Материал: Элементы оптических систем связи

Для изучения шумовых характеристик приемника используются также еще два шумовых тока: дробовой ток I_др - для р-i-n-фотодиода I_др = (2eI_тВ)^0,5, где е - заряд электрона, I_т - темновой ток, В - полоса пропускания (частота модуляции); и тепловой Джонсоновский ток I_t - I_t = (4kТВ/R)^0,5, где k - постоянная Больцмана (1,38×10^-23 Дж×К^-1), Т - абсолютная температура (К), В - полоса пропускания, R - сопротивление (Ом) [7]. Полный шумовой ток I_Σ определяется, как среднее квадратичное дробового и теплового токов I_Σ = (I²_др + I²_t)^0,5.

Время нарастания t_p (спада t_c) - это самая важная динамическая характеристика фотоприемника. Она определяется как время, необходимое выходному сигналу, чтобы возрасти от уровня 0,1 до 0,9 (упасть от 0,9 до 0,1) от установившегося максимального значения при условии, что на вход подаются строго прямоугольные импульсы света большой длительности. Эти времена зависят от геометрии фотодиода, материала, напряженности электрического поля в слаболегированной области, температуры. Максимальная из двух величин (обычно t_p) берется в качестве характеристики времени отклика фотоприемника. С увеличением частоты модуляции входных оптических импульсов максимальное значение фототока уменьшается. Предельная частота определяется как частота модуляции, при которой токовая чувствительность составляет 0,707 от значения токовой чувствительности при низких частотах модуляции.

Если внутренние задержки прямо не влияют на полосу пропускания или скорость передачи, то времена нарастания и спада главным образом определяют полосу пропускания. Различные фотоприемники могут очень сильно отличаться по быстродействию (табл. 1) Наиболее быстрыми являются р-i-n-фотодиоды. У лавинных фотодиодов увеличение коэффициента умножения сопровождается уменьшением быстродействия по сравнению с р-i-n-фотодиодами. Наиболее медленными являются фототранзисторы.

Эквивалентная мощность шума Р_ш(Вт) - это одна из наиболее важных характеристик, учитывающих шумовые свойства фотоприемников. Она определяет минимальную мощность оптического сигнала на входе фотоприемника, при которой отношение с/ш равно единице, и вычисляются по формуле

Р_ш = I_Σ/S_il,

где I_Σ - полный шумовой ток.

По определению, эквивалентная мощность шума пропорциональна квадратному корню из полосы пропускания. Р_Σ можно пронормировать, поделив на B^0,5 . Такая нормированная эквивалентная мощность шума имеет размерность Вт×Гц^-0,5 и не зависит от полосы пропускания. Например, если фотодиод имеет темновой ток 2 нА, дробовое сопротивление R = 5×10⁸ Ом, токовую чувствительность S_ph = 0,5 А/Вт, и полную полосу пропускания В =1 Гц, то дробовой ток I_др = 2,5×10^-14 А, тепловой ток I_t = 5,6×10^-15 А, полный шумовой ток I_Σ = 2,6×10^-14 А и эквивалентная мощность шума Р_Σ = 5,1×10^-14 Вт.

В фотоприемниках, применяющихся в ВОСС, имеет место доминирование дробового тока над тепловым, это связано с тем, что на фотоприемник подается обратное напряжение смещения, приводящее к темновому току, который, в свою очередь, влияет на дробовой ток. Только при нулевом напряжении смещения темновой и, следовательно, дробовой токи отсутствуют.

Главная функция фотоприемника - это как можно более точное воспроизведение оптического сигнала, получаемого из свободного пространства в ЛАСС или оптоволокна в ВОСС. Две фундаментальные характеристики влияют на то, как хорошо фотоприемник справляется с этой задачей: амплитуда входного сигнала и уровень шумов.

