Построение оптических приемников

3.4.1.  Детекторы оптического сигнала и их основные параметры

Оптический  приемник  предназначен  для  преобразования  принимаемых  оптических импульсов в последовательность электрических видеоимпульсов с заданными параметрами. В  состав  ОПМ  входят  следующие  устройства,  выполненные  в  едином  конструктивном исполнении:

–    детектор принимаемого оптического сигнала, или фотодетектор;

–    электронные    устройства    обработки    полученных    на    выходе     фотодетектора электрических сигналов и устройства стабилизации режимов работы каскадов ОПМ;

–    оптический соединитель, или устройство сочленения ООВ с фотодетектором.

Основным элементом ОПМ является детектор принимаемого оптического  излучения. Он  представляет  собой  устройство,  чувствительное  к  слабым  принимаемым  оптическим сигналам. Фотодетектор должен удовлетворять следующим требованиям:

1)иметь максимальные чувствительность и быстродействие на заданной  длине  волны принимаемого оптического излучения;

2)вносить минимальные шумы в полученный электрический сигнал; 3)обладать высокой временной и температурной стабильностью параметров;

4)иметь линейную характеристику преобразования в широком динамическом диапазоне поступающего оптического сигнала;

5)отличаться  высокой  надежностью,  иметь  большой  срок  службы,  малые  размеры,

стоимость и энергопотребление.

Этим требованиям наиболее полно  удовлетворяют полупроводниковые  структуры, а именно  pin-фотодиоды  (PIN-ФД)  и  лавинные  фотодиоды  (ЛФД),  которые  в  настоящее время  применяются  в  ОПМ  систем  передачи  SDH.  Принцип  действия  фотодиода  (ФД) основан на внутреннем фотоэффекте, для PIN-ФД он показан на рис. 3.26, а.

Рис. 3.26

Падающие кванты энергии фотонов (энергия фотона Еф = hf = /λ) через тонкий р-слой проникают  в  i-область,  где  создают  пары  свободных  носителей  зарядов  (электронов  и дырок).  Под  действием  постоянного  электрического  поля,   создаваемого  специальным источником напряжения обратного смещения Uсм, носители зарядов двигаются во встречных направлениях. В результате через  сопротивление нагрузки Rн  протекает возникающий на выходе  PIN-ФД  фототок  Iф,  который  и  является  результатом  преобразования  принятого потока    фотонов    в    электрический   сигнал.   Ток   Iф     пропорционален    интенсивности принимаемого оптического излучения, но для PIN-ФД фототок очень мал – это  основной недостаток таких ФД.

Если величина Iф не достаточна для последующей его обработки, то в ОПМ в качестве фотодетектора   применяется   ЛФД.   В   нем   при   той   же   интенсивности   принимаемого оптического сигнала, используя механизм лавинного усиления,  удается получить больший фототок, чем его значение на выходе PIN-ФД.

Суть лавинного усиления состоит в следующем. В устройство PIN-ФД  вводится еще один  р-слой.  В  результате  появляется  дополнительный   pn-переход,  как  показано  на рис. 3.26, б.

Этот  переход  находится  под  воздействием  сильного  электрического  поля  за  счет высоковольтного источника напряжения обратного смещения. Основная часть фотонов при этом, как и в PIN-ФД, поглощается в i-слое,  порождая первичные носители зарядов. Эти заряды, проходя через дополнительный pn-переход, где внешнее электрическое поле велико, сильно  ускоряются. За счет механизма ударной ионизации ускоренные носители  создают новые носители, которые в свою очередь создают дополнительные носители зарядов и т. д. В результате в ЛФД получается усиление фототока (образуется лавина носителей зарядов).

Фотодиоды характеризуются следующими основными параметрами:

1.      Квантовая    эффективность.    В    идеальном    фотодиоде    все    падающие    на чувствительную площадку ФД фотоны поглощаются в обедненном слое и все рождающиеся носители зарядов собираются на контактах полупроводника. Квантовый выход ФД в таком случае  равен  единице.  На  практике,  конечно,  часть  падающих  фотонов  отражается  от чувствительной   площадки   ФД,   а   оставшиеся   фотоны   не   полностью   поглощаются   в обедненном слое, т. е. не все падающие на ФД фотоны принимаемого оптического сигнала вызывают появление основных носителей заряда и протекание фототока в цепи нагрузки.

Отношение числа носителей заряда, возникающих в ФД, к полному числу падающих на него  фотонов,  называется  эффективностью  оптоэлектронного  преобразования  (η),  или квантовой эффективностью ФД. Для повышения квантовой эффективности необходимо:

а)  уменьшить число отраженных от чувствительной площадки ФД фотонов;

б)  увеличить число поглощаемых фотонов внутри обедненного слоя;

в)  предотвратить преждевременную рекомбинациию носителей.

Число   носителей   заряда   N   определяется   отношением   принимаемой   оптической мощности Рф к энергии кванта Еф, т. е.

N= Рфλ/hс.

Если q – заряд носителя (электрона), то фототок Iф = qN, или

Iф = qλРф/.

