14.2 Приемные оптические модули.

Основным элементом приемных оптических модулей (ПрОМ) является фотодиод, который играет роль фотодетектора. Функция детектора ВОСП сводится к преоб­разованию входного оптического сигнала в электрический, кото­рый затем подвергается усилению и обработке электронными схемами фотоприемника. Фотодетектор должен точно воспроизводить форму оптического сигнала, не внося дополнительно шума, т. е. обладать требуемыми широкополосностью, динамическим диапа­зоном и чувствительностью, иметь небольшие, но достаточные размеры для надежного соединения с волокном, быть нечувстви­тельным к изменениям параметров внешней среды, иметь боль­шой срок службы и минимальную стоимость. Наиболее полно ука­занным требованиям удовлетворяют полупроводниковые фото­диоды.

Принцип действия полупроводникового фотодиода основан на внутреннем фотоэффекте. Поглощаемый фотон рождает пару но­вых носителей заряда — электрон и дырку. Иначе это означает, что, поглощаясь атомом, фотон возбуждает электрон и переводит его из валентной зоны в зону проводимости или же с примесного уровня в зону проводимости. Такие переходы изменяют электрические ха­рактеристики полупроводника, создавая условия формирования электрических сигналов. Высокое быстродействие и эффективное поглощение падающего излучения, как правило, связаны с эф­фектом примесного поглощения. По этой причине фотодетекторы для ВОСП в настоящее время выполняются на основе материалов с примесным поглощением. В результате поглощения кванта света с энергией . во внешней цепи диода протекает импульс то­ка. Если каждый поглощенный квант рождает электронно-дыроч­ную пару и носители тока пересекают плоскость р—п перехода, то число носителей N, определяемое отношением мощности опти­ческого излучения Р к энергии кванта , умноженное на вели­чину заряда носителя q, определит средний ток, протекающий че­рез нагрузку :

Как правило, не все поглощаемые кванты света приводят к появлению импульсов тока. Этот факт необходимо учитывать ко­эффициентом характеризующим эффективность преобразова­ния фотонов в электрический ток. Этот коэффициент называется квантовой эффективностью (выходом) фотодетектора.

Таким образом, в общем случае средний ток, протекающий через нагрузку, определяется соотношением

(8.1)

Фотодиоды, выполненные из германия, работают при длине волны до 1,8 мкм, из кремния — до 1,2 мкм, из арсенида галлия — до 0,87 мкм.

Основными характеристиками фотодиодов наряду с квантовой эффективностью являются постоянная времени и чувствитель­ность.

Постоянная времени фотоприемника характеризует его быстродействие и зависит от многих параметров: подвижности но­сителей заряда, ширины обедненной зоны, длины волны света, а также от того, движутся ли носители заряда под действием элек­трического поля или вследствие диффузии. Зная постоянную вре­мени фотоприемника т, можно определить ширину пропускания фотодетектора: Таким образом, чем меньше т, тем больше полоса пропускания.

Постоянная времени фотодиода зависит от времени диффузии и времени перехода обедненной зоны. Поэтому важными парамет­рами являются толщина р-слоев и р—n-перехода. Общая тенден­ция заключается в уменьшении толщины п- и р-областей и увели­чении обедненной области. При этом возрастает также квантовал эффективность.

Чувствительность фотоприемника-это полный КПД преобразо- вания световой мощности в электрический ток (отноше­ние среднего значения фототока к среднему значению оптической мощности): А/Вт. С учетом (8.1) . Отсюда следует, что чувствительность фотоприемника тем выше, чем больше квантовый выход т), т. е. чем больше доля светового потока, по­глощаемая в активной зоне.

Наибольшее распространение в волоконно-оптических систе­мах получили фотодетекторы на основе -фотодиодов (PIN) и лавинные (ЛФД).

На выходе ФД в зависимости от мощности оптического сиг­нала протекает фототок, определяемый выражением (8.1).

В лавинных фотодиодах происходит усиление тока в М раз, его флуктуации также умножаются как минимум в той же мере. В этом случае среднее значение квадрата флуктуации

+

Здесь обозначает усиление переменного тока, определяемое для лавинных фотодиодов выра­жением Коэффициент F учитывает увеличе­ние дробовых шумов из-за нерегулярного характера умножения носителей заряда.

Усиление тока не остается постоянным во времени, а флуктуи­рует в зависимости от вида процесса умножения. При лавинном умножении в фотодиодах флуктуации усиления тока тем значи­тельнее, чем больше усиление. В соответствии с этим дополнительные шумы также возрастают с усилением тока. Для лавин­ных фотодиодов функция F(M) хорошо аппроксимируется сте­пенным законом

Показатель экспоненты находится в диа­пазоне х: = 0,4... 1. Для германиевых диодов х=1, в то время как для кремниевых диодов х = 0,5, если в лавинную зону инжекти­руют преимущественно электроны. При инжекции дырок в лавин­ную зону кремниевых диодов показатель экспоненты увеличива­ется до х=1. Таким образом, в оптических приемниках использование фотодиодов приводит к тому, что значение шума зависит от сигнала.

Приемный оптический модуль ПрОМ представляет собой со­бранное в общем корпусе устройство, состоящее из фотодетекто­ра ( -фотодиода или лавинного фотодиода) и малошумя­щего предварительного усилителя. На рис. 8.22 приведены прин­ципиальные схемы ПрОМ двух типов — с подключением фотоде­тектора к усилителю (схема «прямой линии») и с трансимпедансным усили- телем, в котором осуществляется обратная связь через сопротивление

При использовании ЛФД в качестве фотодетектора можно из­менять подаваемое на него напряжение обратного смещения и таким образом регулировать коэффициент лавинного умножения фотодиода. Это позволяет существенно расширять динамический диапазон модуля, но требует наличия в модуле блока автомати­ческой регулировки усиления. В блоке АРУ получаемое напря­жение должно сравниваться с напряжением опорного сигнала, определяющего амплитуду выходного сигнала модуля. Напряже­ние рассогласования должно поступать на схему, управляющую одновременно коэффициентами усиления ЛФД и усилителя.

В случае применения - диода в качестве фотодетектора электронная схема предварительного усиления упрощается. Она сводится к двойному амплитудному детектору, схеме сравнения и фильтру. Однако тогда динамический диапазон модуля полу­чается значительно меньшим, чем при использовании лавинного фотодиода с блоком АРУ.

В зависимости от того, в какой форме — аналоговой или циф­ровой— передаются данные по ОВ, требуется различная мощность оптических сигналов, принимаемых фотодетектором (рис. 8.23).