Соотношение с/ш и чувствительность аналоговых систем. Для аналоговых систем отношение с/ш измеряется количественно. На практике приемлемое соотношение с/ш зависит от приложения - для одних хорошим соотношением может быть величина 50-60 дБ, для других 30 дБ. Зная Р_Σ и требования к отношению с/ш, можно определить минимальный входной сигнал Р_{Σ min} - чувствительность аналогового фотоприемника или ПРОМ, при котором вносимые искажения и шумы будут в пределах нормы. Этот параметр указывается производителями для фотоприемников при поставке сетевого оборудования с вполне определенной областью приложения. Если входной сигнал ниже чувствительности приемника, то соотношение с/ш может быть не достаточно большим, чтобы корректно выполнялось данное приложение. Принятой единицей измерения чувствительности фотоприемников, также как мощности излучения у светоизлучающих диодов, является дБм.

Частота появления ошибок и чувствительность цифровых систем. В цифровых системах, когда информация передается битами, мерой качества принятого сигнала является вероятность некорректной передачи 0 или 1, которая называется частотой появления ошибок (BER).

Она определяется как отношение неправильно принятых битов к полному числу принятых битов. Частота появления ошибок очень резко зависит от мощности входного сигнала, рис. 45. В определенном диапазоне уменьшение на 5 дБ амплитуды входного сигнала приводит к увеличению BER с 10^-12 до 10^- Удовлетворительное значение BER, также как и соотношение с/ш, может быть разным для разных приложений. В цифровых системах, применяемых для нужд телекоммуникаций, DBR должна быть не больше 10^-9. В вычислительных сетях требования к BER более высокие 10^-12. BER зависит от скорости передачи - чем меньше скорость передачи, тем меньше BER.

Рис. 45

Чувствительностью цифровых фотоприемников и ПРОМ называется минимальная мощность входного сигнала, при которой BER не выходит за рамки максимального допустимого значения, установленного для данного приложения. Для нормальной работы приложения мощность входного оптического сигнала должна быть не меньше чувствительности фотоприемника или ПРОМ. Чувствительность цифровых приемников также принято измерять в дБМ.

Насыщение фотоприемников и ПРОМ. В аналоговых фотоприемниках и ПРОМ каскад электронных усилителей имеет участок линейного усиления, что означает линейную зависимость амплитуды выходного электрического сигнала от входной оптической мощности. Это справедливо до тех пор, пока входной сигнал не превышает определенного значения, которое называется насыщением фотоприемника или ПРОМ. В цифровых системах работа каскада усилителей в нелинейной области не столь опасна, однако при больших входных оптических сигналах могут проявляться "хвосты" фототока, остающиеся даже тогда, когда на фотоприемник уже не подается сигнал. В такой ситуации нулевой сигнал на входе, следующий непосредственно за единицей, может неправильно интерпретироваться, что приводит к росту частоты появления ошибок. Насыщением цифрового фотоприемника или ПРОМ называется максимальная входная мощность, выше которого BER начинает превосходить максимально допустимую величину для данного приложения.

Диапазон значений мощности от чувствительности до-насыщения ПРОМ называется динамическим диапазоном ПPOM.

Максимально допустимое обратное напряжение U_об - это напряжение, превышение которого может привести к пробою фотоприемника и его разрушению. Наряду с этим значением или вместо него изготовители фотоприемников могут указывать просто обратное рабочее напряжение. Если выбрать меньшее значение рабочего напряжения, то будет ограничена область линейной характеристики фотоприемника.

Рабочий диапазон температур (^оС). Есть две характеристики, на которые сильно влияет изменение рабочей температуры фотоприемника.

Во-первых, это квантовая эффективность, которая может вести себя в общем случае довольно сложным образом с изменением температуры. Напримеp, нa рис. 46, а показана зависимость квантовой эффективности фотодиода на основе кремния. По горизонтальной оси отложена длина волны падающих фотонов, по вертикальной относительное процентное изменение квантовой эффективности при увеличении температуры нa 1 градус. Из рисунка видно, что если длина волны меньше 600 нм, то с ростом температуры квантовая эффективность падает, а при l > 600 нм квантовая эффективность увеличивается с ростом температуры.

Во-вторых, рост температуры приводит к экспоненциальному росту термических возбужденных электронно-дырочных пар, в результате чего также экспоненциально возрастает темновой ток, рис. 46, б. Утечка тока удваивается при повышении температуры на 8-10^оС.

