Лекция 5. Конспект лекций

### Лекция 5. Модули приёма оптических сигналов

5.1. Определение фотодетектора. Виды фотодетекторов. Требования к фотодетекторам
5.2. Фотодиоды конструкции p-i-n. Принцип действия, основные характеристики
5.3. Лавинный фотодиод. Конструкция, принцип действия, основные характеристики. Преимущества ЛФД
5.4. Фотодиоды конструкции TWP (Travelling-wave Photodetector)
5.5. Шумы фотодиодов. Эквивалентная шумовая схема фотодиода
5.6. Селективный фотодетектор
5.7. Фотоприёмные устройства
5.7.1 Методы фотодетектирования (прямое детектирование и детектирование с преобразованием). Требования к фотоприёмным устройствам
5.7.2 Фотоприёмное устройство с прямым детектированием
5.7.3 Фотоприёмные устройства детектирования с преобразованием
5.7.4 Усилители фотоприёмных устройств. Электрическая и оптическая полоса пропускания
5.7.5 Особенности построения фотоприёмных устройств при использовании фазовой модуляции

### 5.1. Определение фотодетектора. Виды фотодетекторов. Требования к фотодетекторам

Фотодетектором (фотоприёмником) называют устройство, преобразующее оптическую энергию в электрическую.

В фотодетекторах используются два фотоэффекта: фотогальванический и фотопроводимости.

Приборы на основе фотогальванического эффекта: фотодиоды, фототранзисторы, солнечные элементы.

Эффект фотопроводимости используется в фоторезисторах.

К фотодетекторам оптических систем связи предъявляются следующие требования:

- высокая чувствительность;

- требуемые спектральные характеристики и ширина полосы частот сигнала;

- низкий уровень шумов;

- требуемое быстродействие;

- длительный срок службы;

- использование в интегральных схемах совместно с оптическими усилителями.

В большой степени этим требованиям отвечают фотодиоды.

Фотодиод – прибор, электрические свойства которого изменяются под действием падающего на него излучения.

В технике оптической связи наибольшее применение получили p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД). Перспективными приборами для высокоскоростных систем являются фотодиоды бегущей волны TWP (Travelling-Wave Photodetectors), используемые на скорости от 10Гбит/с до 160Гбит/с и выше. В этих приборах, фотодетектирование сочетается с оптическим усилением в полупроводниковом оптическом усилителе.

### 5.2. Фотодиоды конструкции p-i-n. Принцип действия, основные характеристик

Фотодиоды p-i-n отличаются простотой конструкции, высокой надежностью, низкой стоимостью.

Пример конструкции p-i-n фотодиода приведен на рис. 5.1.

В p-i-n фотодиоде между областями с проводимостями р+ (база) и n+ (коллектор) расположен слой i (слой поглощения фотонов) собственной проводимости полупроводника (i – intrinsic). Фотоны вводятся в детектор через окно, имеющее тонкий слой просветляющего покрытия (толщина около λ/4) с показателем преломления , согласующим разные среды – стекловолокно (nОВ ≈1,46) и полупроводник (nПП ≈3,5). В базе и коллекторе повышена концентрация носителей зарядов. В слое поглощения может создаваться некоторый примесный фон электронов или дырок.

Рисунок 5.1 Конструкция p-i-n фотодиода

В основе работы фотодиода лежит обратно смещенный p - n переход. При нулевом смещении (ЕСМ = 0) ток дрейфа, протекающий через переход, сбалансирован противоположными токами из-за диффузии основных носителей. При ЕСМ = 0 диффузия прекращается. Фототок возникает при освещении i – слоя излучением определённой длины волны. При этом образуются пары "электрон – дырка". На них воздействует поле, созданное источником ЕСМ и сосредоточенное в i – слое. Это поле заставляет дрейфовать электроны и дырки. Создается фототок дрейфа

где е – заряд электрона (1,6 × 10 -19 Кл), N – число электронов, прошедших из валентной зоны в зону проводимости. Однако, не все фотоны вызывают образование пар "электрон – дырка". По этой причине вводится понятие квантовой эффективности:

- соотношение числа электронов и фотонов в фотодетекторе.

Величина фототока определяется

Учитывая, что число фотонов зависит от мощности излучения

величина фототока может быть представлена

где h – постоянная Планка, С – скорость света, λ - длина волны излучения.

