Приемники излучения: типы, основные характеристики. Приемный оптический модуль

Приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) являются важными элементами волоконно-оптической системы. Их функция - преобразование оптического сигнала, принятого из волокна, в электрический. Последний обрабатывается далее электронными устройствами.

Основными функциональными элементами ПРОМ являются:

− фотоприемник, преобразующий полученный оптический сигнал в электрическую форму;

− каскад электрических усилителей, усиливающих сигнал и преобразующих его в форму, пригодную к обработке;

− демодулятор, воспроизводящий первоначальную форму сигнала.

Основным элементом ПРОМ является фотоприемник, изготавливаемый обычно из полупроводникового материала. В основе работы фотоприемника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар) При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых в полупроводнике электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда. Для этого используется конструкция с р-n переходом, которая называется фотодиодом. Из фотоприемников, применяемых ВОЛС, получили распространение p-i-n фотодиоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы.

. Примерная топологическая схема pin-фотодиода включает в себя:

-тонкий слой 1 ПП p -типа с концентрацией основных носителей (дырок) p _p⁺ на несколько порядков выше, чем у обычного материала;

-слой 2 ПП n -типа с концентрацией основных носителей (электронов) n _n^- на несколько порядков ниже, чем у обычного материала (обедненный слой). По своим свойствам он близок к собственному ПП i- типа;

-слой 3 ПП p -типа с концентрацией основных носителей (дырок) n _n⁺ на несколько порядков выше, чем у обычного материала;

-изолирующий слой 4 и отрицательный контакт 5, обеспечивающий подачу отрицательного потенциала на ПП слоя 1;

-просветляющее покрытие 6, нанесенное на внешнюю поверхность слоя 1;

-положительный контакт 7, нанесенный на внешнюю поверхность слоя 3.

Оптическое излучение проникает внутрь ФД через просветляющее покрытие 6 и область 1. Здесь поглощения фотонов практически не происходит, поскольку за счет высокой концентрации основных носителей (дырок) в слое 1 все верхние энергетические уровни валентной зоны лишены e - фотон не может перевести e в зону проводимости и создать ер -пару.

В области 2 фотоны эффективно поглощаются за счет того, что верхние энергетические уровни валентной зоны практически полностью заселены e. Это обусловлено малым значением концентрации основных носителей.

Как правило, ФД подключается ко входу усилителя фототока. Быстродействие всего фотоприемника в целом определяется электрическими параметрами ФД. Созданные за счет поглощения фотонов носители тока, двигаясь к внешним контактам 5 и 7, накапливаются на краях области 2, поскольку за ее пределами ускоряющее поле практически отсутствует (рис.2.б). С точки зрения теории цепей ФД может быть представлен эквивалентной схемой, в которой этот процесс учитывается введением емкости перехода С_д. Она шунтирует активное сопротивление перехода R_д (рис.2.в) и, в конечном итоге, определяет быстродействие фотоприемника.

Рассмотренный pin - фотодиод работает при напряжениях смещения: 0 £ U_см £ U_пр.

Величина U_пр определяет значение напряжения смещения на ФД, при котором начинается пробой pn - перехода. В ЛФД величина U_см ³ U_пр так, что переход работает в режиме лавинного пробоя. Структура материалов, образующих ЛФД, его топологическая схема и технология изготовления обеспечивают работоспособность устройства в таком режиме.

В отличие от pin - фотодиода у ЛФД поглощение фотона приводит к появлению не одной, а М ер пар. Это происходит за счет того, что созданные за счет поглощения фотона первичные e и p разгоняются ускоряющим полем до скорости, достаточной для возбуждения соседних атомов в кристаллической решетке. Можно сказать, что первичные e и p порождают лавинообразный процесс. Величина М имеет порядок 10 - 100 и называется коэффициентом электронного размножения.

Конструктивно ЛФД существенно сложнее рin - ФД. Кроме того, для создания условий лавинообразного размножения носителей требуется существенно увеличивать размеры обедненной области. Это приводит к снижению быстродействия ЛФД по сравнению с pin - фотодиодом. Проигрывает ЛФД и по шумовым характеристикам. Это объясняется тем, что процесс образования лавины носит случайный характер и является дополнительным источником шума.