Наработка на отказ (тыс. часов). При правильной эксплуатации ресурс фотоприемников значительно выше, чем у светоизлучающих диодов.

а                                             б

Рис. 46

9. Электронные элементы ПРОМ

Выходящий электрический сигнал от фотоприемного элемента усиливается каскадом электронных усилителей и, возможно, испытывает определенную обработку. Основные функции, которые выполняет ПРОМ на этом этапе: электронное предусиление и усиление, выравнивание, фильтрация, дискриминация, синхронизация и работа таймера.

Электронное предусиление и усиление. Типовое значение оптического сигнала на входе фотоприемного элемента составляет 1-10 мкВт, а иногда и меньше. Если такой сигнал обрабатывается р-i-n-фотодиодом с токовой чувствительность от 0,6 до 0,8 А/Вт, то выходной ток составит несколько микроампер, и необходимо последующее его усиление. Допускается одна или несколько стадий усиления. Обычно усилитель на первой стадии называется предусилителем. Его особенностью является низкий уровень вносимых шумов. Далее следует усилитель мощности.

Выравнивание. Прием и усиление сигнала может несколько изменять обрабатываемый сигнал. Например, каскад электронных усилителей, принимающий широкополосный аналоговый сигнал, может иметь разный коэффициент усиления для высоких и низких частот. Чтобы восстановить правильное соотношение амплитуд в низкой и высокой областях спектра, необходимо добавить цепь выравнивания сигнала.

Фильтрация позволяет увеличить соотношение с/ш посредством избирательного (в определенных диапазонах частот) подавления шума. Часто, таким образом, можно подавить высокочастотные гармоники шума, заведомо зная, что полезный сигнал не распространяется в этой области спектра.

Для того, чтобы строго сохранялась длительность импульсов на выходе дискриминатора, необходимо, чтобы дискриминатор получал информацию о частоте, с которой должны следовать импульсы.

Рабата таймера. Основная функция таймера - это подавление ресинхронизации сигнала. Традиционный цифровой сигнал генерируется на характерной частоте, например, раз в микросекунду. По мере передачи и ретрансляции сигнала случайные временные ошибки могут накапливаться и достичь уровня, сравнимого с длительность самого импульса. В результате приемник ошибочно может интерпретировать принятый бит или "потерять" бит. Такие случайные временные ошибки получили название джитер (jitter, дрожание). Их появление характерно при синхронном режиме передачи. Уменьшить джитер можно, повысив требования к стандарту частоты генератора импульсов. Однако если приемник имеет свой собственный таймер, то при длительном приеме будут проскакивать ошибки вследствие наличия джитера.

Дальнейшее уменьшение ошибок из-за джитера достигается в более продвинутой технологии магистральных оптических сетей, основанных на так называемой синхронной цифровой иерархии SDH. В SDH при синхронной передаче в битовом потоке наряду с полезной информацией присутствуют специальные синхроимпульсы, по которым настраивается (плавно перестраивается под частоту передатчика) таймер приемника. В сложной сети SDH существует один независимый ведущий таймер (master clock), на который равняются другие устройства сети.

Достаточно полное использование возможностей, заложенных в чувствительном элементе фотоприемника, достигается только при правильном согласовании его параметров с усилительным трактом. Поэтому вопросы схемотехники и микроэлектроники приобрели исключительное значение в технике приема излучения, в особенности с развитием многоэлементных структур. Низкий уровень собственного шума чувствительных элементов фотоприемника предъявляет сложные требования к предусилителям в микросхемном исполнении и коммутирующим устройствам.

Наиболее привлекательным представляется создание интегральных схем, включающих в себя как чувствительные элементы, так и предусилитель. Такой подход в настоящее время возможен только для приборов на основе кремния, что ограничивает область чувствительности длиной волны 1,1 мкм. Переход к более длинным волнам пока требует «гибридного» метода, при котором чувствительные элементы и предусилители изготавливаются независимо и затем стыкуются в единой конструкции. Для приборов этого типа установилось название «фотоприемное устройство» (ФПУ). Вопросы микросхемотехники фотоприемников входят в область микрофотоэлектроники.