Чувствительность фотодиода оценивается

Для фотодиодов характерна спектральная чувствительность за пределами длины волны

На рис. 5.2 приведены характеристики спектральной чувствительности фотодиодов на основе кремния Si и германия Ge.

Завалы спектральной характеристики обусловлены длинноволновой границей чувствительности и шунтирующим действием емкости запертого pn перехода на высоких частотах, когда из-за высокой энергии фотоны не успевают взаимодействовать атомом материала.

Полоса детектируемых частот фотодетектора оценивается на уровне 0,707 от максимальной чувствительности.

Эквивалентная электрическая схема фотодиода позволяет оценивать частотные свойства фотодетектора для электрических сигналов (рис. 5.3), где Rg внутреннее сопротивление фотодиода, Сg электрическая ёмкость фотодиода, Rв, Lв, Cв паразитные сопротивление, индуктивность и ёмкость электрических контактных выводов.

Рисунок 5.2 Спектральная чувствительность фотодиодов

Рисунок 5.3 Эквивалентная электрическая схема фотодиода

На вольт-амперной характеристике фотодиода можно увидеть предельное значение ЕСМ (т.е. Епроб) и величину темнового тока, протекающего через прибор при отсутствии освещения (рис. 5.4).

Темновой ток чаще всего обусловлен поверхностным током утечки. Он сильно зависит от температуры.

Быстродействие фотодиода зависит от времени нарастания фототока при воздействии на фотодиод импульса оптической мощности (рис. 5.5).

Величина τб определяется временем дрейфа носителей через i-область. Поэтому для увеличения быстродействия желательно уменьшить толщину i – слоя для электрического тока и сохранять толщину для светового потока. Это реализовано в конструкции фотодиода в форме "мезы" – горы.

Рисунок 5.4 Вольт-амперная характеристика фотодиода

Рисунок 5.5 Характеристика быстродействия

Электрическая схема включения фотодиода приведена на рис. 5.6.

Рисунок 5.6 Схема включения p-i-n фотодиода

напряжение смещения Есм (до 30 В) со входа малошумящего усилителя.

Динамический диапазон входных оптических мощностей для схемы фотодиода с усилителем может достигать 60 дБ.

### 5.3. Лавинный фотодиод. Конструкция, принцип действия, основные характеристики. Преимущества ЛФД

В лавинном фотодиоде достигается усиление первичного фототока за счет управляемого лавинного умножения числа носителей заряда. Этому способствует конструкция ЛФД. Лавинное умножение возникает в слое умножения (рис. 5.7). Оно достигается за счет увеличения напряжения Есм до величины, близкой к пробойному напряжению. При этом на p - n переходе устанавливается очень сильное электрическое поле (Е > 105 В/см). Эта напряженность достигается в узкой области. Высокое быстродействие прибора будет достигнуто, если основная часть фотонов поглощается в слое, где существует сильное электрическое поле. Фотоны пролетают слой умножения и не успевают взаимодействовать с кристаллами. Носители зарядов образуются в слое поглощения и дрейфуют к соответствующим потенциалам. Двигаясь в сильном поле, носители приобретают большую кинетическую энергию и, отдавая часть ее другим носителям, освобождают новые носители (электроны и дырки).

Рисунок 5.7 Конструкция ЛФД

Процесс увеличения числа носителей зарядов развивается лавинообразно и характеризуется коэффициентом

где Δ - показатель, определяемый материалом фотодиода (для Si Δ = 1,5...9), Епроб – напряжение пробоя ЛФД.

Реальная величина усиления для кремниевых ЛФД - 50...100, для германиевых ЛФД - 2...15, для арсенидгалиевых – 10...35.

Величина фототока возрастает на коэффициент G.

Аналогично происходит увеличение чувствительности.

Спектральная чувствительность ЛФД сохраняет свои свойства, аналогичные p-i-n фотодиоду. Рабочей областью ЛФД на вольт-амперной характеристике будет зона, близкая к электрическому пробою.

При этом темновой ток также будет испытывать умножение. Величина темнового тока будет складываться из умножаемой и неумножаемой составляющих

Одной из характеристик ЛФД, определяющих динамический диапазон оптических сигналов, является линейность детектирования

Реальная величина динамического диапазона ЛФД может быть около 20 дБ.

