влиянием температурных изменений из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому, чем меньше величина энергии запрещенной зоны, тем больше величина Iт.

Для pin ФД I_Т=0,110 нА, для ЛФД I_Т=30100 нА.

Рисунок А.3- Вольт-амперные

характеристики p-i-n фотодиода

5) Быстродействие фотодиода определяется временем нарастания электрического сигнала _Н.

Будем считать, что в идеале поступает оптический импульс прямоугольной формы. Импульс считается отработанным, когда его амплитуда увеличиться от 0.1 Iф/Iф_max до 0.9Iф/Iф_max (рисунок А.4).

Для pin ФД _Н=0,1-5 нс, для ЛФД _Н=0,01-1 нс.

Рисунок А.4 - Характеристика быстродействия ФД

6) Широкополосность определяется на уровне 0,707 от максимальной спектральной чувствительности.

Неравномерность характеристики на коротких длинах волн обусловлена шунтирующим действием барьерной емкости р-n перехода, а в длинноволновом диапазоне граничной длиной волны.

Рисунок А.5 - Спектральная характеристика ФД

Спектральная чувствительность фотодиодов определяется типом полупроводниковой структуры, при этом красная граница фотоэффекта составляет:

для Si –ФД _Р=800-1100 нм, для Ge – ФД _Р=1100-1700нм

7) Напряжение смещения Uд– напряжение подаваемое на ФД.

Для pin ФД Uд=10-30 В, для ЛФД Uд=100-400 В.

1.4 Приемные оптические модули (ПрОМ)

1.4.1 Назначение приемных оптических модулей. ПрОМ содержит фотодиод, каскады электрических усилителей, устройства коррекции и обработки цифрового сигнала. Принцип построения ПрОМ зависит от применяемого метода детектирования.

Различают прямое фотодетектирование и детектирование с преобразованием. Выбор метода детектирования определяется принципом модуляции оптического сигнала.

1.4.2 Приемные модули с прямым детектированием (рисунок А.6). При прямом детектировании оптический сигнал подается непосредственно на фотодиод, в котором электрический сигнал формируется в виде изменяющегося фототока.

Рисунок А.6 - Обобщенная схема ПрОМ с прямым фотодетектированием

Так как фотодиоды чувствительны к потоку фотонов и не воспринимают фазу воздействующего оптического излучения, то метод применяется при модуляции интенсивности.

Назначение блоков:

ОУ – увеличивает мощность оптического сигнала

ФД – преобразует оптический сигнал в электрический

ПУс – малошумящий предварительный электрический усилитель, обеспечивающий максимальное отношение сигнал – шум

ГУс – главный усилитель, обеспечивает усиление сигнала до уровня необходимого для нормального функционирования последующих устройств. В качестве усилительных устройств применяются интегрирующие (ИУ) и трансимпедансные электрические усилители (ТИУ). Работой усилителя управляет АРУ

АРУ - обеспечивает регулировку динамического диапазона путем изменения коэффициента усиления ГУс или коэффициента лавинного умножения ЛФД

К – корректор обеспечивает коррекцию АЧХ линейного тракта, а также устраняет искажения, вносимые входной цепью ПрОМ.

РУ – решающее устройство путем сравнения входного сигнала с пороговым напряжением формирует сигнал логической единицы или нуля.

ВТЧ – выделитель тактовой частоты формирует тактовую стробирующую последовательность для регенерации сигнала и работы демультиплексирующих устройств.

1.4.3 Приемные модули с преобразованием. В методе детектирования с преобразованием для определения фазы в принимаемый сигнал замешивают когерентное и стабильное излучение от эталонного источника, которым является опорный оптический генератор (ООГ).

Схема приведена на рисунке А.7. В результате смешения когерентных оптических сигналов возникают биения, которые регистрируются фотодиодом и содержат информацию об интенсивности и фазе принимаемого сигнала.

Рисунок А.7 - Обобщенная структурная схема ПрОМ при

детектировании с преобразованием

Этот метод приема также называют когерентным, так как он применяется при построении когерентных ВОСП. Данные ВОСП разрабатываются как системы сверхдальней связи.

