Элементы оптических систем связи

(78)

где - среднее время жизни носителей до момента рекомбинации;

Ф - скорость световой генерации этих носителей в единице объема среды.

Решение этого уравнения при начальных условиях t = 0; N = 0 имеет вид

(79)

и характеризует переходной процесс инерционного нарастания N во времени (передний фронт импульса фототока). А при начальных условиях t = 0; N = Ф решение N = Фe^-t/ определяет переходной процесс спада импульса фототока.

Видно, что чем меньше тем меньше инерционность фотопроводимости, но зато меньше и сам эффект фотопроводимости, то есть меньше чувствительность ФД, так как меньше стационарное значение N = Ф. Частотная характеристика ФД N = f(f), которую легко получить, решая (78) при Ф = = Ф₀sin2ft, имеет вид N = Ф/[1 + (2f)²]^0,5 и показывает, что амплитуда фототока (j ~ N_a) уменьшается при тем меньших f, чем больше , то есть 1/ определяет частоту завала частотной характеристики ФД. На практике кроме времени на все упомянутые характеристики влияет время релаксации переходных процессов в схеме (_CX) питания ФД. Если _CX > , то именно _CX и будет определять инерционность ФД.

5. Внешние характеристики - вольтамперная характеристика ФД (I = I(f)); энергетическая (световая) характеристика (I = I(Ф)) температурные характеристики - зависимости параметров и характеристик от температуры ФД.

Определив основные характеристики и параметры фотодетекторов, перейдем к рассмотрению простейших фотоприборов.

Фотодиодами называют полупроводниковые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте, использующие одностороннюю проводимость p-n-перехода, при освещении которого появляется ЭДС (фотогальванический режим) или (при наличии питания) изменяется значение обратного тока (фотодиодный режим). Фотодиоды (ФД) можно изготавливать на основе гомоперехода (p-n-перехода), гетероперехода и контакта n-полупроводника и металла (барьера Шотки).

Односторонняя проводимость (вентильный фотоэффект) возникает при освещении одной или обеих областей p-n-перехода. При работе ФД в фотогальваническим режиме в случае освещения n-области в ней образуются новые носители заряда - электроны и дырки. Они диффундируют к p-n-переходу, где дырки - переходят в p-область (обратный ток неосновных носителей), а электроны, для которых диффузионное поле p-n-перехода является запирающим, остаются в n-области. В результате при постоянном освещении в p-области накапливаются дырки, а в n-области - электроны. Это приводит к появлению фото-ЭДС, поле которой понизит одностороннюю проводимость p-n-перехода, что увеличит прямой ток основных носителей.

При разомкнутой внешней цепи и неизменном освещении прямой ток будет увеличиваться до тех пор, пока токи основных и неосновных носителей не уравновесятся, при этом между электродами p-n-перехода устанавливается некоторая разность потенциалов холостого хода V_x.x, возникающая под действием освещения.

При подключении к контактам фотодиода нагрузки и отсутствии освещения через p-n-переход и нагрузочное сопротивление потечет ток термически генерированных неосновных носителей I₀ называемый темновым током. При освещении появляется дополнительный фототок неосновных носителей I_Ф = S_iФ.

Общий ток в цепи ФД в фотогальваническом режиме определяется как

(80.)

где U_R = IR_н - падение напряжения на нагрузке от протекающего в цепи тока.

Рис. 41

Это выражение позволяет построить вольт-амперные характеристики фотогальванического режима (область II на рис. 41).

При работе ФД в фотодиодном режиме (используемом в фотоприемниках) к нему прикладывают обратное напряжение (область 1 на рис. 41). В этом случае в отсутствии освещения через p-n-переход и сопротивление нагрузки протекает обратный дырочный ток I₀. При освещении же n-области через p-n-переход и сопротивление нагрузки будет протекать дополнительный дырочный фототок неосновных носителей I_Ф. Суммарный ток в цепи будет складываться из темнового тока и фототока неосновных носителей. Выражение для вольт-амперной характеристики фотодиодного режима имеет вид

(81)

где U - напряжение внешнего источника.

Рассмотрим схемы включения, вольт-амперные характеристики и выбор нагрузки ФД.

В фотогальваническом режиме работы ФД напряжение на p-n-переходе определяется током, протекающим в цепи нагрузки, согласно формуле (80).

Если R_н , то ток во внешней цепи I = 0, а вместо U_R в (80) можно подставить значение U_xx - напряжения холостого хода

После преобразований найдем напряжения холостого хода

(82)

Линейность характеристики U_xx = f(Ф) наблюдается только на начальном участке при I_Ф << I₀. Чтобы получить максимальную вольтовую чувствительность, соответствующую R_н = , продифференцируем уравнение (82)

(83)

где I₀ - темновой ток насыщения при Ф = 0, I_Ф = S_iФ, R₀ = kT/qI₀ - сопротивление p-n-перехода при нулевом напряжении.