Особенностью схемы включения ЛФД является регулируемый через цепь обратной связи источник напряжения смещения (рис.5.8).

Главное достоинство ЛФД заключается в высоком коэффициенте усиления и быстродействии, что позволяет использовать приборы с GaAs основой на скоростях передачи данных до 10 Гбит/с и выше.

Недостатками ЛФД принято считать высокое напряжение смещения (до 400 В), сложность схемы управления регулируемым источником Есм и зависимость усиления от фототока.

Рисунок 5.8 Схема включения ЛФД

### 5.4. Фотодиоды конструкции TWP (Travelling-wave Photodetector)

Фотодиоды конструкции TWP разработаны в середине 90-х годов 20 века для преодоления проблемы частотного ограничения детектируемых сигналов. Проблема связана с паразитными ёмкостями и резисторами фотодиодов P-i-N и APD (рис.5.3). Разработки этих приборов особенно актуальны для систем передачи на скорости 160 Гбит/с (например, OТU-4 или Ethernet 100Гбит). Фотодиоды TWP обеспечивают эффективное детектирование оптических сигналов в полосе частот до 200ГГц, что в сравнении с приборами P-i-N и APD даёт преимущество по полосе частот в 4-5 раз. При этом сохраняется температурная стабильность и интегрируемость приборов. На рис. 5.9 и 5.10 представлены схемы прохождения оптических волн в двух типах приборов: TWPD (Travellingwave Photodetector); P-TWPD (Periodic TPWD). В этих структурах сосредоточены зоны оптического усиления и оптического поглощения (детектирования), обозначенные на рис. 5.11 и 5.12 . Также в конструкции фотодетекторов могут входить селективные оптические фильтры, которые позволяют настраивать приёмник на определённые волны.

Рисунок 5.9 Фотодиод с распределенной структурой TWPD

Рисунок 5.10 Фотодиод c периодической распределённой структурой PTWPD

Рисунок 5.11 Конструкция фотодетектора TWPD

Рисунок 5.12 Конструкция фотодетектора P-TPWD

Оптическое излучение вводится в область Waveguide, представляющую собой плоский оптический волновод. Схематичное распределение областей усиления и поглощения приведено на рис. 5.13.

Рисунок 5.13 Расположение зон оптического усиления и поглощения в
распределённых фотодетекторах бегущей волны TPWD и P-TPWD

Как видно из рис.5.13 входная оптическая мощность увеличивается усилителем до величины насыщения. Это может происходить однократно и многократно и тем можно добиваться требуемой величины фототока и быстродействия.

### 5.5. Шумы фотодиодов. Эквивалентная шумовая схема фотодиода

Шумы фотодиодов подразделяются на шумы фототока и шумы темнового тока.

Шумы темнового тока обусловлены шумом движения свободных носителей, шумом тепловой генерации пар носителей зарядов, шумом рекомбинации пар, шумом движения пар, шумом исчезновения свободных носителей, температурными изменениями.

Шум фототока (дробовый шум) обусловлен квантовыми процессами случайного возникновения пар носителей зарядов, шумом фоновой засветки, шумом отражения и поглощения в окне, шумом генерации и рекомбинации пар и т. д.

Шум фототока оценивается дисперсией среднего значения

где F(G) – шум-фактор ЛФД, Δf – полоса частот сигнала и полоса пропускания ЛФД.

Фоновый шум, возникающий при случайной засветке фотодиода, оценивается аналогично (5.12):

где – ток фоновой засветки.

Тепловой шум вызывается случайным тепловым движением электронов в нагрузке фотодетектора

где K – постоянная Больцмана, Т – температура в градусах по Кельвину, Δf – полоса частот сигнала.

Шум темнового тока обусловлен дисперсией темнового тока

Результирующее действие шумов определяется при объединении всех источников шумовых токов в виде эквивалентной схемы (рис.5.14).

При завершении раздела необходимо отметить, что к шумам приемника должны в расчетах добавляться шумы оптического передатчика.

