Приложение. Теоретические сведения

В современных оптических системах связи для передачи информации используются в основном когерентные источники – полупроводниковые лазеры, обеспечивающие генерацию в диапазоне длин волн λ = 1, 3 мкм и λ = 1, 5 мкм. Обычно мощность их излучения в непрерывном режиме работы не превышает 1 мВт. К ее стабильности предъявляются жесткие требования, что обусловлено высокой помехоустойчивостью таких систем связи. Типичным параметром, позволяющим количественно оценить помехоустойчивость при передаче цифрового сигнала, является вероятность ошибки р. Ее типичное значение при длине линии 10 км составляет величину р = 10^-9.

В аналоговых линиях, которые на сегодняшний день используются в основном для передачи телевизионных сигналов и телеметрической информации параметру помехоустойчивости соответствует отношение сигнал/шум, типичное значение которого при длине линии 10 км составляет величину с/ш = 55дБ.

Как в случае передачи цифрового, так и аналогового сигнала, нестабильность мощности оптической несущей приводит к появлению в линии дополнительных шумов, что, в конечном итоге, ухудшает ее помехозащищенность.

В современных полупроводниковых лазерах имеется встроенный фотодиод, на который попадает часть излучаемой мощности. Ток фотодиода повторяет форму оптического сигнала и является параметром, по которому производится стабилизация режима работы излучателя. На рисунке 1.10 приведена функциональная схема устройства, обеспечивающего модуляцию оптической несущей импульсным сигналом и стабилизацию уровня минимальной и максимальной излучаемой мощности.

Режим работы лазерного диода определяется двумя токовыми ключами ТК1 и ТК2, которые задают два значения тока I₀ и I₁. Их сумма определяет ток накачки I_н, протекающий через лазерный диод ЛД и обеспечивающий генерацию оптической мощности Р:

(1.2)

На рисунке 1.11 приведена ватт-амперная характеристика ЛД – зависимость излучаемой оптической мощности от тока накачки. При осуществлении импульсной модуляции ток I₀, определяемый ключом ТК1, задает значение излучаемой оптической мощности, соответствующее передаче нуля по линии связи. На рисунке 1.11 отмечено значение порогового тока I_п, соответствующее началу генерации когерентного излучения оптическим источником. Если выбрать I₀ > I_п, то это приведет к существенному возрастанию оптической мощности Р₀, соответствующей уровню нуля при передаче цифрового сигнала по линии связи. Значительное уменьшение тока I₀ по сравнению с пороговым значением приводит к снижению быстродействия за счет инерционности процесса создания инверсной населенности в активной области лазера, то есть ведет к снижению скорости передачи. Поэтому значение I₀ выбирается близким к пороговому (рисунок 1.11).

Величина тока I₀ + I₁ определяет значение излучаемой оптической мощности, соответствующее передаче единицы по цифровой линии связи. Она определяется типом используемого ЛД и обычно приводится в паспортных характеристиках.

Модулирующий сигнал подается на управляющий вход токового ключа ТК2. При осуществлении цифровой модуляции положительные импульсы, соответствующие передаче единицы по линии связи, открывают токовый ключ, а нулевой уровень оставляет его закрытым.

Реально, для осуществления аналоговой модуляции используются иные схемные решения. В данном случае, аналоговый модулирующий сигнал подается на управляющий вход ТК1, который выбором рабочей точки преобразуется в обычный эммитерный повторитель.

Регулировка значений токов I₀ и I₁ осуществляется с помощью потенциометров, выведенных на лицевую панель блока излучателя.

Незначительная часть оптического излучения попадает на вход встроенного фотодиода ФД (рисунок 1.10), фототок которого усиливается операционным усилителем ОУ. С его выхода сигнал попадает на фильтр нижних частот ФНЧ1 и пиковый детектор ПД. Таким образом, происходит разделение «быстрых» и «медленных» изменений в оптическом сигнале.

Медленные изменения обусловлены в основном дрейфом значения порогового тока I_п и компенсируются соответствующим изменением величины тока I₀. Оно осуществляется за счет подачи на управляющий вход токового ключа ТК1 напряжения с выхода ФНЧ1 (рисунок 1.10).

Быстрые изменения в основном обусловлены изменением формы модулирующего сигнала и отслеживаются пиковым детектором. Напряжение на его выходе сглаживается фильтром нижних частот ФНЧ2 и поступает на управляющий вход токового ключа ТК2 (рисунок 1.10).

Выше указаны только основные причины, вызывающие изменение формы оптического сигнала. В действительности их может быть существенно больше, что определяется спецификой используемых в каждом конкретном случае элементов и схемных решений.