Для комнатной температуры

(84)



Можно получить приближенные формулы при I_Ф << I₀:

а при I_Ф << I₀

Видно, что вольтовая чувствительность в фотогальваническом режиме уменьшается с увеличением потока излучения, падающего на ФД.

Фотогальванический режим не требует источника питания и обеспечивает существенно меньшие шумы, что часто компенсирует потери чувствительности, так как позволяет реализовать большее отношение сигнал/шум (с/ш). ФД в фотогальваническом режиме имеют малой внутреннее сопротивление, поэтому их используют в цепях с малым сопротивлением нагрузки.

В фотодиодном режиме (область I рис.41) при изменении сопротивления нагрузки меняется угол наклона прямых , tg = I/R = I/U_н. Поменяем для области I знаки полярности напряжения и тока на рис.41.

При этом падение напряжения на нагрузке и ФД будут соответственно

U_н = IR_н; U_ФД = U - IR_н.

Ток внешней цепи в фотодиодном режиме при приложении напряжения питания U в запирающем направлении I = I₀ + I_Ф. Откуда

IR_н = U_н = S_iФR_н + I₀R_н.



Продифференцировав это выражение, получим формулу для интегральной вольтовой чувствительности ФД

S_U = dU_н/dФ = S_iR_н. (85)

Таким образом, чтобы повысить вольтовую чувствительность, необходимо увеличить сопротивление нагрузки R_н. Максимальное значение R_нmax связано с максимальным потоком излучения, который можно зарегистрировать ФД, следующим соотношением:

R_нmax = U/(I_фmax + I₀) = U/(S_iФ_max + I₀). (86)

При этом точка пересечения прямой нагрузки с вольт-амперной характеристикой, соответствующей максимальному потоку излучения Ф_max, должна лежать в области диодного режима.

С учетом выражения (84) можно получить приближенные формулы для S_Umax при I_Ф >> I₀ S_Umax U/Ф_max, и S_Umax S_i(U/I₀) при I_Ф << I₀.

Если I_Ф >> I₀, то максимальная вольтовая чувствительность не зависит от параметров ФД, а если I_Ф << I₀, то она тем больше, чем меньше значение темнового тока I₀. При работе ФД с модулированным сигналом от объекта на фоне немодулированной фоновой засветки целесообразно иметь минимальную вольтовую чувствительность по постоянному току (от фона) и максимальную по переменному току (от объекта). Для этого используют трансформаторную или дроссельную схемы включения ФД, позволяющие получить большое сопротивление по переменному току (индуктивное сопротивление) и малое по постоянному току (активное сопротивление).

ФД в фотодиодном режиме обладают значительным внутренним сопротивлением и применяются в цепях с большим сопротивлением нагрузки.

Работа с малыми сигналами в фотогальваническом режиме предъявляет особые требования к усилителю, который должен при больших коэффициентах усиления иметь малый уровень шума, что ограничивает использование этого режима в фотоприемниках.

Постоянная времени ФД (_ФД) определяется временем пролета носителей от места их генерации под действием освещенности (в тонком поверхностном слое) до p-n-перехода, где они рекомбинируют, и постоянной времени схемной релаксации _р (RC-цепочка ФД), которая обычно у ФД не превышает 10^-9 с. Поэтому при глубине залегания p-n-перехода (толщине базы) в несколько микрометров время переноса неосновных носителей составляет 10^-7 - 10^-8 с, что и определяет _ФД.

Рис. 42

Помимо планарных фоторезисторов (не применяемых в фотоприемниках из-за низкого квантового выхода и значительных шумов) существуют фоторезисторы со структурой металл-полупроводник-металл (м-п-м), которые могут использоваться в системах с высокой интенсивностью оптического излучения. Типовые конструкции такого фоторезистора и фотодиода показаны на рис. 42, а (фоторезистор) и рис. 42, б (фотодиод), где КС - контактный слой; П - подложка; ФПС - фотопроводящий слой; Б - база ФД.

Конструкции ФД с барьером Шотки и гетероструктурных ФД похож на конструкции светодиода, причем ФД на основе диода с барьером Шотки имеют на приемной поверхности тонкую (2-10 нм) пленку золота, мало поглощающую свет, которая контактирует с полупроводником n-типа, расположенным глубже, причем если этот полупроводник GaP, то такой диод хорошо принимает ультрафиолет (максимум спектральной характеристики приходится на 0,4 мкм). Приемная поверхность полупроводниковых ПИ в наиболее ответственных случаях покрывается тонкой согласующей пленкой, имеющей толщину 0,25(_отнп)^0,5, где - принимаемая длина волны света, _отнп =(_отн)^0,5 - относительная диэлектрическая проницаемость материала пленки, причем _отн - относительная диэлектрическая проницаемость среды, которую покрывает пленка (“голубая оптика”).

