PIN - фотодиоды и лавинные фотодиоды (APD). Оптические приемники

Приемные оптические модули осуществляет преобразование оптического сигнала в электрический.

Приемный оптический модуль содержит основные элементы: фотодетектор, приемное оптическое устройство, электронные схемы усиления и обработки электрического сигнала, схемы стабилизации.

Основным элементом Пр.ОМ является фотодиод, который играет роль фотодетектора.

Функция детектора сводится к преобразованию входного оптического сигнала в электрический, который затем подвергается усилению и обработке электронными схемами. Фотодетектор должен точно воспроизводить форму оптического сигнала, не внося дополнительного шума. Поэтому к фотодетекторам предъявляются следующие требования:

1)Они должны обладать необходимой широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью.

2) Иметь небольшие размеры и надежное соединение с волокном.

3) Быть нечувствительными к изменениям параметров внешней среды

4) Иметь большой срок службы и минимальную стоимость.

Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяют полупроводниковые фотодиоды. Принцип действия его основан на внутреннем фотоэффекте.

Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света.

Поглощаемый фотон рождает пару новых носителей заряда – электрон и дырку. Иначе это означает, что, поглощаясь атомом, фотон возбуждает электрон и переходит его из валентной зоны в зону проводимости. В результате поглощения кванта света во внешней цепи диода протекает импульс тока, величина которого зависит от интенсивности светового потока.

Структура pin-фотодиода

Между тонкими слоями сильно легированных полупроводников p⁺ и n⁺ типа (знак «+» означает сильное легирование) расположен слаболегированный проводник n-типа. При обратном напряжении смещения в слаболегированном слое образуется обедненная i-область. Электрическое поле сосредоточено, в основном, в этой области, т.к. ее сопротивление значительно больше, чем сопротивление p⁺ и n⁺ слоев.

В результате поглощения фотонов падающего излучения в pin-структуре образуются электронно-дырочные пары. В i-области под действием сильного электрического поля происходит быстрое разделение носителей зарядов, что обеспечивает высокую скорость процесса преобразования оптического излучения в электрический ток.

Рисунок 1. Структура pin-фотодиода

Основные характеристики фотодиодов:

1) Квантовая эффективность – η – это коэффициент, учитывающий, что, как правило, не все поглощаемые кванты света приводят к появлению импульсов тока. Это объясняется тем, что энергия поглощаемого кванта может быть недостаточна для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. η= 0,55, для λ=1,5 мкм.

2) Постоянная времени –τ – характеризует быстродействие фотодиода. С ее помощью определяют ширину пропускания фотодетектора. Она зависит от подвижности носителей заряда, ширины зоны p-n- перехода, длины волны.

3) Токовая чувствительность это полный КПД преобразования световой мощности в электрический ток.

S=I/P (A/Bт); S=η·q/(h·f),

где q-величина заряда носителя; (h·f)- энергия света.

4) Темновой ток – это ток, протекающий через нагрузку, при отсутствии оптического излучения. Этот ток вызывает дробовой шум и ограничивает чувствительность оптического приемника. Величина темнового тока зависит от материала полупроводника, температуры и конструкции ФД.

ПрОМ представляют собой устройство, состоящее из фотодетектора и предварительного усилителя. При увеличении дальности связи мощность падающего излучения уменьшается настолько,, что на выходе усилителя суммарный шум оказывается недопустимо большим, чем полезный сигнал.

Если в качестве фотодетектора использовать лавинный фотодиод ЛФД, то, изменяя подаваемое на него напряжение смещения, можно регулировать коэффициент лавинного умножения фотодиода. Это позволяет расширить динамический диапазон ПрОМ.

На магистральных линиях стремятся увеличить расстояние между ретрансляционными устройствами, что требует максимальной чувствительности приемника. Поэтому применяется ЛФД. Простота и надежность ФД позволяют использовать их во всех случаях, когла они удовлетворяют требованиям на чувствительность.

ФД и предварительный усилитель конструктивно объединяются в приемный оптический модуль ПрОМ. Излучение вводится через отрезок ОВ, к которому при помощи разъема присоединяется внешнее ОВ кабеля.

