Приемный оптический модуль

Оптический приемный модуль представляет собой собранное в общем корпусе устройство, состоящее из фотодетектора (p - i - n – фотодиода или лавинного фотодиода) и малошумящего предварительного усилителя. В качестве усилителей используют различные схемы: усилитель с высоким входным сопротивлением (с коррекцией в области высоких частот) – усилитель “прямой линии”, усилитель с низким входным сопротивлением (без коррекции) и усилитель с обратной связью по напряжению – трансимпедансный усилитель, шумы которого значительно меньше, чем в усилителе без обратной связи. Кроме того, нет необходимости осуществлять частотную коррекцию трансимпедансного усилителя. Однако, у него есть недостаток – склонность к самовозбуждению на высоких частотах.

В основном используются две схемы, приведенные на рис.6.27: усилитель «прямой линии» или интегрирующий (схема а) и трансимпедансный усилитель (схема б).

Рис.6.27. Усилители приемного модуля; а) усилитель «прямой линии», б) трансимпедансный усилитель

Рассмотрим ток, возникающий в фотодиоде при попадании на него светового потока.

Как известно, с укорочением длины волны электромагнитного излучения оно начинает проявлять корпускулярные свойства, т.е. свойства частиц – фотонов. Кроме того, к излучению можно применить понятие температуры, которая находится из условия:

,

где – постоянная Планка, имеющая размерность действия, – постоянная Больцмана.

Для нормальной температуры Т =293˚К, получаем частоту f=6,1·10 ¹² Гц и соответствующую длину волны λ= 49,2 мкм.

Число фотонов, излучаемых источником в секунду, можно определить по формуле

где – излучаемая (передаваемая) оптическая мощность.

Полагая Р_пер=10 мВт, λ=10 мкм, получим n=5,03·10¹⁷ фотонов.

Принимаемая мощность P_пр будет равна

,

где S_пр - площадь фотоприемника, R- расстояние от излучающей площадки до фотодиода, а фототок I_ф с учетом запаздывания на время описывается выражением

,

где А – чувствительность фотоприёмника, I_Т – темновой ток фотоприёмника, L – расстояние, которое проходят электроны внутри фотодиода.

В зависимости от того, в аналоговой или цифровой форме передаются данные по линии связи, требуется различная мощность оптических сигналов, принимаемых фотодетектором. Мгновенное значение фототока i(t)фотодетектора определяется с помощью соотношения

, (6.1)

где p(t ) мгновенное значение мощности пучка света, падающего на фотодетектор.

Для p-i-n и лавинного фотодиода

,(6.2)

где е - заряд электрона, h - постоянная Планка, n- частота оптического излучения, G - коэффициент усиления фотодиода

( G =1 для p-i- n - диода), h - отношение числа электронов к числу фотонов (квантовый выход).

При приеме сигнала в аналоговой форме с модуляцией интенсивности света, падающего на фотодетектор,

, (6.3)

где P_r- мощность, принимаемая оптическим модулем, m - глубина модуляции в %, w_m - частота модуляции.

Подставляя p(t ) в выражение для фототока, получим:

, (6.4) где первое слагаемое –переменная составляющая тока сигнала, а второе – темновой ток, медленно меняющийся во времени. Средний квадрат первого слагаемого составляет

(6.5)

при Т→∞.

Второе слагаемое в (6.4) средняя величина постоянного тока равная

.

Полезный сигнал, возникающий на фотодиоде, может маскироваться шумами в оптической системе и в усилителе.

В оптических системах связи имеются шумы, источниками которых являются сам сигнал и фотоприемник. Первый – возникает из-за флуктуаций при регистрации фотонов фотодетектором – квантовый шум

, (6.6)

где В – ширина полосы пропускания, F – шум, обусловленный внутренним процессом лавинного умножения в фотодиоде.

. (6.7)

Здесь х – фактор избыточного шума, равный 0,2…0,3 для хороших кремниевых фотодиодов, используемых при детектировании света с длиной волны меньшей λ=1,1 мкм.

Шум в фотоприемнике является суммой всех шумов, генерируемых в схеме приемника оптического модуля. Основную роль при этом играет тепловые шумы и флуктуационный шум в предусилителе.

Совокупность всех шумов определяется значением энергетического эквивалента шума (noise equivalent power), выражаемого в Вт·Гц^{-1/ 2} . Для фотоприемника с p-i-n - фотодиодом NEP =10^-12 Вт·Гц^-1/2, и – c лавинным фотодиодом NEP =10^-12 Вт·Гц^{-1/ 2} .

Квантовые и тепловые шумы не коррелированы, поэтому они аддитивно складываются. При этом отношение среднеквадратического значения тока сигнала к среднеквадратическому значению шумового тока составляет:

(6.8)

При передаче аналоговых сигналов по линии связи, при стопроцентной модуляции интенсивности пучков света (m =1)

(6.9)

Для p-i-n - фотодиода F=1, а в случае лавинного фотодиода справедливо соотношение

. (6.10)

В этом случае фотоприемник будет работать в режиме квантового шума, и мощность будет пропорциональна ширине полосы.

. (6.11)

При F=1, h=1 и при минимальном квантовом шуме

. (6.12)

Если в фотоприемнике преобладает не квантовый шум, а другие виды шума, то требуемая мощность будет выше:

, (6.13)

где

. (6.14)

Оптическая мощность достаточная для того, чтобы отношение сигнал / шум при приеме импульсов света по линии связи было равно 1, называется минимальной детектируемой оптической мощностью (МДМ). Полагая

, (6.15)

получим

. (6.16)

Если в фотоприемнике преобладают тепловые шумы и дробовой шум, вызванный темновым током фотодиода, то МДМ рассчитывается по формуле:

. (6.17)

При

(6.18)

и

(6.19)

При передаче цифровой информации по линии

, (6.20)

,(6.21)

где D описывается соотношением (6.14).

Вопросы для самопроверки

1. Характеристика радиооптических систем

2. Классификация радиооптических систем

3. Структурные схемы основных радиооптических систем

4. Система с открытым каналом

5. Компоненты радиооптической системы с открытым каналом

6. Передающие оптические модули

7. Передающие оптические антенны

8. Типы источников излучения

9. Светоизлучающие диоды

10. Лазерные диоды

11. Типы лазеров

12. Приемный оптический модуль

13. Приемные антенны

14. Компоненты приемного модуля

Дата добавления: 2015-07-11