Следует отметить, что в современных устройствах, осуществляющих управление режимом работы ЛД и его модуляцию, динамика медленных изменений порогового значения тока используется в качестве телеметрической информации, которая передается по служебному каналу связи и используется для оценки процессов старения (деградации) ЛД. Анализ динамики изменения порогового тока позволяет проводить оценку срока службы данного источника.

		Рисунок 1.11 - Ватт-амперная характеристика ЛД

Излучающая площадка лазерного диода состыкована с торцом одномодового или многомодового световода длиной до нескольких метров. Потери на ввод излучения в световод обычно составляют величину порядка 0, 1 дБ. Противоположный торец световода снабжен одним из стандартных коннекторов, с помощью которого излучатель подключается к внешним элементам оптической схемы. Соединение между отдельными элементами схемы осуществляется с помощью розеток, адаптеров и оптических шнуров. Каждый шнур оканчивается с обоих концов оптическим коннектором (разъемом), который подключается либо к розетке, либо к адаптеру аппаратуры.

Волоконный световод является основным элементом оптической системы связи. Именно он обеспечивает передачу оптической волны промодулированной информационным сигналом от передатчика к приемнику. Основными эксплуатационными параметрами световода являются:

-коэффициент затухания a, определяющий величину потерь оптической мощности при распространении волны по световоду;

-полоса пропускания Df или уширение оптического импульса t, определяющие объем информации, который может быть передан по волоконно-оптической линии связи.

Физический смысл этих параметров и их размерность будут пояснены ниже. Следует отметить, что именно эти величины определяют взаимозависимые основные характеристики линии связи: максимальное расстояние, на которое можно передать оптический сигнал в световоде без использования ретранслятора L_р(км) и скорость передачи В(мБит/сек). Величина В, как известно, определяет объем информации, передаваемый по линии.

В свою очередь, параметры a, Df и t связаны с размерами поперечного сечения световода и законом изменения коэффициента преломления n. В общем случае для описания процессов распространения оптической волны в волокне используется цилиндрическая система координат. Ее продольная ось z совмещена с осью световода (рисунок 1.12, а). Положение точки в этой системе координат определяется тремя величинами: длиной радиус-вектора r, азимутальным углом j и продольной координатой z. Обычно, коэффициент преломления зависит только от одной поперечной координаты r. Эта зависимость описывается функцией профиля R(r).

На рисунке 1.12, а отмечены диаметры сердечника (сердцевины) - W и оболочки - D. В общем случае закон изменения коэффициента преломления можно описать аналитическим выражением, имеющим следующий вид:

. (1.3)

Здесь n₁ - коэффициент преломления оболочки световода, Dn > 0 - величина максимального превышения коэффициента преломления в сердцевине относительно оболочки. Функция профиля в рассматриваемом случае нормирована - диапазон ее допустимых значений:

0 < R(r) < 1. (1.4)

Ясно, что коэффициент преломления в любой точке сердечника, больше, чем в оболочке. Этим обеспечивается возможность распространения оптических волн в нем за счет выполнения условий полного внутреннего отражения на границе раздела 1 (рисунке 1.12, а).

В простейшем случае коэффициент преломления остается постоянным внутри сердечника и оболочки. Его изменение происходит скачком на границе между двумя этими областями. Функция профиля R(r) для такого световода показана на рисунке 1.12, б. Благодаря своему характеру, она получила название ступенчатой.

На рисунке 1.12, в приведена функция профиля, соответствующая градиентному световоду. В этом случае коэффициент преломления не остается постоянным в поперечном сечении. Обычно максимальное значение n приходится на центр световода, но на практике встречаются и несимметричные законы его изменения. Подбирая на стадии изготовления различные варианты профилей, можно получать градиентные световоды с определенными свойствами.

В настоящее время размеры сердечников и оболочек стандартизованы. В справочных данных на световод, приводимых в литературе, используются следующие обозначения:

SMMF W/D - многомодовое волокно со ступенчатым профилем коэффициента преломления (step index multi mode fiber), диаметром сердечника W мкм и диаметром оболочки D мкм;

GMMF W/D - многомодовое волокно с градиентным профилем коэффициента преломления (graded index multi mode fiber), диаметром сердечника W мкм и диаметром оболочки D мкм;

SF W/D (NDSF W/D)- стандартное волокно (standart fiber) или одномодовое волокно со ступенчатым профилем коэффициента преломления (step index single mode fiber), диаметром сердечника W мкм и диаметром оболочки D мкм;

DSF W/D - одномодовое волокно со смещенной дисперсией и ступенчатым профилем коэффициента преломления (dispersion-shifted single mode fiber), диаметром сердечника W мкм и диаметром оболочки D мкм;

NZDSF W/D - одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией и ступенчатым профилем коэффициента преломления (non-zero dispersion-shifted single mode fiber), диаметром сердечника W мкм и диаметром оболочки D мкм.