Лавинные и p-i-n фотодиоды

В быстродействующих фотоприемниках с полосой частот до нескольких гигагерц применяются фотодиоды с p-i-n-структурой и лавинные фотодиоды (ЛФД).

ФД с p-i-n-структурой состоит из n⁺-подложки, слаболегированного слоя (i-слоя) и тонкого p⁺- слоя толщиной 0,3 мкм. При приложении обратного смещения обедненный слой распространяется на весь i-слой и слой собственной проводимости. В результате уменьшается емкость перехода, расширяется область поглощения света и повышается чувствительность ФД. Падающий свет, затухая по экспоненциальному закону в зависимости от значения коэффициента поглощения , вызывает появление фотовозбужденных носителей заряда. Фотовозбужденные носители, появившиеся в обедненном слое, ускоряются ЭП обедненного слоя ( 10³ В/см) до скорости насыщения дрейфа (~ 10⁷ см/с). Эту область называют областью дрейфа. Так как фотовозбужденные носители за пределами обедненного слоя в р⁺- и n⁺-слоях движутся за счет диффузии, то их скорость движения, равная 10⁴ см/c, оказывается на три порядка ниже скорости дрейфа. Этот диффузионный ток является причиной ухудшения быстродействия ФД, которое проявляется в виде “хвоста” импульсной характеристики. Поскольку эти возбужденные носители перемещаются на расстояние порядка диффузионной длины и рекомбинируют, то тем самым уменьшается квантовый выход. Чтобы одновременно удовлетворить требованиям быстродействия и высокого квантового выхода, необходимо, чтобы область поглощения света находилась в обедненном слое. Для этого при проектировании фотодиода делают р⁺-слой как можно тоньше, а толщину i-слоя выбирают большей длины поглощения света (1/). При этом длина поглощения для кремния на длине волны 0,8 мкм составляет 10-20 мкм, а величина рабочего напряжения, необходимая для получения достаточно широкого обедненного слоя, оказывается сравнительно низкой - порядка 1-20 В.

В ЛФД обедненный слой, возникающий при приложении обратного напряжения, также необходимо рассматривать как область поглощения света; однако для создания ударной ионизации с помощью фотовозбужденных носителей рядом с p-n-переходом создают область с высоким значением напряженности электрического поля (более 10⁵ В/см), которую рассматривают как область лавинного умножения. Если фотовозбужденные носители, возникшие в результате поглощения света в области дрейфа, инжектируют в область лавинного умножения, то под действием непрерывной ударной ионизации возникнет лавинное умножение фотовозбужденных носителей. Обычно ЛФД, благодаря эффекту лавинного умножения, обладают большей чувствительностью по сравнению с обычными ФД. Если напряжение смещения обозначить через U, а напряжение пробоя через U_п, то коэффициент умножения М приближенно может быть представлен эмпирической формулой:

где n = 2 - 6 (87)

Он принимает различные значения в зависимости от напряжения смещения. При U U_п с повышением напряжения происходит резкое увеличение коэффициента умножения, который может принимать высокие значения порядка М 1000. С другой стороны, коэффициент умножения сильно изменяется при изменении напряжения и температуры, что является недостатком. При этом температурный коэффициент изменений напряжения пробоя составляет 0,2%/^oC. В схеме питания ЛФД необходимо предусмотреть меры, которые бы устраняли влияние этих изменений.

а б

Рис. 43

На рис. 43 приведены конструкции ЛФД и p-i-n-ФД, где 1 - просветляющая пленка; 2 - электрод (омический контакт); 3 - защитное кольцо; 4 - изоляция. Эти конструкции могут изменяться в зависимости от свойств материалов. Для предотвращения отражения света от поверхности все ФД покрываются просветляющей пленкой. Защитное кольцо по периметру p-n-перехода служит для повышения напряжения пробоя, предупреждения локального лавинного пробоя (микроплазмы) и осуществления равномерного лавинного усиления. В кремниевом ЛФД из-за расширения обедненного слоя до 20 мкм и более рабочее напряжение падает. Поэтому область обедненного слоя формируют в виде p()-слоя низкой концентрации, а лавинную область, требующую большой напряженности ЭП, - как р-слой с высокой концентрацией носителей. На рис.42, а приведена конструкция кремниевого ЛФД со структурой n⁺pp⁺, где уменьшением напряженности электрического поля в области лавинного умножения оказывается возможным получить широкий обедненный слой с высоким квантовым выходом. Распределение потенциала в р-i-n - и в лавинном фотодиоде приведена на рис.4 При этом напряжение пробоя оказывается низким, а быстродействие - высоким. Например, при U_п = 100 - 150 В быстродействие оказывается равным приблизительно 300 пс.