Вх. ОС

		Усилитель напряжения(УН)

ФД (PIN)

Фильтр (Ф)

Предусилитель (ПУ)

Вых ЭС

Рисунок 2. Упрощенная структурная схема приемника

На вход фотодиода поступает оптический сигнал ипреобразуется в электрический и ослабленный и подверженный искажениям сигнал поступает в предусилитель, где происходит усиление сигнала для дальнейшей его обработки. С выхода ПУ сигнал поступает в УН усиливается и поступает в ФНЧ. Коэффициент усиления усилителя управляется автоматически, с помощью схемы АРУ. ФНЧ формирует импульс напряжения. Фильтр используется с целью уменьшения шума без внесения межсимвольных искажений, а также определяет ширину полосы пропускания приемника. Схема принятие решений (работает как РУ) с блоком востановление синхросигнала (как УТС) определяет, является ли принятый сигнал двоичной 1 или 0.

8,448 Мбит/с 34,368 Мбит/с 34,368 Мбит/с 8,448 Мбит/с

КОЛТ-О

КОЛТ-О

41,1

Мбит/с 20…25 км

СОЛТ-О 200 км СОЛТ-О

СТМСС 600 км СТМСС

Соңғы пункт 2,048 Мбит/с 2,048 Мбит/с Соңғы пункт

(беру) (қабылдау)

Рисунок 1. Структурная схема "Сопка-2", "Сопка-3".

Контрольные вопросы:

1. Какие источники света Вы знаете?

2. Чем отличается излучение лазера от излучение СИД?

3. Поясните назначение лазерного диода.

4. Поясните назначение СИД.

5. Назначение фотодетектора.

6. Перечислите основные требования к фотодетекторам.

7. Какие основные характеристики фотодиода Вы знаете?

8. Фотоэффектом называют …..

9. Поясните структуру pin-фотодиода.

10. Начертите упрощенную структурную схему оптического приемника.

11. Какой параметр характеризует быстродействие фотодиода.

Тестовые вопросы:

1. Что является источником света?

А) ЛД и СИД; В) СИД; С) ЛД; Д) ФД и СИД.

2. Для линий связи большой длины используются …

А) ЛД и СИД; В) СИД; С) ЛД; Д) ФД и СИД.

3. Назначение Пр.ОМ

А) осуществляет преобразование оптического сигнала в электрический;

В) осуществляет преобразование электрического сигнала в оптический;

С) восстанавливает сигнала;

Д) преобразует сигнала.

4. Основным элементом Пр.ОМ является:

А) ЛД и СИД; В) СИД; С) ЛД; Д) ФД.

5. Фотоэффектом называют....

А) вырывание электронов из вещества под действием света;

В) вырывание электронов из вещества под действием электрического поля;

С) вырывание электронов из вещества под действием генератора;

Д) вырывание электронов из вещества под действием кодера.

СРС: Источники света Л1 стр 108-109, стр. 115-117 (конспект)

СРСП: Изучение сравнительной характеристики настраиваемых лазеров Л1 стр 117

Глоссарий

Қазақша	Орысша	Ағылшынша
Сыртқы резонаторлы лазер	Лазер с внешним резонатором	External Cavity Laser (ECL)
Шағылыстырғыш	Отражатель	Reflection generator
Сыну көрсеткіші	Показатель преломления	Refractive index
Бірмодты талшық	Одномодовое волокно	Singlemode fiber (SM)
Толық ішкі шағлысу	Полное внутреннее отражение	Total Internal Reflection
Детектор	Детектор	Detector
Шағлу коэффициенті	Коэффициент отражения	Reflectance
Номинальды толқын ұзындығы	Номинальная длина волны	Nominal wavelength
Оптикалық талшықты күшейткіш	Оптический волоконный усилитель	Optical Fiber Amplifier (OFA
Жартылайөткізгішті p-i-n фотодиоды	Полупроводниковый p-i-n фотодиод	p-i-n photodiode
Фотон	Фотон	Photon
Хроматикалы дисперсия	Хроматическая дисперсия	Chromatic dispersion

Используемая литература

Дата добавления: 2015-10-23