Если _с=_оог – это гомодинный прием, а _с_оог - гетеродинный прием.

Принимаемый оптический сигнал и сигнал от ООГ взаимодействуют в оптическом смесителе (ОС). Необходимым условием когерентного приема является синхронизация принимаемого сигнала и излучения гетеродина. То есть поляризация этих сигналов должна быть одинакова, а фазы согласованы. Поэтому повышаются требования к компонентам. Лазеры должны быть узкополосными, иметь минимальные флуктуации фазы и интенсивности излучения. Лазер-гетеродин должен быть синхронизован по фазе и частоте с принимаемым оптическим сигналом. Подстройка длинны волны _оог производится автоподстройкой частоты (АПЧ). При гомодинном приеме дополнительно требуется фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ). Для контроля поляризации сигнала, если не применяется волокно с сохранением поляризации (PANDA) на приеме устанавливается поляризационный контроллер (ПК).

В результате взаимодействия двух оптический сигналов на выходе ФД выделяется сигнал промежуточной частоты (ПЧ), из которого с помощью демодулятора (ДМ) выделяется электрический информационный сигнал.

1.4.4 Основные характеристики ПрОМ:

1. Рабочий диапазон длин волн, нм.

2. Номинальная скорость приема символов цифрового сигнала, кбит/с.

3. Уровень чувствительности, дБм. Определяется как минимальное значение уровня мощности оптического излучения на входе приемника, при котором обеспечивается коэффициент ошибок не более 110^-10 к концу срока службы аппаратуры ВОСП.

4. Уровень перегрузки, дБм. Определяется как максимальное значение уровня мощности оптического излучения на входе приемника, при котором обеспечивается коэффициент ошибок не более 110^-10 к концу срока службы аппаратуры ВОСП. При высоких уровнях оптических сигналов на входе ПрОМ с каскадами усилителей могут появляться хвосты фототока при отсутствии оптического сигнала. Нулевые сигналы детектируются с ошибкой.

Приложение Б

(справочное)

1 Виды модуляции света

Модуляция - это изменение одного из параметров света: интенсивности, частоты, фазы, поляризации, направления, частоты распределения мод и т.д. в зависимости от управляющего сигнала.

Управляющий (модулирующий) сигнал может быть электрическим (ток, напряжение), акустическим, механическим и даже оптическим.

Для модуляции оптической несущей информационным сигналом можно использовать следующие виды модуляции:

– по интенсивности (МИ);

– частотную (ЧМ);

– фазовую (ФМ);

– поляризационную (ПМ).

В подавляющем большинстве используется модуляция по интенсивности оптического излучения. При фиксированных пространственных координатах мгновенное значение электрического поля монохроматического оптического излучения можно записать в виде E(t) =E_m cos(ω₀·t + φ₀).

где E_m – амплитуда поля;

ω₀ и φ₀ . – соответственно частота и фаза оптической несущей.

Тогда мгновенное значение интенсивности

(Б.1)

а усредненное значение по периоду .

Последнее называется средней интенсивностью или мощностью.

При МИ именно величина P изменяется в соответствии с модулирующим сигналом F(t), то есть P(t) ~ F(t).

Широкое применение МИ объясняется тем, что для используемых в оптических передатчиках полупроводниковых источников излучения (СИД, ЛД), этот вид модуляции в широком диапазоне частот выполняется простыми техническими средствами. Для управления интенсивностью излучения полупроводникового источника достаточно изменять ток инжекции (ток накачки) в соответствии с модулирующим сигналом. Это легко обеспечивается электронной схемой возбуждения.

2 Методы модуляции оптической несущей

2.1 Способы модуляции

Фактическим переносчиком данных в оптическом волокне является оптическая несущая, излучаемая источником. Она и должна быть, в конечном счете, промодулирована. Сделать это можно четырьмя способами:

- непосредственной модуляцией оптической несущей линейной кодовой последовательностью (ЛКП);

- модуляцией несущей с использованием специального модулятора,

- сигнал которого и видоизменяется с помощью ЛКП;

- модуляцией с использованием промежуточной несущей, которая затем непосредственно модулирует оптическую несущую;

- модуляцией с использованием поднесущей и модулятора.