а б

Рис. 43

Быстродействие ЛФД ограничено временем пробега фотовозбужденных носителей и постоянной времени RC-цепочки. В области дрейфа скорость дрейфа достигает ~ 10⁷ см/c, так что время пробега при ширине обедненного слоя 100 мкм оказывается небольшим, около 1 нс. При ширине несколько десятков микрометров и ниже получается быстродействие порядка нескольких ГГц. Электростатическая емкость определяется суммой паразитной емкости корпуса и емкости перехода, зависящей от диаметра фотоприемной части и обедненного слоя. Она составляем 1-2 пФ. Следовательно, если сопротивление нагрузки положить равным 50 Ом, то постоянная времени RC-цепочки будет составлять 50-100 пс.

Эффективность (квантовая) обедненной области в рабочем диапазоне длин волн достаточно высока ~ 80-100%. Однако часть падающего излучения испытывает френелевское отражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на границе между этой поверхность и средой. Для уменьшения отражения приемную поверхность обедненного слоя покрывают антиотражающим слоем - специально подобранным прозрачным для длины волны излучения , материалом толщиной кратной /4 и показателем преломления, равным (n₁n₂)^0,5, где n₁ и n₂ - показатели преломления i-слоя и воздуха

Особенностью работы ЛФД являются более высокое рабочее напряжение по сравнению с р-i-n-фотодиодами и повышенная температурная чувствительность коэффициента умножения. Это требует использования специальной электрической цепи, вырабатывающей необходимое рабочее напряжение, а также системы термостабилизации.

Фототранзисторы

Биполярным фототранзистором (ФТ) называют полупроводниковый приемник излучения на основе использования внутреннего фотоэффекта с двумя p-n-переходами и с дополнительным усилением фототока на втором p-n-переходе. Такой ФТ состоит из монокристалла полупроводника n-типа (рис. 44,а) - базы, - в котором с двух сторон созданы сплавные p-n-переходы - коллекторный и эмиттерный.

а б в

Рис. 44

Значительное усиление фототока ФТ наблюдается при его включении с “оборванной” базой, эквивалентная схема которого дана на рис. 44,б. При этом на эмиттерный переход подается напряжение в прямом, а на коллекторный - в запирающем направлении.

Входным сигналом для ФТ служит падающий поток излучения Ф (h), который и управляет током в цепи. Когда ФТ не освещен, через него протекает ток, определяемый неосновными носителями, инжектированными из эмиттера, прошедшими базу и достигшими коллектора. Несмотря на то, что переход база-эмиттер включен в прямом направлении, число дырок, инжектированных эмиттером на базу, невелико, а сам ток фактически мал. Объясняется это тем, что дырки накапливаются в базе вследствие отсутствия компенсирующих отрицательных зарядов, которые не могут туда поступать из-за ее обрыва.

При облучении образующиеся дырки диффундируют к эмиттеру и коллектору. Дырки, пришедшие к коллектору, увеличивают его ток, а электроны создают избыточный не скомпенсированный отрицательный объемный заряд, уменьшающий потенциальный барьер перехода эмиттер-база и резко увеличивающий поток дырок из эмиттера в область базы. Эти дырки, пройдя базовую область, попадают на коллектор и еще больше увеличивают ток ФТ, причем ток за счет дырок, вызванных отрицательным объемным зарядом в области базы, превосходит значение тока, определяемого дырками, генерированными в базе первоначально под действием света. Таким образом, усиливается фототок. Если есть базовый вывод, его можно использовать для выбора начального режима и стабилизации рабочей точки ФТ при изменении окружающей температуры.

Благодаря усилению фототока интегральная чувствительность ФТ выше, чем у ФД, и достигает 0,2-0,5 А/мЛм. Вольтовая чувствительность ФТ сравнима с ФД, так как темновой ток ФД больше, а рабочее напряжение питания меньше (3В). Вольт-амперные характеристики аналогичны ФД. ФТ имеют меньшее внутреннее сопротивление, и их характеристики обладают большей крутизной, чем у ФД. Световые характеристики ФТ линейны в широком диапазоне.

По постоянной времени и частотным характеристикам ФТ уступают ФД, так как эмиттерный переход имеет большую емкость (примерно 10⁵ пФ/см²), что увеличивает постоянную времени схемной релаксации (постоянная времени ФТ 10^-4 - 10^-6,с).