Рисунок 5.14 Шумовая схема фотодиода

Принципиально не устранимый шум в фотодиоде это дробовый, создаваемый процессом преобразования фотонов в электронно-дырочные пары. Этот процесс случаен во времени и в пространстве прибора, и чем больше мощность детектируемого сигнала, тем больше дробовый шум. При изготовлении приборов используются материалы с наилучшими шумовыми характеристиками, например, на основе GaAs.

Выводы: свойства спектральной чувствительности, шумы фотодиодов и полоса рабочих частот определяют применение приборов в составе приёмных оптических модулей для построения систем передачи коротких, средних и протяженных линий на заданные скорости или полосы частот.

### 5.6. Селективный фотодетектор

Следующим этапом развития техники фотодетекторов стало применение в их составе селективных оптических приборов (оптических фильтров), позволяющих настраивать фотодетектор на заданные волны оптической передачи и заданный спектр оптического сигнала. Такими селективными приборами являются резонаторы F-P и брэгговские тонкоплёночные решетки, которые определённо расположены в конструкции относительно слоя поглощения фотонов. Пример упрощенной конструкции селективного p-i-n фотодетектора приведён на рис.5.15.

Рисунок 5.15 Структура селективного фотодетектора

Селективные свойства фотодетекторов позволяют уменьшить величину детектируемого оптического шума, помех от соседних оптических каналов в системах с WDM.

### 5.7. Фотоприёмные устройства

Фотоприёмное устройство (ФПУ) представляет собой сочетание фотодетектора и каскада предварительного усиления. Фотоприёмные устройства при дополнении их каскадами последующего усиления или цифровыми каскадами могут быть использованы в аналоговых и цифровых системах передачи информации. Фотоприёмные устройства входят в состав приемных оптических модулей, которые в свою очередь входят в стандартные модули SFP, XFP, CFP (Small Form-factor Pluggable, ….)

5.7.1 Методы фотодетектирования (прямое детектирование и детектирование с преобразованием). Требования к фотоприёмным устройствам

Среди методов фотодетектирования различают прямое детектирование и детектирование с преобразованием, подразделяемое на гомодинное и гетеродинное.

При прямом детектировании оптический сигнал направляется на фотодетектор и на выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал (рис. 5.16).

Рисунок 5.16 Прямое детектирование оптического сигнала

Электрический сигнал образуется в виде изменяющегося фототока, который усиливается каскадом трансимпедансного усилителя (ТИУ) с малым собственным шумом.

При детектировании с преобразованием оптический сигнал направляется на фотодетектор вместе с сигналом опорного оптического генератора (ООГ), т.е. лазера-гетеродина, который должен быть согласован с генератором – передатчиком. На выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал или сигнал радиочастоты, содержащий информационный сигнал (рис. 5.17).

Рисунок 5.17 Детектирование с преобразованием

При гомодинном детектировании частота несущей оптического сигнала совпадает с частотой лазера-гетеродина и на выходе ФПУ выделяется информационный электрический сигнал. При гетеродинном детектировании частота несущей отличается от частоты лазера-гетеродина. Разность этих частот представляет радиочастотный сигнал, модулированный информационным сигналом (рис.5.18), который затем детектируется для получения информационного сигнала.

Фотоприёмные устройства универсальны в своем применении. Они могут быть использованы в волоконно-оптических системах и открытых атмосферных системах. ФПУ должны удовлетворять ряду требований:

- ФПУ должны обеспечить требуемое качество приема сигнала при изменении мощности сигнала в большом динамическом диапазоне (до 60  70 дБ) и требуемой полосе частот;

- ФПУ должны работать длительное время в различных условиях (температурные перепады, изменения давления, влажности и т.д.);

- ФПУ должны обеспечить стыковку с мультиплексорами и оптическими линиями;

- ФПУ должны потреблять малую мощность от электропитающих устройств;

- ФПУ должны легко интегрироваться в схемы приемных модулей с одноволновой и многоволновой передачей.

Рисунок 5.18 Упрощенные схемы фотоприёмных устройств с преобразованием:
а) гомодинный, б) гетеродинный

Выполнение этих требований в полной мере не всегда возможно. При прохождении сигнала через ФПУ к нему добавляются шумы, возникают линейные и нелинейные искажения. Самый большой вклад вносят шумы фотоприёмника и входного каскада предварительного усилителя. Поэтому в дальнейшем изложении основное внимание будет уделено преобразованию сигнала во входных цепях ФПУ и устройству усилителя.

