Квантово-електронні модулі

КОНТРОЛЬНА РОБОТА З ТЕМИ:

КВАНТОВО-ЕЛЕКТРОННІ МОДУЛІ

1. Загальні відомості

На рис. 1 представлена блок-схема передавача, що містить керуюче пристрій і джерело. На вхід передавача надходить сигнал від пристрою, що обслуговується. На виході передавача з'являється струм, керуючий роботою джерела.

Більшість електронних схем працює зі стандартними сигналами визначеного рівня. Телевізійні відеосигнали використовують рівень у 1 В, цифрові схеми - різні стандарти в залежності від типу логічних кіл, застосовуваних у системі.

Рисунок 1 - Блок-схема передавача

В даний час найбільш розповсюдженою цифровою логікою є транзисторно-транзисторна (TTL). Вона використовує 0.5 В для мінімального рівня сигналу і 5 В - для максимального. TTL є швидкою логікою, що дозволяє застосовувати її в багатьох випадках, однак більш швидкої є еміттерно-з`вязаная логіка (ECL). Коло ECL використовує -1.75 В для мінімального і -0.9 В для максимального значень. На рис. 2 представлені логічні рівні TTL і ECL колів.

Рисунок 2 - Рівні сигналів TTL і ECL

Звичайно технології TTL і ECL не можуть бути сполучені. Однак існують спеціальні мікросхеми, що дозволяють конвертувати сигнали з однієї логіки в іншу. Як TTL, так і ECL використовуються у волоконно-оптичних передавачах і приймачах. TTL є більш розповсюдженої; ECL звичайно використовується тільки для систем зі швидкостями близько 50 чи 100 Мб/сек.

Іншим популярним видом логічних схем є CMOS. Він швидко стає альтернативою TTL завдяки дуже низької вартості компонентів. Багато CMOS-колів використовують ті ж рівні напруг для сигналів, що і TTL.

Керуюче коло передавача повинно приймати дані визначеного логічного рівня. Після обробки цифрових сигналів, що надійшли, формується вихідний сигнал для керування джерелом. Наприклад, він може перетворити 0.5 В и 5В TTL-сигналу в 0 мА і 50 мА, необхідні для включення і вимикання джерела.

Додаткова функція передавача полягає в забезпеченні відповідного кодування.

2. Кодування

Передача цифрових сходинок на будь-яку значиму відстань, як правило є незручною. У той час як цифрове коло використовує східчасті імпульси для представлення одиниць і нулів двійкових даних, для передачі цифрових сигналів між електронними пристроями використовується більш складний формат. Модуляційний код застосовується для кодування цифрових даних з наступною передачею їх по лініях зв'язку.

Раніше було відзначено, що наявність східчастого імпульсу означає двійкову 1, а його відсутність - двійковим 0. В TTL-системах 5В рівень представляє 1; 0.5-В рівень представляє 0. Таким чином, існує взаємна відповідність між високими і низькими рівнями напруги й двійковими 1 і 0. У модуляційних кодах, представлених тут, дана відповідність не завжди зберігається.

Таблиця 1 - Коди

Рисунок 3 - Модуляційні коди

На рис. 3 показано декілька популярних кодів модуляції.

Кожному біту даних ставиться у відповідність визначений період сигналу, що контролюється таймером. Таймером служить постійний ланцюжок імпульсів, що задає часовий інтервал для основної системи. Як показано у таблиці 5.1, деякі коди мають внутрішні сигнали синхронізації, інші не мають. Код із внутрішньою синхронізацією являє собою код із уже включеною інформацією про час. В інших кодах ця інформація відсутня.

Інформація про час важлива для приймача, одна з цілей якого - відновлення сигналу в його первісному стані. Приймач має три варіанти інформації про час.

Передані дані містять інформацію про імпульси таймера, тобто модуляційний код містить у собі внутрішню синхронізацію.

Інформація про імпульси таймера повинна передаватися по іншій лінії. Це робить систему більш громіздкою, оскільки вимагає додаткової лінії від передавача до приймача. Для далеких відстаней вартість прокладки додаткової лінії може бути істотною.