Важными характеристиками ФД являются:

Спектральная чувствительность ФД - это рабочий диапазон длин волн, в котором квантовая эффективность составляет не менее 80%.

Квантовая эффективность - η (безразмерная величина) определяется как η=N_e/N_ph, где N_ph - количество фотонов, падающих за единицу времени на приемник, a N_e - количество рожденных в результате этого свободных электронов (или электронно-дырочных пар). Квантовая эффективность для p-i-n фотодиодов не может быть больше 1 (100

. Темновой ток - ток, протекающий через pn-переход при отсутствии оптической мощности. Величина его является важным параметром ФД, поскольку, темновой ток I_т определяет значительную долю шумов оптического тракта. Типовое значение темнового тока ФД составляет I_т = (10^-9 -10^-7 ) А. На величину темнового тока влияет температура, с её ростом темновой ток растёт.

Токовая чувствительность (чувствительность, крутизна ватт-амперной характеристики)-коэф-т пропорциональности между оптической мощностью, падающей на фоточувсивительную площадку фотодиода Р и фототоком, протекающем через ФД I_ф называется. Ее численное значение м/б опр-но следующим образом: S=I_ф/P (А /Вт)., где I- фототок, P- полная оптическая мощность излучения на длина волны лямда, падающего на фоточувствительную площадку. Токовая чувствительность характеризует фотоприемник при низких частотах модуляции.

Быстродействие фотодиода (время отклика)- определяется максимальным из времени нарастания и времени спада электрического сигнала. Нарастания - это время, необходимое для увеличения мощности электрического сигнала от 0,1 до 0,9 от макс. значения. Время спада- это время, за которое мощность электрического сигнала падает от 0,9 до 0,1 от макс. значения.

Эквивалентная мощность шума Рn(Вт) - это одна из наиболее важных характеристик, учитывающих шумовые свойства фотоприемников. Она определяет минимальную мощность оптического сигнала на входе фотоприемника, при которой отношение сигнал/шум равно единице, и вычисляются по формуле Рn=In/Sph, где In- полный шумовой ток. По определению, эквивалентная мощность шума пропорциональна квадратному корню из полосы

На рис.3. показана обобщенная схема фотоприемника, включающая и усилитель опт-го сигнала.

Постоянная времени t = R₁ С₁ определяет быстродействие всего фотоприемника в целом. Ясно, что для уменьшения запаздывания велечины R₁ и С₁ следует уменьшать. Но снижение ограничено технологическими трудностями. Типичное значение составляет единицы пикофарад.

На рис 6.а показаны ВАХ ФД в области отрицательного смещения pn перехода. Здесь изображены три ветви характеристики, соответствующие различным значениям опт-кой мощность на фоточувствительной площадке. Следует отметить, что даже при отсутствии опт-кой мощности (Р = 0 на рис. 6.а), ток через ФД не исчезает полностью. Этот ток называется темновым и обычно имеет значение I_т=(10^-9 -10^-7 ) А.

При увеличении опт-кой мощности Р фототок I_ф через ФД увеличивается за счет рождающихся e-p пар. При этом, как правило, величина фототока оказывается прямопропорциональной величине опт-кой мощности (рис. 6б). Коэффициент пропорциональности между Р и I_ф называется токовой чувствительностью ФД (S).

Главная функция фотоприемника - это как можно более точное воспроизведение оптического сигнала, получаемого из волокна.

где ФП - фотоприемник;

Пред.УС- предварительный усилитель;

УПР - узел принятия решения, определяет что пришло: 0 или 1;

Усилит.- усилитель;

ФФ- фильтр формы, восстанавливает форму сигнала тем самым увеличивая отношение сигнал/шум;

Таймер – подавление ресинхронизации сигнала, эта функция необходима в ПРОМ, т.к. по мере передачи и регистрации сигнала случайные временные ошибки могут накапливаться и достичь уровня сравнимого с длительностью самого импульса.