Таким образом, различают модуляцию без поднесущей, когда модулируют непосредственно параметры оптической несущей, и с поднесущей, когда сначала модулируют промежуточное СВЧ колебание, которое затем модулирует оптическую несущую.

Модуляция может быть внутренней и внешней.

2.2 Непосредственная модуляция оптической несущей

Эта модуляция может быть осуществлена, например, путём непосредственной модуляции тока накачки лазерного диода по типу «включено-выключено» в соответствии с ЛКП.

Такая внутренняя модуляция интенсивности излучения ЛД током накачки может производиться с высокой скоростью. Это достоинство определяется малым временем жизни электронов τ_п~ 10^-9 c в р-n переходе и соответственно возможностью быстрого «включения» инверсной населённости. Переходная характеристика многомодового лазера (рисунок Б.1) отражает процесс установления стационарного режима.

Рисунок Б.1 – Переходная

характеристика многомодового лазера

При возбуждении лазера скачком тока I наблюдается задержка начала генерации на время τ_з. Это время необходимо для возрастания плотности неравновесных носителей до порогового уровня. Оно определяется по формуле:

(Б.2)

Переходная характеристика для этого случая представлена на рисунке Б.1 штриховой линией.

Быстрое включение инверсной населённости приводит к появлению затухающих колебаний инверсной населённости, и как следствие, интенсивности излучения, около их стационарных значений. Частота этих релаксационных Существенным при наличии тока смещения является уменьшение амплитуды переходного процесса (штриховая линия).

Релаксационным колебаниям в переходной характеристике лазера соответствует резонанс вблизи f_pез на частотной характеристике (рисунок Б.2).

Рисунок Б.2 - Частотная

характеристика одномодового лазера

Расчёты показывают, что при использовании многомодовых лазеров достаточно просто реализуется импульсно-кодовая модуляция со скоростью Для спонтанных источников света, таких как СИД, применима в основном внутренняя модуляция интенсивности посредством управления током возбуждения. В СИД мощность излучения растёт линейно с увеличением тока инжекции I_н и ограничивается лишь термическими эффектами.

Метод внутренней модуляции оптической несущей имеет ряд существенных недостатков:

– нелинейная зависимость мощности излучения от тока из-за нелинейности ватт-амперной характеристики;

– оказывает влияние на спектр излучения лазера и амплитуды отдельных мод резонатора;

– не позволяет в полной мере использовать другие более прогрессивные методы кодирования, основанные на модуляции амплитуды и фазы, применяемые в специальных модуляторах;

– не удобен для систем с оптическим мультиплексированием с разделением по длинам волн (МДВ), где несколько источников модулирующих сигналов одновременно используются для передачи информации по одной несущей.

2.3 Модуляция с использованием промежуточной несущей

Вместо применения внутренней модуляции, можно осуществить процесс модуляции, используя промежуточную несущую, или поднесущую, на радиочастоте в диапазоне f_н=10МГц - 10ГГц. Этой модулированной поднесущей можно затем модулировать основную оптическую несущую. Главное отличие этой схемы модуляции от схемы прямой модуляции в том, что при этом могут быть использованы различные стандартные методы и устройства модуляции: амплитудные, частотные, фазовые и комбинированные, хорошо разработанные для диапазона радиочастот.

Схема использования промежуточной несущей показана на рисунке Б.3 (в качестве примера приведена амплитудная манипуляция тока возбуждения лазера).

Использование поднесущей необходимо и при многоканальной модуляции системах с оптическим мультиплексированием по длинам волн (МДВ). В этом случае отдельные входные потоки модулируют свои поднесущие, которые затем мультиплексируются в одну поднесущую, модулирующую оптическую несущую.

Рисунок Б.3 – Модуляция с использованием промежуточной несущей