Кроме схемы включения с оборванной базой, рассмотренной выше, для ФТ разработаны специальные схемы включения, учитывающие необходимую стабильность его работы при изменении температуры окружающей среды. Повышения стабильности работы ФТ добиваются применением компенсирующих элементов и отрицательной обратной связи по переменному току.

Полевые ФТ имеют три электрода: исток, сток и затвор (рис. 44, в). Между истоком и стоком образуется фоторезистивный проводящий канал, сопротивление которого изменяется при его облучении и зависит также от потенциала затвора. Затвор отделен от проводящего канала p-n-переходом, ширина которого модулируется потенциалом затвора. Расширение перехода уменьшает сечение канала и увеличивает его сопротивление, сужение - наоборот.

Переход затвор-канал можно рассматривать как фотодиод, в цепи которого фототок I_ФД, пропорциональный потоку излучения, вызывает на резисторе R_З падение напряжения U_З = R_ЗI_ФД, что приводит к изменению потенциала затвора. Как и в обычном полевом транзисторе, при изменении потенциала затвора изменяется ток стока:

I_С = SU_З = SR_ЗI_ФД,

где S-крутизна характеристики передачи dI_C/dU_З при U_CИ = const.

Отсюда токовая чувствительность полевого транзистора

S_iПТ = I_С/Ф = SR_ЗI_ФД/Ф = SR_ЗS_iФД, (88)

где S_iФД - токовая чувствительность фотодиода.

Из выражения (88) следует, что токовая чувствительность полевого фототранзистора по сравнению с токовой чувствительностью фотодиода увеличивается в SR_З раз.

Энергетические характеристики полевых фототранзисторов линейны лишь в определенных пределах изменения потока излучения. При больших уровнях потока излучения потенциал затвора становится столь малым, что его изменения практически перестают влиять на ток стока, который близок к максимальному значению. Инерционность полевого фототранзистора определяется инерционностью цепи затвора и временем пролета носителей заряда через канал. Постоянная времени полевого фототранзистора составляет 10^-7с для малых потоков излучения.

8. Технические характеристики фотоприемников

Факторы, влияющие на технические характеристики фотоприемников, сложны и сильно взаимосвязаны между собой. На первый взгляд может показаться, что достаточно выбрать только три параметра - чувствительность, быстродействие, цену. На практике эти факторы часто оказываются зависящими от других факторов, включая рабочую длину волны, выбор волокна и передатчика, темновой ток, шумовые характеристики, тип кодировки передаваемого сигнала и др.

Ниже рассмотрены главные из них: токовая чувствительность; квантовая эффективность; темновой ток; время нарастания и спада; эквивалентная мощность шума; соотношение с/ш и чувствительность аналоговых систем; частота появления ошибок и чувствительность цифровых систем; насыщение ПРОМ; максимально допустимое обратное напряжение; рабочий диапазон температур; наработка на отказ.

Таковая чувствительность (монохроматическая) S_i (А/Вт) определяется как S_i = I_i /Р(), где I_i - фототок, а Р() - полная оптическая мощность излучения на длине волны , падающего на фоточувствительную площадку. Токовая чувствительность характеризует фотоприемник при низких частотах модуляции.

Квантовая эффективность (безразмерная величина) определяется как = N_q/N_i, где N_i - количество фотонов, падающих за единицу времени на приемник, а N_q -- количество рожденных в результате этого свободных электронов (или электронно-дырочных пар). Квантовая эффективность для р-i-n-фотодиодов не может быть больше 1 (100%). Кривые квантовой эффективности в зависимости от длины волны для разных материалов приведены на рис. 40.

Между токовой чувствительностью и квантовой эффективностью существует простая связь S_i = q/hc, где q -- заряд электрона (1,601010^-19 К), - длина волны, h -- постоянная Планка (6,6310^-34 Джсек), с - скорость света (3,0010⁸ мсек). С подстановкой значений констант получаем S_i = /1,24. На основании зависимостей рис. 40 легко оценить значения токовой чувствительности для разных материалов и разных длин волн. Типичное значение токовой чувствительности для р-i-n-фотодиодов в их рабочих диапазонах составляет 0,5 - 0,8 А/Вт, а для лавинных фотодиодов 20 - 60 А/Вт (табл. 4.3). Характеристики и S_i используют при создании фотоприемников и ПРОМ, когда необходимо согласовывать последующий каскад электронных усилителей.

Темновой ток I_т (А) протекает при обратном смещении через нагрузку в отсутствии падающего на фотодиод излучения. Его величина зависит от материала полупроводника, температуры окружающей среды, конструкции фотоприемника. Максимальные значения этот ток утечки имеет в фотодиодах, изготовленных из германия, и составляет от долей до единиц миллиампера (табл. 1. Этот ток добавляется к току полезного сигнала, когда на фотодиод поступает свет.