5.7.2 Фотоприёмное устройство с прямым детектированием

На рис. 5.19 представлена структурная схема ФПУ с прямым детектированием.

Рисунок 5.19 Структурная схема ФПУ с прямым детектированием
и элементами приёмного модуля

Через согласующий элемент (СЭ) оптический сигнал подается на фотодетектор (ФД). ФД преобразует оптический сигнал в электрический. ФД представляет собой ЛФД, p-i-n фотодиод и другие приборы. ФД должен иметь максимальную чувствительность на рабочей длине волны. Предварительный усилитель (ПУс) усиливает электрический сигнал. При этом обеспечивается максимальное соотношение сигнал/шум. В состав ПУс может входить противошумовой корректор (К), который срезает шумы за пределами полосы частот сигнала. Главный усилитель (ГУс) обеспечивает усиление, необходимое для работы последующих устройств, например, регенератора электрического сигнала. Фильтр-корректор (ФК) корректирует (выравнивает) амплитудную частотную характеристику линейного тракта, компенсируя искажения, вносимые линией и входной цепью ФПУ. Схема автоматической регулировки усиления (АРУ) обеспечивает требуемый динамический диапазон входных сигналов. Это достигается подстройкой коэффициента умножения ЛФД и регулировкой усилителя Гус.

ФПУ включается в качестве составной части в интегральный приемный модуль. На рис. 5.20 представлен пример такого включения в модуль PGR 60310.

Рисунок 5.20 Интегральный приемный модуль

5.7.3 Фотоприёмные устройства детектирования с преобразованием

ФПУ детектирования с преобразованием получили название когерентных устройств, работающих на принципе гетеродинирования принимаемого сигнала. В радиотехнике известен способ приема, при котором сигнал с несущей частоты переносится на удобную для обработки промежуточную частоту. Внесение энергии гетеродина (вспомогательного генератора) в преобразованный сигнал позволяет увеличить его уровень по отношению к собственным шумам приемника. В оптике гетеродинирование позволяет осуществить модовую селекцию, которая проявляется лишь на совпадающих в пространстве модах. Это устраняет фоновую засветку и снижает влияние спонтанного излучения лазера на передаче, работающего в режиме с начальным смещением в области порога генерации.

На рис. 5.21 представлена структурная схема ФПУ с преобразованием.

Рисунок 5.21 Структурная схема ФПУ с преобразованием

Излучение опорного оптического генератора (ООГ), длина волны которого идентична длине волны передаваемого сигнала (для гомодинного приема) или отличается от нее на величину промежуточной частоты для радиочастотного диапазона (гетеродинный приём), складывается с оптическим сигналом в оптическом гибридном соединителе (ОГС) и подается на вход схемы ФПУ. В ООГ используется перестраиваемый по частоте одномодовый узкополосный лазер. Перестройки опорного генератора необходимы для подстройки частоты под частоту передатчика и контроллера поляризации (УПК и АПЧ). Предварительный оптический усилитель (ПОУ) позволяет поднять уровень мощности сигналов. Между сигналом передатчика и гетеродина возникают биения, которые детектируются в ФД. С выхода ФД сигнал поступает на предварительный усилитель (ПУс) с малыми собственными шумами. На выходе сборки ФПУ появляется электрический (видеосигнал) или радиочастотный сигнал. Основное усиление сигнала происходит в главном усилителе радиочастоты или видеоусилителе. Полоса пропускания ГУс для радиочастот примерно равна удвоенной полосе частот сигнала. Дальнейшая обработка радиосигнала происходит в демодуляторе (ДМ). Электрический сигнал с выхода демодулятора может быть направлен в регенератор электрического сигнала (видеосигнала).

Смысл преобразования с гетеродинированием рассматривается на примере простейших соотношений.

Преобразуемый сигнал

где А(t) – информационный сигнал, ωс – частота оптической несущей передачи, φс - фаза оптической несущей передачи.

Сигнал гетеродина

где В – амплитуда сигнала гетеродина, ωг - частота гетеродина, φг - фаза гетеродина.

После сложения в ОГС и ПОУ результирующее колебание

где К – коэффициент усиления ПОУ.

Произведение

указывает на усиление сигнала.