Приймач може забезпечувати власну синхронізацію за часом незалежно від імпульсів таймера передавача.

Стисла характеристика найбільш поширених кодів наведена нижче:

1. Код NRZ (nonreturn-to-zero, без повернення до нуля) аналогічний "нормальним" цифровим даним. Сигнал максимальний у 1 і мінімальний у 0. Для представлення послідовності одиниць сигнал залишається на високому рівні. Ланцюжок нулів сигналу відображається низьким рівнем. Таким чином, рівень сигналу перетворюється лише при зміні значення даних.

2. Код RZ (return-to-zero, з поверненням до нуля) представляє 0 у виді сигналу низького рівня. Для представлення 1 - рівень сигналу високий протягом половини періоду біта, а потім стає низьким у решті періоду. Для кожної 1 з послідовності даних рівень сигналу спочатку стає високим, а потім низьким протягом періоду біта. Наприклад, для послідовності з трьох одиниць рівень сигналу стає високим для кожної з них, а потім для кожної з них повертається до мінімального значення.

3. Код NRZI (nonreturn-to-zero - inverted, інвертований без повернення до нуля) представляє 0 у виді зміни рівня сигналу, а 1 - відсутністю такого роду зміни. Таким чином, рівень сигналу змінюється від високого до низького (чи навпаки від низького до високого) для кожного нуля, але залишається на одному рівні для представлення кожної одиниці. Важливим моментом є те, що не існує заданого співвідношення між 1 і 0, а також між високим і низьким рівнями. Бінарна одиниця може бути представлена як високим рівнем сигналу, так і низьким.

4. Код Манчестер. У цьому методі кодування використовується зміна рівня сигналу в середині кожного бітового періоду. Для 1 перша половина періоду відповідає високому рівню сигналу, а друга - низькому. У представленні 0 - навпаки.

5. Код Міллер. У коді Міллер кожна 1 подається зміною рівня сигналу в середині періоду бита. Для представлення 0 використовується або відсутність зміни рівня сигналу, якщо він випливає після 1, або зміна на початку періоду, якщо він виходить за 0.

6. Код Biphase-M. У коді bi-phase-M (модифікований двухфазний) кожен період біта починається зі зміни рівня сигналу. Для подання 1 використовується додаткова зміна в середині періоду. Для подання 0 ніяких додаткових змін не виконується. Таким чином, 1 представляється як високим, так і низьким рівнем сигналу протягом періоду. Для подання 0 використовується або низький, або високий рівень сигналу протягом усього бітового періоду (але не обидва рівні одночасно).

7. Кодування 4В/5В і 4В/8В. Більшість локальних комп'ютерних мереж використовує код Манчестер. Для волоконно-оптичних локальних мереж це не так. Причина в тім, що це кодування вимагає подвоєної швидкості таймера в порівнянні зі швидкістю передачі даних. Наприклад, 100-Мб/сек мережа вимагає таймер на 200 МГц. Кодування даних NRZI не передбачає зміни сигналу у випадку передачі ланцюжка нулів, що утрудняє розбивку інформації на бітові періоди (внутрішню синхронізацію). При цьому приймач не може відповідним чином синхронізувати свою роботу з потоком даних, що надходить.

Багато високошвидкісних волоконно-оптичних систем використовуює схеми кодування інформації з груп, у яких кодуються не окремі біти, а цілі слова довжиною в декілька біт. Наприклад, при кодуванні 4В/5В кожні чотири біти інформації кодуються в 5-бітове слово. Після одержання такого коду приймач декодирує 5-бітові слова в 4- бітові блоки первісної інформації. Ця схема гарантує, що дані ніколи не будуть являти собою ланцюжок з більш ніж трьох послідовних нулів. Це кодування використовує менш широку частотну смугу пропущення в порівнянні з кодом Манчестер, вимагаючи збільшення швидкості передачі лише на 20 відсотків. Дана схема застосовується в FDDI.