С учетом квантовой эффективности η выражение для фототока будет иметь вид:

Iф = ηqλРф/hс.

2.      Чувствительность ФД – это отношение фототока, протекающего через нагрузку, к полной принимаемой оптической мощности потока  фотонов: S = Iф/Рф. Чувствительность является основным параметром ФД. С учетом приведенного выше выражения для фототока, получим:

S = ηqλ/hс.

Отсюда   следует,   что   чувствительность   ФД   тем   выше,   чем   больше   квантовая эффективность,  т.  е.  чем  большая  доля  принимаемого  потока   фотонов  поглощается  в активной  зоне  ФД.  Чувствительность  зависит   также   от  материала  ФД,  длины  волны принимаемого оптического сигнала,  приложенного напряжения смещения и температуры ФД.

Зависимости относительной чувствительности ФД из различных  полупроводниковых материалов  от  длины  волны  оптического  сигнала  приведены  на  рис.  3.27.  Из  рисунка следует, что ФД из арсенида галлия (GaAs) имеет максимальную чувствительность на длине волны λ = 0,75 мкм, из кремния (Si) – на λ = 1,2 мкм, из германия (Ge) – на λ = 1,6 мкм.

Зависимости чувствительности S = φ(t°С, Uсм) Для ЛФД приведены на  рис. 3.28. Из представленных  графиков  следует,  что  при  одинаковом  Uсм    повышение  температуры приводит  к  резкому  снижению  чувствительности   ЛФД  –  это  серьезный,  главный  их недостаток. Чтобы обеспечить стабильность чувствительности при изменении температуры

ЛФД,  вводят  автоподстройку   источника  высоковольтного  напряжения   смещения,   что усложняет ОПМ и снижает надежность его работы. Правда, это  возмещается повышением чувствительности  в  М  раз,  которой  обладает  ЛФД,   где   М  –  коэффициент  лавинного умножения фототока: Sлфд  = SфдМ. Обычно ЛФД  используют для достижения предельной чувствительности при слабой мощности принимаемых оптических сигналов.

Рис. 3.27

Рис. 3.28

Практически  в  зависимости  от  используемой  длины  волны  λ  и  скорости  передачи оптического ЦЛС чувствительность ЛФД находится в пределах минус 45… минус 60 дБ, а PIN-ФД в пределах минус 35…минус 45 дБ.

3.      Энергетическая характеристика Iф  = ф  указывает на  непосредственную связь между фототоком в нагрузке ФД и мощностью принимаемого потока фотонов, падающих на чувствительную  площадку  ФД.   Анализ  выражения  для  чувствительности  Sф   =  ηqλ/позволяет заключить,  что энергетическая характеристика является линейной, т. е. ток Iф  в нагрузке – линейная функция мощности падающего на чувствительную площадку ФД потока фотонов. Энергетическая характеристика представлена на рис. 3.29. В  современных ФД ее линейность обеспечивается при изменении мощности оптического потока в пределах шести порядков,  т.  е.  10lg(Рф  mах/Рф  min)  ≤  60  дБ.  Когда мощность  принимаемого  оптического излучения  Рф   падает  на  ФД,   он  генерирует  определенный  средний  ток  Iф.  Этот  ток пропорционален    мощности    Рф,    где    коэффициентом    пропорциональности    является чувствительность S.

4.      Шумы фотодетекторов. Предельная чувствительность ФД определяется наличием хаотических флуктуации тока Iф на его выходе, которые вызваны шумами. Задача обработки сигналов  в  ОПМ  является  классической:  обнаружить  ток  Iф,  вызванный  на  выходе  ФД приемом  оптических  сигналов,  в  условиях  хаотических  шумов,  которые  имеются  как  в присутствии оптического сигнала, так и без него.

Рис 3.29

Рассмотрим кратко источники шумов, присущие собственно фотодетектору. К шумам, возникающим   в   ФД   и   вызывающим   соответствующие   токи,   относятся:   квантовый (фотонный) шум – Iкв, темновой шум – Iтем, фоновый шум – Iфон, тепловой шум – Iтеп, шум утечки – Iут. Из анализа указанных источников шума следует, что какой-то минимальный ток течет через ФД и Rн  даже в отсутствие оптического сигнала. В связи с  этим существенна статистическая природа квантового процесса детектирования оптических сигналов.

Фототок на выходе ФД содержит в себе составляющую квантового (фотонного) шума, природа которого заключается в случайности характера квантового преобразования фотон – фотоэлектрон (фотоэлектрон –  одноэлектронный импульс тока). Для увеличения мощности фотонов в ЛФД  происходит умножение числа зарядов в импульсе с помощью вторичной эмиссии. Это позволяет повысить уровень сигнала относительно уровня  шумов  в нагрузке фотодетектора.   Однако   усиление   (лавинное   умножение)   допустимо   до   определенных пределов,  когда  значительными  становятся  дробовые  шумы,  обусловленные  процессом квантового  преобразования.  Здесь,  как  и  в  других  источниках  шума,  средний  квадрат флуктуации  тока  растет  прямо  пропорционально  ширине  полосы  частот  Δf, в  пределах которой    наблюдаются    флуктуации.    Это    обстоятельство    позволяет    характеризовать источники шума значением среднего квадрата амплитуды тока на единицу полосы частот Δf. Обычно этот параметр называют  среднеквадратической спектральной плотностью шума. Тогда при использовании ЛФД спектральная плотность избыточного квантового шума из-за лавинного умножения будет определяться выражением [29]:

I 2   = 2qM

Fш Iф  ,

где  Fш   –  коэффициент  шума  (шум-фактор);  Iф

носителей заряда.