Если считать, что произошла точная настройка частоты ωс = ωг, поляризации излучений и фаз φс = φг , то можно получить после фотодетектирования

что характеризует идеальный гомодинный приём в ФПУ.

В завершение необходимо отметить, что системы передачи с гомодинным когерентным детектированием получили широкое применение в магистральных сетях связи на скоростях передачи 40/100 Гбит/с при использовании сложных форматов оптической модуляции, например, PM- 16QAM. Гетеродинные методы приема имеют существенные преимущества перед прямым детектированием в оптических системах и позволяют повысить чувствительность приемников на порядок и исключить влияние собственных шумов приемников на качество принятых сигналов. Это преимущество будет использовано и в следующих поколениях волоконно- оптических систем передачи с терабитовыми и петабитовыми скоростями.

5.7.4 Усилители фотоприёмных устройств. Электрическая и оптическая полоса пропускания

В сборках фотоприёмных устройств в качестве предварительных усилителей (ПУс) применяются в основном два типа усилителей: интегрирующие и трансимпедансные.

Схема интегрирующего усилителя приведена на рис. 5.22.

Рисунок 5.22 Упрощенная схема интегрирующего усилителя ФПУ

Входная цепь интегрирующего усилителя (ИУ) выполняется с использованием затвора полевого транзистора (рис. 5.23).

Элементы входной цепи ФПУ представлены на рис. 5.22 как эквивалентные (RЭ, СЭ). Эквивалентное сопротивление определяется

где RТ – сопротивление "затвор – исток", RД - сопротивление фотодиода, R1 - сопротивление смещения фотодиода, R2 - сопротивление смещения транзистора.

Рисунок 5.23 Принципиальная схема входной цепи ФПУ с высоким сопротивлением усилителя

Эквивалентная емкость определяется:

где СД – емкость фотодиода, СТ – входная емкость транзистора, СП – паразитная емкость соединений. Разделительная емкость СР (или СР1 и СР2) во внимание не принимается, т.к. имеет очень большую величину (СР >> СЭ) и на частотных свойствах входной цепи для информационных сигналов не играют роли.

Напряжение на входе усилителя без учета СЭ

где IФ – фототок, G – коэффициент усиления фотодиода (ЛФД).

Напряжение на входе усилителя с учетом СЭ

Напряжение на выходе усилителя

где К – коэффициент усиления усилителя.

Совмещение усилителя с корректором может расширить до требуемой величину полосы пропускания входной цепи ФПУ

Такой корректор может быть включен после усилителя и обеспечить условие

Кроме того, между фотодиодом и транзистором могут быть включены дополнительные устройства противошумовой коррекции, например, катушка индуктивности Lk (рис. 5.24).

Рисунок 5.24 Схема противошумового корректора

Достоинства схемы ФПУ с интегрирующим (еще называемым высокоимпедансным) усилителем состоят в следующем:

- может быть получена благодаря коррекции любая полоса пропускания;

малые шумы;

- простота схемы для реализации;

- интегрируемость схемы фотодиода и усилителя.

Недостатки этой схемы связаны с ограниченным динамическим диапазоном сигнала и необходимостью индивидуального корректирования полосы частот усиления.

Схема трансимпедансного усилителя отличается от рассмотренной наличием отрицательной обратной связи (рис. 5.25).

На рис. 5.26 представлена принципиальная схема входной цепи ФПУ с трансимпедансным усилителем (ТИУ).

Рисунок 5.25 Упрощенная схема трансимпедансного усилителя ФПУ

Рисунок 5.26 Принципиальная схема ТИУ

Полоса частот пропускания ФПУ с ТИУ определяется из простого соотношения:

при условии, что ROC << RЭ.

Таким образом, выбором значений коэффициента усиления К и сопротивления обратной связи ROC может быть достигнута требуемая полоса частот усиления.

Достоинствами ФПУ с ТИУ являются:

- большой динамический диапазон входных сигналов;

- простота регулировки полосы частот усиления без дополнительных корректоров;

- простота настройки схемы.

Недостатками следует считать:

- возможную неустойчивость работы усилителя при разной глубине о

- уменьшенное соотношение сигнал/шум на выходе усилителя из-за дополнительно шумящего сопротивления ROC.