У рамках іншої схеми 4В/8В, використовуваної в Fiber Channel і в системі IBM ESCON, 4-бітові блоки інформації кодуються в 5-бітові чи слова 8-бітові блоки - відповідно в 10-бітові слова.

3. Швидкість передачі даних і швидкість сигналу

При уважному розгляді різних кодів модуляції, представлених на рис. 3, виявляється один дуже важливий аспект. Максимуми і мінімуми сигналу можуть змінюватися частіше, ніж 1 і 0 двійкових даних. На рисунку представлені 12 бітів даних (000100110111). Однак відповідні їм коди використовують більшу кількість символів для подання цих даних. Символом є або максимум, або мінімум у коді. У коді Манчестер використовується два символи (максимум, і мінімум) для подання кожного двійкового біту. Цей код завжди використовує подвоєну кількість символів у порівнянні з числом переданих бітів.

Говорячи про швидкість системи, дуже важливо розуміти різницю між швидкістю передачі даних і швидкістю передачі сигналу. Швидкість передачі даних - це число біт даних, переданих за одну секунду. Система, наприклад, може працювати зі швидкістю 10 Мб/сек (мегабіт у секунду). Швидкість сигналу - це число символів, переданих за одну секунду, - виражається в бодах. Швидкість сигналу (бод-швидкість) і швидкість передачі даних (біт-швидкість) можуть збігатися і не збігатися в залежності від використовуваного коду модуляції.

У коді NRZ, що використовує один символ для подання одного біту, швидкості збігаються. Швидкість у 10 Мб/сек відповідає 10 Мбодам. У коді Манчестер два символи представляють один біт, а швидкість у бодах у два рази більше швидкості в бітах. Для передачі потоку даних у 10 Мб/сек потрібна лінія зв'язку з інформаційною ємністю (швидкістю передачі сигналу) у 20 Мбод. Швидкість у бодах, чи швидкість передачі символів, є більш точним показником швидкісних характеристик системи. Дане твердження є загальним для всіх передавальних систем, у тому числі і для волоконно-оптичних.

4. Приймачі для волоконно-оптичних систем передавання

Приймач або детектор виконує протилежну функцію в порівнянні з джерелом: він перетворює оптичну енергію в електричну і є оптоелектроним перетворювачем. Існують різноманітні детектори. Найбільш відомий тип детектора - фотодіод, що виробляє струм при влученні на нього світла. У волоконній оптиці достатньо інтенсивно використовуються два види фотодіодів: pin-типу і лавинний. У даній главі будуть описані фотодіодні детектори і їхні характеристики з погляду застосування у волоконній оптиці.

4.1 Основні принципи роботи фотодіода

При переміщенні електрона з зони провідності у валентну зону в процесі електроно-діркової рекомбінації виділяється енергія. У СВД ця енергія несеться фотоном, чия довжина хвилі визначається шириною щілини між зонами. Випромінювання відбувається при пропущенні зовнішнього струму через напівпровідниковий кристал СВД.

У фотодіоді відбувається зворотний процес: світло, що падає на діод, приводить до генерації струму в зовнішньому контурі. Поглинання фотона приводить до появи збуджених електронів, що переходять з валентної зони в зону провідності. Даний процес, у результаті якого утвориться пара електрон-дірка, одержав назву внутрішнього поглинання. Ці носії струму при наявності прикладеної напруги зміщення дрейфують уздовж речовини і збуджують струм у зовнішньому контурі. У парі електрон-дірка в утворенні струму в зовнішньому ланцюзі бере участь електрон.

4.2 Фотодіоди на основі p-n переходу

Найпростішим видом фотодіода є фотодіод, схематично зображений на рис. 4. Даний вид фотодіода достатньо рідко зустрічається у волоконній оптиці. Він буде використовуватися як основа для розгляду принципу роботи напівпровідникового фотодіода.

Рисунок 4 - Принцип дії p-n фотодіоду

Інші пристрої - pin- і лавинний фотодіоди - були розроблені з урахуванням недоліків фотодіода.