–    среднее  значение  фототока  первичных

Значение шум-фактора Fш и его зависимость от коэффициента лавинного умножения М имеют большое значение для работы ОПМ, в которых в  качестве детекторов используют ЛФД. Практически используется аппроксимация Fш ≈ Mх. В зависимости от материала ЛФД и типа носителей зарядов, вызывающих лавину, типичные значения показателя х находятся в пределах 0,2…1,0. При использовании «хорошего» ЛФД с параметрами М=  100 и Fш  = 6 квантовый шум становится доминирующим. Для PIN-ФД М = 1,  Fш  = 1 и квантовый шум

незначителен, его спектральная плотность определяется выражением 2qIф  .

Если  спектральная  плотность  шума  не  зависит  от  частоты,  как  в  рассматриваемом случае, то говорят, что шум «белый». Особенностью ФД  является то, что шумовой ток Iкв сопутствующий. Он существует только при наличии оптического сигнала и если оптический сигнал на входе ФД отсутствует, то нет и тока Iкв на выходе ФД.

Для темнового тока Iтем существуют две составляющие даже в том случае, когда на вход ФД не поступает  оптический сигнал и ФД находится в затемненном  состоянии – это ток утечки Iут и тепловой ток Iтеп. Ток утечки (поверхностный ток) возникает под воздействием электрического поля источника напряжения смещения.  Он проходит главным образом по поверхности  ФД  и  зависит  от  геометрии   прибора.  Ток  Iут    определяется  технологией производства фотодетекторов. Он  может быть уменьшен до минимума путем тщательной обработки   и   пассивированием   поверхности   ФД   с   целью   уменьшения   концентрации примесных ионов.

Коротко о токе Iтеп. Всякий элемент электронной цепи, рассеивающий энергию, вносит шум. Следовательно, в сопротивлении нагрузки Rн  на выходе ФД возникает тепловой шум (шум Джонсона), обусловленный случайным тепловым  движением  носителей заряда. Это движение  вызывает  флуктуации  тока  в  резисторе.   Среднеквадратическая  спектральная плотность флуктуации тока в резисторе Rн определяется известным выражением:

I2теп = 4kT/Rн,

где k = 1,38 • 10-23 – постоянная Больцмана, Дж/К; Т – абсолютная температура резистора Rн.

Очевидно, что тепловой шум – это «белый» шум.

Фотодиод  постоянно   находится  под   воздействием  падающего   на  него   фонового излучения, которое вызывает фоновый шум и соответствующий ему ток  Iфон. Этот ток на несколько  порядков  меньше  рассмотренных  выше  других  шумовых  токов  (им  обычно пренебрегают).

Эквивалентная мощность шума ФД [Вт/Гц] определяется как оптическая мощность на конкретной     длине     волны     оптического     сигнала,     необходимая     для     получения среднеквадратического  значения  шумового  тока  в  единичной  полосе  частот  Δf =  1  Гц. Примеры  расчета  значений  спектральной  плотности  мощности  составляющих  шума  для ЛФД приведены в табл. 3.7.

Спектральная плотность мощности шума, Вт/Гц

Длина волны, мкм

1,3

1,55

Квантовый шум

1,3 • 10-19

1,07 • 10-17

Тепловой шум

9,97 • 10-25

9,97 • 10-25

Темновой шум

1,6 • 10-26

1,6 • 10-26

Шум тока утечки

3,2 • 10-24

3,2 • 10-24

Фоновый шум

4,1 • 10-29

4,1 • 10-29

Суммарный шум

1,3 • 10-19

1,07 • 10-17

Они показывают,  что при  использовании ЛФД преобладающим является  квантовый шум. Из таблицы следует также, что спектральная плотность мощности шума, приведенного к выходу фотодетектора, с высокой точностью может считаться распределенной равномерно. Кроме рассмотренных выше, к важным параметрам ФД относятся:

–    ёмкость ФД, которая может иметь значение от десятых долей до нескольких единиц пикофарад;

–    максимально допустимое напряжение смещения;

–    темновой ток Iтем, который всегда указывается в паспортных данных ЛФД;

–    ток  утечки  Iут,  проходящий  через  ФД  при  полном  его  затемнении  и  заданном

напряжении смещения.

Источник: Хмелёв К. Ф. Основы SDH: Монография. – К.: ІВЦ «Видавництво «Полігехніка»», 2003.-584 с.:ил.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100