Стандартное значение W/D для многомодовых волокон - 50/125 и 62.5/125. Для одномодовых волокон размер сердечника обычно колеблется в пределах (8 - 10) мкм, а оболочка имеет диаметр, такой же как у многомодовых световодов (W/D =8 - 10/125). Такие размеры поперечного сечения позволяют использовать волокна в диапазонах 0.8мкм, 1.3мкм, 1.5мкм.

В первом приближении можно рассматривать процессы в световоде с позиций геометрической оптики. Тогда оптическое излучение, введенное в световод одним из известных способов, распространяется вдоль него в виде пучка лучей, переотражаясь между границей раздела 1 сердечник - оболочка (рисунок 1.12, а). На рисунке 1.3, а показана траектория одного из лучей для световода со ступенчатым профилем коэффициента преломления, которую в литературе принято называть зигзагообразной волной. В многомодовых световодах распространение осуществляется по нескольким зигзагам, отличным друг от друга. Каждому из них соответствует одна из его мод.

Показанная на рисунке 1.3, а зигзагообразная волна образована меридианными лучами, проходящими через центр световода. Известно, что могут существовать и другие траектории, не проходящие через центр световода. В данном случае физическую картину анализируемых явлений можно пояснить, используя только меридианные лучи, образующие наиболее простые " зигзаги".

Процесс распространения оптической волны по световоду характеризуется скоростью переноса энергии v. Физический смысл этой величины можно пояснить следующим образом. Энергия переносится вдоль зигзагообразного пути с неизменной скоростью с, которая определяется параметрами среды - диэлектрической и магнитной проницаемостью. В частности, для световода, выполненного из немагнитного материала (относительная магнитная проницаемость равна единице), в котором зигзагообразная волна полностью сосредоточена в сердечнике с относительной диэлектрической проницаемостью e=(n₁ + Dn)²:

с = 3·10⁸/ (n₁ + Dn) м/сек. (1.5)

Поскольку энергия волны переносится вдоль зигзага, путь l _z, проходимый ею от начала до конца отрезка световода, оказывается большим, чем длина этого отрезка l (рисунок 1.13, б). Если сравнить время, которое затратит энергия оптической волны на прохождение участка пути длиной l в среде без границ раздела с коэффициентом преломления n₁ + Dn - t, со временем t_c прохождения участка световода той же длины, то:

t_c / t = с / v = n_эф. (1.6)

Параметр n_эф носит название " эффективный коэффициент преломления" и, как будет ясно из дальнейшего, характеризует каждую моду световода.

В приведенном выше анализе полагалось, что моды световода формируются оптическим источником, обеспечивающим излучение монохроматических волн. У них пространственный период - длина волны l- фиксирован.

На практике это предположение никогда не выполняется. В современных ВОЛС используются полупроводниковые источники света, излучение которых представляет собой суперпозицию монохроматических волн - спектр шириной Dl.

Детальный анализ процессов распространения лучей в световодах показывает, что форма их траекторий зависит от l. Поэтому каждой составляющей из спектра источника будет соответствовать отдельный, отличный от остальных, " зигзаг" с длиной пути l _z и скорость v (рисунок 1.13, а). Этот процесс называется волноводной дисперсией - он определяет одну из причин, по которой скорость переноса энергии зависит от длины волны (или частоты) источника.

Кроме описанных выше явлений, происходящих в световодах и приводящих к дисперсии скорости переноса энергии, при анализе характеристик реальной линии связи необходимо учитывать и обычную материальную дисперсию. Она обусловлена тем, что коэффициент преломления материала световода зависит от l. Поэтому от l зависит скорость с, определенная ранее.

Для передачи информации в оптической линии связи осуществляется модуляция оптического излучения информационным сигналом, занимающим конечную полосу частот. В идеальном случае не только каждая составляющая этой полосы должна быть передана без искажения, но должны быть сохранены и все фазовые соотношения между ними.

Реально каждая информационная составляющая за счет нелинейного характера процесса модуляции возбуждает весь спектр длин волн источника излучения. В процессе передачи информации по световоду вследствие этого возникают искажения. Они обусловлены тем, что из-за различной скорости распространения, изменяются прежде всего фазовые соотношения между информационными составляющими передаваемого сигнала. Эти искажения связаны с шириной спектра излучения источника Dl. Они будут присутствовать даже в линии связи, использующей одномодовые световоды.

В настоявшее время в оптических линиях связи в основном используются цифровые способы передачи информации, для которых характерна импульсная модуляция источника света. Главным " переносчиком" информации в таких системах является оптический импульс длительностью t₁. За счет дисперсии (в любой ее форме) происходит прежде всего его уширение на величину Dt (рисунок 1.14). Поэтому принято оценивать возможные искажения информации, возникающие за счет дисперсии, по величине этого уширения.

