Методы приема оптических сигналов

Характеризуясь большим разнообразием схемных решений, оптические приемники в то же время имеют существенные ограничения в использовании методов преобразования оптических сигналов в сигналы электрические. Разнообразие схемных решений оптических приемников относится ко всему фотоприемному устройству, в то время, как все методы преобразования потока излучения можно разделить на три класса: метод прямого фотодетектирования, метод фотосмешения и метод приема в режиме счета фотонов.

Метод прямого фотодетектирования, иногда еще называют энергетическим приемом, заключается в преобразовании потока излучения в электрический сигнал, при котором фотодетектор реагирует на энергетические параметры потока излучения (мощность, энергию), то есть реакцией фотодетектора является строгое соответствие между числом приходящих фотонов и числом созданных фотодетектором электронов.

Если фотодетектором служит идеальный преобразующий элемент (то есть фотодетектор, который реагирует на каждый световой фотон в пределах заданного спектрального диапазона и не реагирует на изменения потока за пределами этого спектрального диапазона, не вносящий дополнительных шумов в поток свободных носителей заряда или фотоэлектронов), то тогда каждый приходящий на чувствительную поверхность фотодетектора фотон будет порождать электрон в цепи его нагрузки.

Отношение числа созданных электронов к числу порождающих их фотонов называют квантовой эффективностью фотодетектора e. Следовательно, квантовая эффективность идеального фотодетектора равна e=1,0. Для реальных приборов квантовая эффективность всегда меньше e<1,0, поэтому ток на выходе фотодетектора под действием потока фотонов будет равен I=eNq, где N-число приходящих фотонов, q-заряд электрона.

На оптический вход фотодетектора полезный сигнал всегда поступает совместно шумами. В силу нелинейности вольт-амперной характеристики фотодетектора ее можно аппроксимировать функцией вида e_вых=ae²_вх+be⁴_вх+сe⁶_вх+…, так как при малых входных сигналах составляющие порядка выше второго малы, то связь между входными и выходными сигналами фотодетектора можно аппроксимировать квадратичной функцией e_вых=ae²_вх. Следовательно, реакцией фотодетектора на входной сигнал (s_вх+ n_вх), будет (s_вых+ n_вых)=a(s_вх + n_вх)²=a(s²_вх+2s_вх n_вх +n²_вх). Первая составляющая в скобках отражает биения между компонентами сигнала и является регулярным сигналом, вторая составляющая возникает в результате взаимодействия сигнала и шумов и, в силу случайного характера последних, является также случайной величиной, третья составляющая отражает результат биений между шумами и также является случайной величиной. Учитывая смысл рассмотренных составляющих, отношение сигнала к помехе на выходе фотодетектора можно представить в виде (s/n)_вых=s²_вх/(2s_вх n_вх +n²_вх).

Фотосмешение. Часто этот метод называют фотогетеродинированием, либо фотогетеродинным приемом. Метод позволяет переходить из одного спектрального диапазона в другой и используется в системах с когерентным, монохроматическим излучением. Суть метода заключается в выделении информационного сигнала из сигнала являющегося результатом биений опорного сигнала (гетеродина) и сигнала несущего информацию.

Сигнал , несущий информацию, на входе фотоприемного устройства смешивается с опорным сигналом гетеродина . Элементом, обеспечивающим смешение двух полей, является оптическое суммирующее устройство в виде полу прозрачной пластины, грани пентапризмы и т.п.

Рис.1. Схема гетеродинного приема оптических сигналов

В результате, интерферируя на суммирующем устройстве, поля сигнала и гетеродина образуют результирующее поле V(t) в параметрах которого содержится информация переносимая входным сигналом , где (w_c-w_г)=w. Действующее на фотодетектор результирующее поле создает на его выходе ток i, в составе которого находится информационная составляющая, выделяемая при настройке электронного тракта на частоту w =(w_c-w_г), и тогда . Обычно E_г >>E_c. Если принять, что E_с=0, то ток фотодетектора будет определяться только мощностью поля гетеродина , где n_г – частота гетеродина, e - квантовая эффективность фотодетектора, q - заряд электрона. Таким образом, так как P_г >>P_c , то основные ограничения на чувствительность фотоприемного устройства будет в основном определяться дробовым ток вызванным током гетеродина.

При равенстве частот полей сигнала и гетеродина w_c=w_г процесс преобразования носит название гомодинного приема.