Таблица 1

Фотоприемник	Токовая чувствительность, А/Вт	Темновой ток, нА	Время нарастания, нс
р-i-n фотодиод (InGaAs)	0,8	0,1 - 3	0,01 - 5
р-i-n фотодиод (Si)	0,5	10	0,1 - 5
Лавинный фотодиод (InGaAs)	20 - 60	30	0,3
Лавинный фотодиод (Ge)	20 - 60	400	0,3 - 1
Фототранзистор (Si)	18	25	2500

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 (1,3810^-23 ДжК^-1), Т - абсолютная температура (К), В - полоса пропускания, R - сопротивление (Ом) [7]. Полный шумовой ток I_У определяется, как среднее квадратичное дробового и теплового токов I_У = (I²_др + I²_t)^0,5.

Время нарастания _p (спада _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 _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_У/S_i,

где I_У - полный шумовой ток.

По определению, эквивалентная мощность шума пропорциональна квадратному корню из полосы пропускания. Р_У можно пронормировать, поделив на B^0,5 . Такая нормированная эквивалентная мощность шума имеет размерность ВтГц^-0,5 и не зависит от полосы пропускания. Например, если фотодиод имеет темновой ток 2 нА, дробовое сопротивление R = 510⁸ Ом, токовую чувствительность S_ph = 0,5 А/Вт, и полную полосу пропускания В =1 Гц, то дробовой ток I_др = 2,510^-14 А, тепловой ток I_t = 5,610^-15 А, полный шумовой ток I_У = 2,610^-14 А и эквивалентная мощность шума Р_У = 5,110^-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_У и требования к отношению с/ш, можно определить минимальный входной сигнал Р_{У 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 > 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.

Дискриминация. Если предыдущие три функции в равной степени могли относиться как при обработке аналогового сигнала, так и цифрового, то функция дискриминации применяется только при обработке цифровых сигналов в ВОСС. Из-за наличия дисперсии при распространении света по волокну приходящие фронты импульсов могут потерять первоначальную прямоугольную форму и стать размытыми. Необходимо восстановить их прямоугольную форму. Для этой цели предназначена цепь принятия решения или дискриминатор, который имеет порог срабатывания. Если амплитуда поступающего на дискриминатор сигнала меньше порога, то на выходе сигнала нет (0), если же превосходит порог, то на выходе идет сигнал определенной амплитуды (1). Главным недостатком такой регенерации цифрового сигнала является допустимость нарушения длительности импульсов. Чем меньше амплитуда поступающего на дискриминатор сигнала, тем короче могут быть импульсы, соответствующие единичному сигналу на выходе дискриминатора. Низкое значение порога также не желательно, поскольку можно ошибочно принять шум за полезный сигнал.

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.

Рассмотрим подробнее особенности построения фотоприемных устройств при различных методах выделения оптического сигнала.

В настоящее время для регистрации излучения оптического диапазона используют прямой фотоприем (детектирование) и гетеродинный метод. При прямом фотоприеме энергия излучения в пределах спектральной чувствительности непосредственно преобразуется фотоэлементом и выходной сигнал определяется входной мощностью. Сущность оптического гетеродинирования заключается в смешении сигналов оптической частоты и наблюдении биений волн от источника сигнала и от гетеродина. Гетеродинный прием стал возможным лишь при использовании лазеров, обладающих высокой степенью когерентности.

Прямой фотоприем

Падающий поток излучения со средней мощностью Р_с и частотой вызывает появление первичного фототока I_ф в цепи фотоэлементом

I_ф = q_eP_c/h, (89)

где -- квантовый выход.

Одним из основных параметров приемных систем наряду с минимально обнаружимым сигналом Р_{с мин} является и отношение с/ш. Для фотоприемников с коэффициентом внутреннего усиления по току М (лавинных фотодиодов) отношение с/ш имеет вид

(90)

где m - коэффициент модуляции света;

I_фон - фототок, обусловленный фоновым излучением;

I_т - темновой ток;

F (М) - коэффициент, учитывающий увеличение шума в процессе усиления;

- эффективный средний квадрат тока теплового шума;

R_экв - сопротивление, эквивалентное выходному сопротивлению фотоэлемента и цепи нагрузки.

В идеальном случае, когда существен только фотонный шум сигнала из соотношений (89) и (90) можно получить выражение для пикового значения переменной составляющей минимально обнаружимого сигнала

, (91)

т.е. в идеальном случае Р_{с мин} пропорциональна f.

