Приемники оптического излучения

Фотоприемное устройство волоконно-оптической системы передачи предназначено для преобразования оптических сигналов в электрические. Оно должно обладать высокой чувствительностью в рабочем диапазоне волн, малой инверсностью, низким уровнем шума и др. Чувствительность фотоприемного устройства должна быть достаточной для обеспечения требуемой длины регенерационного участка оптической системы передачи. Кроме этого, фотоприемное устройство должно поддерживать отношение сигнал-шум на выходе не менее заданного значения в пределах допустимых изменений температуры и в требуемом динамическом диапазоне принимаемых сигналов.

Таким требованиям удовлетворяют полупроводниковые фотодиоды.

В волоконно-оптических системах передачи нашли применение фотоприемные устройства на основе так называемых p-i-n фотодиодов и лавинных фотодиодов, в которых используется внутренний фотоэффект.

Работа фотодиодов основана на использовании р-п перехода между полупроводникамир и «-типа, способного поглощать детектируемое излучение. При попадании светового излучения на р-п переход большая часть поглощенной энергии идет на образование пар электрон-дырка.

Эти носители, образованные в обедненном слое между полупро­водниками с р и «-проводимостью, немедленно переносятся через р-п переход электрическим полем. Скорость их перемещения в обедненном слое определяет фототок фотодиода. Поскольку обедненный слой существует в полупроводниковом материале на небольшой глубине, то фототок определяет сравнительно небольшое количество пар электрон-дырка. Спектральная чувствительность такого приемника к оптическому излучению оказывается низкой.

Повышение чувствительности может быть достигнуто различными методами.

Так, для увеличения глубины обедненного слоя между р и n полупроводниками помещается слой нелегированного полупроводника, область собственной проводимости), что приводит к увеличению образующихся при оптическом излучении пар электрон- дырка и фототоку. Такой фотодиод называется p-i-n фотодиодом и обладает более высокой чувствительностью.

Чувствительность фотодиодов повышается, если использовать эффект умножения, возникающий в диодах с очень высоким напряжением смещения, близким к напряжению пробоя. При этом в запирающем слое фотодиодов образуются настолько высокие напряжения поля, что электрические носители заряда, получаемые при падении света, сами вырабатывают новые пары носителей заряда в результате ударной ионизации. Таким образом, каждый фотон высвобождает множество электрических пар носителей заряда. На этом эффекте основаны лавинные фотодиоды. Чувствительность лавинного фотодиода растет с увеличением коэффициента умножения, но в такой же пропорции уменьшается его быстродействие. Так как коэффициент умножения в значительной степени зависит от напряжения смещения, его необходимо стабилизировать. Поэтому на коротких линиях связи и при малых скоростях передачи предпочтение отдается p-i-n фотодиодам. Для изготовления фотодиодов используются кремний, германий и различные компонентные соединения типа InP, InGaAs, InGaAsP, обладающие различными значениями коэффициента поглощения оп тического излучения. Кремниевые фотодиоды используются в диапазоне длин волн до 1,0 мкм. Германиевые фотодиоды и фотодиоды на основе сплавов InGaAs, InGaAsP, используются в диапазоне длин волн 1,3...1,6 мкм.

В ВОСП под чувствительностью приемника обычно понимается минимальная мощность входного оптического сигнала, при которой обеспечивается коэффициент ошибки равный Г1010. Эта мощность зависит только от двух параметров — квантовой эффективности и уровня шумов, которые в свою очередь зависят от типа фотодиода и усилителя, являющихся основными элементами приемника. Поскольку в современных фотодиодах квантовая эффективность близка к теоретическому пределу, то именно уровень шумов определяет чувствительность приемника до 40 дБм..

При использовании лавинного фотодиода с коэффициентом усиле­ния М за счет процесса лавинного умножения коэффициент шума , где = 0,2... 1,0. Существуют значения коэффициента умножения М, при которых обеспечивается оптимальный прием оптического сигнала — дробовой шум фотодиода в этом случае превышает теп­ловой шум усилителя. Значение оптимального коэффициента умноже­ния в различных лавинных фотодиодах колеблется от 15 до 70, при этом их коэффициент шума находится в диапазоне 3...15 дБ.

В таких приемниках ограничивающим фактором является дробовой шум лавинного фотодиода, энергетическая плотность которого на 3 порядка меньше энергетической плотности теплового шума усилителя. Этим достигается улучшение чувствительности приемников на основе лавинных фотодиодов: до 50 дБм.

Характер связи между фотодиодом и усилителем влияет на искажения сигнала в приемнике, на чувствительность, динамический диапазон, и, как следствие, на тип кода линейного сигнала цифровых ВОСП. По этому признаку оптические приемники разделяются на приемники со связью по постоянному и со связью по переменному току.

Приемники со связью по постоянному току реагируют на сигналы в любом коде ВОСП от постоянного тока до сигналов с некоторой частотой, определяемой верхней частотой его полосы пропускания. Отсутствие переходных конденсаторов между фотодиодом и усилителем повышает быстродействие приемника. Недостатком приемников этого типа являются искажения длительности импульсов из-за применения компараторов, что ограничивает скорость передачи и динамический диапазон принимаемого сигнала в цифровых ВОСП.

В приемнике со связью по переменному току в цепи между фотодиодом и усилителем устанавливается конденсатор, который с нагрузочным сопротивлением образуют RС-цепь. Такая цепь является переходной и позволяет отделить постоянную составляющую при усилении или преобразовании сигналов, если постоянная времени Т = RC больше или равна длительности импульсных сигналов (t) ВОСП.

В таких приемниках из-за низкочастотного среза спектра сигнала ВОСП возникают длинные хвосты импульсов вне рабочего такта и наползание их на соседние импульсы (межсимвольная помеха), что приводит к искажению импульсов и необходимости снижения скорости передачи.

Таким образом, приемник со связью по переменному току при Т налагает определенные требования к коду линейного сигнала и режиму передачи данных. Более гибким является приемник, у которого Т приемник со связью по фронтам сигнала. Цепью связи в таком приемнике пропускаются только фронты импульсов, происходит операция дифференцирования. Дифференцирование влияет на отношение сигнал/шум, ухудшая его.

Приемник со связью по фронтам сигнала не накладывает каких- либо ограничений на формат передаваемых данных, длину последовательностей «1» или «О», не требует заполнения пауз, но платой за эти преимущества является снижение чувствительности приема на 8,2 ДБ.

Чувствительность приемника любого типа зависит также от схемы усилителя и применяемой в нем элементной базы.

Шум на выходе приемника будет минимальным, если входное сопротивление предварительных каскадов усилителя будет выбрано большим. При этом происходит ограничение динамического диапазона.

В приемниках ВОСП используются две схемы усилителей: высокоимпедансная и трансимпедансная. Самым низким уровнем шумов обладают приемники с высоким входным импедансом, обеспечиваемым усилителем на полевых транзисторах. Однако в таких усилителях трудно избежать перенасыщения при больших уровнях сигнала. Этого недостатка лишены трансимпедансные усилители — усилители с большим коэффициентом усиления и высоким входным импедансом, охваченным обратной связью, что обеспечивает низкий уровень шумов при широком динамическом диапазоне.