Необходимо заметить, что в случае применения p-i-n ФД порог чувствительности определяется шумами схемы усилителя. При этом шум полевого транзистора существенно меньше шума биполярного транзистора, однако биполярный транзистор обеспечивает лучшую передачу энергии высоких частот. В случае использования ЛФД шум схемы усилителя имеет меньшее значение, а при больших коэффициентах G (лавинного умножения) совсем не влияет на порог чувствительности ФПУ.

Рассмотренным схемам ФПУ с ИУ и ТИУ можно поставить в соответствие эквивалентную электрическую схему (рис.5.27) и амплитудную частотную характеристику, по которой оценивается полоса пропускания (рис. 5.28).

Рисунок 5.27 Эквивалентная электрическая схема ФПУ

Завалы АЧХ на нижних и верхних частотах обусловлены наличием в схеме разделительной емкости СР и емкостей СВХ УС, СВ, СД.

Со значением эквивалентной индуктивности LВ обычно не считаются, т.к. значение .

С точки зрения согласования волоконно-оптической линии с фотоприёмным устройством важно знать о соотношении полосы пропускания линии и ФПУ, т.е. оптической и электрической полос.

Полоса пропускания о

Рисунок 5.28 Амплитудно-частотная характеристика входной цепи ФПУ

Полоса пропускания электрическая оценивается по уменьшению величины фототока на 3 дБ:

Таким образом, можно сравнить:

Уменьшение величины фототока в два раза соответствует 6 дБ, а уменьшение величины мощности в два раза составит 3 дБ. На рис. 5.29 соотношение между полосами пропускания показано графически. При этом влияние разделительной емкости не учитывается.

Установлено, что для импульсных сигналов, передаваемых в ВОСП, имеется следующее соотношение между скоростью передачи, электрической и оптической полосами пропускания:

где FЭ – электрическая полоса пропускания, FО – оптическая полоса пропускания, а соотношения соответственно относятся к форме импульсов прямоугольной и гауссовской (колоколообразной).

Рисунок 5.29 Электрическая и оптическая полосы пропускания ФПУ

5.7.5 Особенности построения фотоприёмных устройств при использовании фазовой модуляции

Фотоприёмные устройства с балансными фотодетекторами применяют в случае фазовой модуляции (PSK) и дифференциальной фазовой модуляции (DPSK) как эффективное средство борьбы с фазовыми шумами. Модуляция вида NRZ-DPSK, применяемая для систем со скоростями передачи 10 и 40Гбит/с, признана высокоэффективной с точки зрения использования спектра и помехоустойчивости (рис. 5.30). При этом для построения приёмника необходимо использование двух фотодетекторов и дифферен-циального усилителя (рис.5.31). Оптический сигнал разделяется в интерферометре фазового демодулятора для подачи на фотодетекторы (рис. 5.32), где в одном из выходов производится задержка передачи на один временной такт. Приведённый пример интерферометра имеет определённую температурную устойчивость на длине задержки (L+СΔt), где С – температурный коэффициент, Δt – изменение температуры. На выходе дифференциальной схемы демодулятора восстанавливается электрический импульсный сигнал (рис. 5.33).

Рисунок 5.30 Сравнительная оценка эффективности модуляции NRZ-DPSK
(с дифференциальной фазовой модуляцией) и NRZ-OOK(с передачей
одной боковой полосы частот и несущей)

Рисунок 5.31 Особенность построения приёмника ВОСП с внешней модуляцией вида NRZ-DPSK

Рисунок 5.32 Построение и конструкция интерферометра фазового демодулятора

Рисунок 5.33 Восстановление электрического сигнала на выходе балансного фотодетектора

В завершении раздела можно сформулировать некоторые выводы:

- существую различные методы фотодетектирования (прямое детектирование и с преобразованием);

- большую чувствительность обеспечивают методы с преобразованием;

- применение лавинных фотодиодов позволяет исключить из расчета шумы, не относящиеся к дробовым шумам для ЛФД;

- схемотехника ФПУ зависит как от метода фотодетектирования, так и от вида модуляции оптического сигнала на передаче;

- с развитием методов оптической фазовой модуляции возрастет сложность фотоприемных устройств, изменяются требования к дисперсии, шумам;

- фотоприёмные устройства должны иметь интегральное исполнение для получения наилучших соотношений сигнал/шум на выходе.