При с/ш = 1, = 1, F(М) = 1, m = 1 пиковое значение переменной составляющей , что соответствует в среднем двум фотонам в секунду в единичной полосе.

В реальных приемных системах фотонным шумом сигнала можно пренебречь. Тогда, как видно из выражения (90), минимально регистрируемая мощность сигнала пропорциональна . Применение фотоэлементов с внутренним усилением тока приводит к увеличению отношения с/ш и уменьшению P_{c мин} по сравнению с системой без внутреннего усиления. В реальных системах с внутренним усилением тока максимальную чувствительность можно получить, если общий дробовой шум сравним со значением теплового шума или шума усилителя.

В классической схеме построения ВОСС непосредственного приема оптических сигналов (с модуляцией по интенсивности) детектируемый фотодиодом ток после усиления малошумящим усилителем и фильтрации, для уменьшения влияния шумов поступает на схему принятия решений - порогового устройства (ПУ), рис.47.

Рис. 47

Принятие решений реализуется устройством восстановления синхроимпульсов (УВСН).

Основным показателем качества фотоприемника является отношение с/ш, который на выходе фотодетектора есть среднеквадратичное значение флуктуаций (дисперсии) выходного тока и определяется по формуле Шотки. Дополнительным источником шума в фотоприемнике является тепловой шум, обусловленный активным сопротивлением нагрузки.

В случае непосредственного оптического приема сигналов с аналоговой модуляцией фотоприемник содержит (рис. 48) собственно фотодиод, усилитель переменной составляющей выходного тока и фильтры, отделяющие составляющие спектра сигнала от шумов.

Оптическое предусиление светового сигнала лазерными усилителями, вследствие шумов последних, не дает значительного увеличения чувствительности и не оправдывает затрат.

Рис. 48

Особый интерес представляют системы оптической связи, использующие предварительную модуляцию поднесущей частоты передаваемым сигналом, рис. 49. При этом информационный электрический сигнал поступает на модулятор (М), где происходит первая операция- модуляция поднесущей частоты по амплитуде, либо по фазе или частоте. Затем промодулированная поднесущая частота поступает на оптический излучатель, где происходит вторая операция - модуляция интенсивности оптического излучения.

Рис. 49

В принципе это известный метод повышения отношения с/ш и снижения нелинейных искажений, вносимых оптическими излучателями, при условии обеспечения хорошей линейности характеристик модуляторов и демодуляторов (ДМ). Можно показать, что АМ с последующей модуляцией интенсивности менее предпочтительна по сравнению с другими видами модуляции и, кроме того, при ЧМ и использовании схем коррекции предискажений получается отношение с/ш на 15 дБ больше, чем при прямой модуляции интенсивности.

10. Оптический гетеродинный прием

Когерентный прием (в ВОСС и ЛАСС), в котором применяется гетеродинное и гомодинное оптическое преобразование частоты независимо от вида демодуляции (синхронная или несинхронная), осуществляемый по промежуточной частоте. При оптическом гетеродинировании на входе фотоэлементе смешиваются сигнал мощностью Р_с и излучение гетеродина мощностью Р_г. Смешение осуществляется с помощью оптического устройства, к которому предъявляются жесткие требования, обеспечивающие точное совмещение волновых фронтов. Величина среднего фототока на промежуточной частоте при Р_г >>Р_с определяется выражением

I_пр = _e(2P_сP_г)^0,5h. (92)

В процессе оптического гетеродинирования происходит усиление сигнала, которое приводит к тому, что основным становится дробовой шум, обусловленный излучением гетеродина, так как мощность его превосходит мощность других потоков. Коэффициент усиления гетеродинного преобразователя - отношение мощности на промежуточной частоте, рассеиваемой на входном сопротивлении усилителя, к мощности оптического сигнала - может быть большим при использовании мощного гетеродина.

Из выражений (89) и (90) видно, что при оптимальной схеме гетеродинного приема (обеспечена параллельность волновых фронтов и одинаковая поляризация) минимально обнаружимый сигнал дается выражением [14]

(93)

получаемым при замене в (90) на I_пр.

В идеальном случае гетеродинного приема, когда вторым слагаемым в (93) можно пренебречь,

; (94)

при с/ш = 1, = 1, F(M) = 1 получим , т.е. реализуется чувствительность, равная теоретическому пределу, определяемому фотонным шумом.

Как видно из выражения для Р_{с мин} большая мощность гетеродина необходима не только для получения высокого коэффициента усиления, но и для эффективного «подавления» тепловых шумов. Для гетеродинного приема характерна линейная зависимость Р_{с мин} от ширины полосы. Это обстоятельство снижает принципиальные преимущества гетеродинного приема при большой ширине полосы. Например, при f = 1 МГц минимально регистрируемая мощность увеличивается на 6 порядков по сравнению с мощностью для единичной полосы, в то время как при прямом приеме Р_смин возрастает лишь на 3 порядка. При оптическом гетеродинировании сохраняется информация о частоте и фазе сигнала, т.е. возможна фазовая модуляция принимаемого излучения. Для гетеродинных систем характерна малая угловая апертура (ограничение дифракцией).