Даний тип фотодіода є простим пристроєм. Коли до нього прикладена напруга зі зворотним знаком (негативна клема батареї підключена до ділянки провідника - типу), через нього починає текти слабкий струм. Прикладене електричне поле створює збіднений простір по обох сторони переходу. Носії струму - електрони і дірки - ідуть з області переходу. Іншими словами, електрони зміщаються до негативної ділянки напівпровідника (позитивному контакту батареї), а дірки рухаються в напрямку до позитивної ділянки (негативної) контакту батареї). Збіднена зона не має вільних носіїв, по цьому її опір дуже великий, і практично все спадання напруги приходиться на зону контакту. У результаті електричні сили дуже великі в області контакту і дуже малі в інших областях.

При поглинанні падаючого фотона зв'язаному електрону передається достатньо кількість енергії для переходу з валентної зони в зону провідності, при цьому утворюється пара: вільний електрон - дірка. Якщо це відбувається в збідненій зоні контакту, носії швидко розділяються і зміщаються в протилежних напрямках. Цей зсув збуджує рух електронів і в зовнішньому контурі. Коли носії досягають границі збідненої зони, де електричні полючи стають малими, те їхній рух, а отже, і струм у зовнішньому контурі припиняються.

Якщо генерація електронно-діркової пари відбувається поза збідненою зоною, носії починають повільний зсув у її сторону. Багато носіїв рекомбінують перше ніж досягають збідненої зони. Ті з них, що досягають збідненої зони, швидко проходять її під дією сильного електричного поля, збуджуючи при цьому струм у зовнішньому контурі. Даний струм виникає зі зміною у часі в порівняно з поглинанням фотона. Зміна в часі визначається первісним повільним рухом носіїв у напрямку до збідненої зони. У даному випадку струм може виникнути уже після відключення ініціюючого світла. Запізнілий струм називається повільним відгуком.

Дві характеристики -фотодіодів обмежують їхнє застосування в більшості волоконно-оптичних додатків. По-перше, збіднена зона складає достатньо малу частину всього обсягу діода, і велика частина поглинених фотонів не призводить до генерації струму в зовнішньому контурі. Виникаючі при цьому електрони і дірки рекомбінують по дорозі до області сильного поля. Для генерації струму достатньої сили потрібно могутнє світлове джерело. По-друге, наявність повільного відгуку, обумовленого повільною дифузією, сповільнює роботу діода, роблячи його непридатним для використання у середньо- і високошвидкісних системах застосувань. Це дозволяє використовувати діод тільки в кілогерцовому діапазоні.

4.3 Р-i-n фотодіоди

Структура pin-фотодіоду спроектована так, щоб уникнути недоліків фотодіода -типу. Ця структура представлена на рис. 5. Розподіл електричного поля в залежності від довжини діоду представлені на рис. 5. Збіднена зона зроблена максимально широкою. Слаболегований проміжний шар розділяє більш сильно леговані шари n- і р- типу. Проміжний шар легований у таким, що не відноситься ні до напівпровідників -типу з електронним видом провідності, ні до напівпровідників -типу з діркової провідністю. Назва даного типу діодів відбувається зі скорочення назв складових його шарів: р - positive (позитивний), і - intrinsic (внутрішній), n - negative (негативний) - pin.

Оскільки внутрішній шар не містить вільних носіїв заряду, то електричні сили в ньому будуть значними. При цьому утворюється збіднена зона, порівняна по ширині з розміром діода. Принципового розходження в роботі діода pin-типу і діода pn-типу не існує. Широкий внутрішній шар приводить до більшої ефективності поглинання фотонів всередині збідненої зони. У результаті падаючі фотони збуджують струм у зовнішньому контурі більш ефективно і з меншим запізнюванням. Носії, що утворяться усередині збідненої зони, миттєво зрушуються в сильному електричному полі до відповідно р- і -n- областей діоду.