В ВОСС на передающей стороне излучение оптического передатчика (ОП) проходит оптический вентиль (ОВ) и электрооптический модулятор (М), управляемый информационным сигналом, рис. 50. При этом на выходе необходимо иметь оптический сигнал, спектральная полоса которого максимально узкая, чтобы эффективность гетеродинирования была наилучшей. В частности, при гетеродинном приеме цифровых АМ, ЧМ и ФМ сигналов отношение DlВ^-1 ( - спектральная полоса оптического излучателя, В - полоса частот принимаемого полезного сигнала) должно составлять 10^-2 - 5Ч10^-3, а при гомодинном приеме ФМ оно равно 0,5Ч10^- При использовании одномодового волокна (ОВ) на приемной стороне необходимо устанавливать поляризационный контроллер (ПК), совмещающий плоскость поляризации местного оптического гетеродина (Гет) с плоскостью поляризации сигнального излучения.

В оптическом гетеродинном приемнике сигнал суммируется в оптическом соединителе (ОС) с излучением оптического гетеродина и подается на квадратичный фотодетектор (ФД) (рис. 50). Излучение гетеродина, как и лазера передатчика, должно быть узкополосным, тогда в результате нелинейного преобразования суммарного сигнала фотодетектором на его выходе появляется сигнал промежуточной частоты. Демодуляция сигнала промежуточной частоты осуществляется синхронным или несинхронным демодулятором (ДМ) или в случае цифровой ФМ - фазоразностной схемой.

Рис. 50

Контур автоподстройки частоты (АПЧ) обеспечивает регулировку частоты лазерного гетеродина (Гет) и удержания значения разностной частоты в пределах частотной полосы усилителя промежуточной частоты, следующего за ФД и ДМ.

В отличие от гетеродинного при гомодинном методе приема (рис. 51) частоты колебания принимаемого оптического излучения и местного оптического гетеродина должны быть одинаковы, а фазы синхронизированы. При этом демодулированный сигнал на выходе ФД имеет частотный спектр, сдвинутый в область низких частот и полное восстановление сигнала осуществляется фильтром низкой частоты (ФНЧ). Главным отличием гомодинного приема от гетеродинного является уменьшенная в 2 раза требуемая полоса частот, что снижает дисперсии шумов также в 2 раза. При этом отношение с/ш оказывается лучше в 2 раза, а это существенно увеличивает чувствительность фотоприемника [165].

Рис. 51

Из описания схем когерентных ВОСС следует, что к целому ряду элементов системы предъявляются высокие технические требования, они конструктивно сложны и дороги. Однако здесь есть и неоспоримые достоинства: - чувствительность гетеродинных и гомодинных приемных устройств ограничивается только уровнем дробовых шумов излучения гетеродина, которая приближается к квантовому пределу детектирования в оптическом диапазоне. По чувствительности такие устройства превосходят реальные приемные устройства прямого детектирования на 10-20 дБ (в зависимости от схемы модуляции - демодуляции). Используется перспективная техника модуляции-демодуляции в частности ЧМ и ФМ, фазоразностный прием с известными из радиотехники преимуществами этих методов модуляции, что, в конечном счете, улучшает чувствительность приемного устройства. Сочетание этих систем и спектрального разделения каналов позволяет достаточно полно использовать окно прозрачности (0,9-1,35; 1,45-1,7 мкм) с малыми потерями в оптическом волокне, а высокая спектральная селективность оптического когерентного детектирования дает возможность применять полупроводниковые оптические усилители с улучшенными шумовыми характеристиками и осуществлять каскадирование усилителей.

Перечисленные достоинства когерентных ВОСС позволяют увеличить расстояние между оптическими ретрансляторами до 100 км (на = 1,55 мкм), а между электронными регенеративными ретрансляторами до 10⁴ км [164,165].

В настоящее время реально используются и ЛАСС. Фотоприемники таких систем строятся, как правило, на ЛФД либо p-i-n-диодах, снабжаются мощными объективами, обеспечивающими малый угол обзора (порядка 0,5^о), используют импульсную модуляцию, работают в ближнем ИК диапазоне (780 - 950 нм). Такие системы выполняют в двухканальном варианте (прием передача) и отличаются от ВОСС лишь средой распространения, что требует больших мощностей излучения (пиковая до 2 Вт, или средняя порядка 20 мВт).