Існує деякий оптимум розміру внутрішнього шару. Для більш ефективного протікання процесу перетворення падаючих фотонів у носії заряду потрібно мати по можливості більш широкий внутрішній шар. З іншого боку, швидкість спрацьовування діода зменшується з ростом ширини того шару, оскільки при цьому збільшується час зсуву носіїв до країв збідненої зони. У пристрої діода враховується баланс цих двох конфліктуючих факторів для досягнення більшої ефективності з максимальною швидкістю.

Рисунок 5 - Принцип дії ріn-фотодіода

4.4 Лавинні фотодіоди (APD)

У діодах pin-типу кожен поглинений фотон в ідеалі призводить до утворення однієї електронно-діркової пари, що у свою чергу приводить до порушення струму у виді зсуву одного електрона в зовнішньому контурі. У цьому даний тип фотодіода схожий на СВД. В основі обох лежить співвідношення один до одного між фотонами, носіями заряду і струмом. Продовжуючи порівняння, можна сказати, що лавинний фотодіод схожий на лазер, у якому співвідношення один до одного не виконується. У лазері невелика первісна кількість носіїв призводить до появи великого числа фотонів. У лавинному фотодіоді (APD) декілька падаючих фотонів призводять до появи великого числа носіїв і до істотного струму в зовнішньому контурі.

На рис. 6 представлена структура APD, що відрізняється наявністю дуже сильного електричного поля (область 1) в деякій частині збідненої зони, які наведені на рис. 6. Первісні носії - вільні електрони і дірки, що з'являються після поглинання світла, - під дією цього поля прискорюються, здобуваючи декілька електрон-вольт кінетичної енергії (область 2). При зіткненні швидких носіїв з нейтральними атомами відбувається передача частини кінетичної енергії електронам валентної зони і переміщення цих електронів у зону провідності. У результаті з'являються вільні електрони і дірки. Носії, на виникаючі в такий спосіб відміну від первісних, називаються вторинними.

Даний процес створення вторинних носіїв називається ударною іонізацією. Первісні носії породжують декілька вторинних носіїв, що у свою чергу, прискорившись в електричному полі, породжують нові носії. Процес у цілому називається фотомультиплексією і являє собою деяку форму посилення.

Рисунок 6 - Лавинні фотодіоди

Число електронів, що протікають у зовнішньому контурі в результаті поглинання одного фотона, залежить від APD-фактора мультиплексії. Типове значення фактора мультиплексії знаходиться в діапазоні від декількох десятків до декількох сотень. При значенні фактора мультиплексії 70 у середньому 70 електронів протікають у зовнішньому контурі після поглинання діодом одного фотона. Вираження "у середньому" дуже важливо. Фактор мультиплексії є статистичною величиною, про яку можна говорити тільки в змісті середнього значення. У кожнім конкретному випадку один первинний електрон може породити як більший, так і менший струм у зовнішньому контурі.

Наприклад, у APD з фактором мультиплексів 70 деякий первинний носій може породити як 67 вторинних носіїв, так і 76 вторинних носіїв. Такого роду варіації є причиною виникнення шуму, що лімітує межу чутливості детектора, що працює на основі APD. Більш докладно проблема шумів буде обговорена нижче.

Фактор мультиплексів залежить від прикладеної напруги. Через необхідність сильного прискорення первинних носіїв потрібно додаток достатньо високого (у ряді випадків у декілька сотень вольтів) напруги, що забезпечує появу зони сильного поля. При низьких напругах APD працює подібно діоду pin-типу без посилення.

Існує граничне значення напруги для ініціювання лавинного процесу ударної іонізації. Вище порога по напрузі APD буде генерувати струм без наявності оптичної потужності. Самої напруги при цьому достатньо для ініціювання ударної іонізації.

Достатньо часто APD використовують у режимі, коли прикладена напруга трохи нижче граничної. Тоді навіть незначна оптична потужність призведе до миттєвого реагування і помітного вихідному сигналу. До недоліків APD можна віднести те, що шумовий струм (струм, що виникає в результаті генерації пари носіїв під час відсутності світла) росте при збільшенні прикладеної напруги і, крім того, висока напруга вимагає спеціального високовольтного живлення.