Ясно, что величина Dt связана с длиной пути, который проходит оптический сигнал в световоде. За счет различий в " зигзагах", соответствующих разным составляющим спектра источника излучения, по мере увеличения этого пути накапливаются дополнительные фазовые сдвиги между информационными составляющими сигнала и, как следствие, растет уширение импульса (рисунок 1.14).

Принято оценивать качество оптической линии связи величиной t, определяющей уширение импульса, возникающее при прохождении им по участку световода длиной 1 километр. Для удобства проведения расчетов размерность этой величины выбрана следующим образом [t] = псек/км.

Таким образом, рассмотренные выше причины искажения информации, определенные материальной и волноводной дисперсией, проявляются тем сильнее, чем шире спектр источника света Dl. Их принято в литературе объединять под общим названием " хроматическая дисперсия". Как будет ясно из дальнейшего изложения, влияние ее необходимо учитывать в линиях связи, использующих одномодовые световоды, для которых хроматическая дисперсия является практически единственным источником возникающих искажений формы оптического импульса.

Поскольку на величину уширения импульса в данном случае влияет не только длина отрезка световода, но и ширина спектра источника излучения Dl, для оценки возникающих искажений принято использовать величину, называемую удельной хроматической дисперсией. Она определяет уширение оптического импульса в линии связи, которое возникает при прохождении участка световода длиной 1 километр при возбуждении его источником с шириной спектра 1 нанометр. В литературе используется для обозначения этой величины тот же символ, но размерность величины уже другая: [t] = псек/(км нм).

В оптической линии, использующей многомодовые световоды, появляется еще одна причина возникновения искажений информации - межмодовая дисперсия. Она связана с тем, что каждой моде будет соответствовать своя зигзагообразная волна (рисунок 1.15) даже в случае возбуждения его монохроматическим источником света (Dl = 0). При возбуждении световода всегда обеспечиваются условия одновременного появления всех мод, количество которых может достигать нескольких тысяч. Поскольку каждой из них соответствует своя скорость переноса энергии, оптический импульс начнет уширяться по мере распространения по линии передачи.

В этом случае уширением импульса за счет хроматической дисперсии пренебрегают. Различия в скоростях переноса энергии каждой отдельной модой обуславливают величину Dt на несколько порядков большую, чем в одномодовом световоде. Поскольку значение t никак не связано с шириной спектра источника, его измеряют в величине уширения, приходящегося на каждый километр многомодового световода [t]=нсек/км.

Рассмотренные выше дисперсионные искажения оптического сигнала не устранимы полностью. Их причина находится в самом принципе работы источника оптического излучения и световода. Но эти искажения можно минимизировать, выбрав соответствующий вид профиля коэффициента преломления.

Подробный анализ процессов распространения оптических волн в волоконных световодах показывает, что уширение импульса за счет волноводной дисперсии всегда увеличивается при увеличении длины волны. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента преломления световода от l и связана с его молекулярной структурой. Для некоторых сред может происходить не уширение, а сужение оптического импульса. Это явление, взятое в отдельности, также вызывает искажение информации. Но совместное действие волноводной и материальной дисперсии может, при определенных условиях, скомпенсировать друг друга. В результате на определенной длине волны источника l_к уширения оптического импульса не происходит. Незначительно это уширение оказывается и в относительно широком диапазоне длин волн, который сосредоточен в окрестности этой точки полной компенсации.

Подбирая параметры профиля коэффициента преломления - Dn и W - можно добиться полной компенсации дисперсии в требуемой точке диапазона длин волн. Именно таким образом изготавливаются одноподовые световоды типа DSF и NZDSF.

При использовании многогодовых счетоводов такой способ уменьшения дисперсионных искажений хоть и возможен, но малоэффективен, поскольку основной вклад в них вносит межмодовая дисперсия. В световодах со ступенчатым профилем коэффициента преломления возможности борьбы с ней практически отсутствуют. Для минимизации ее влияния на форму импульса применяют градиентные световоды, у которых коэффициент преломления в поперечном сечении меняется плавно (рисунок 1.12, в).

На рисунке 1.16 изображены оптические лучи, соответствующие двум различным модам световода с плавным изменением коэффициента преломления вдоль поперечной координаты r. Траектория 1 соответствует моде, порядок которой ниже, чем у моды с траекторией 2. Анализ показывает, что с увеличением номера моды кривизна траектории уменьшается и она все более отклоняется от оси (рисунок 1.16).

Дисперсионные искажения, как уже упоминалось ранее, определяются прежде всего изменением фазовых сдвигов между информационными составляющими. Они возникают из-за разности путей, проходимых разными модами по отрезку световода. Но фазовые сдвиги определены не только геометрической длиной пути, но и величиной коэффициента преломления той среды, в которой происходит распространение.

В случае световода со ступенчатым профилем все моды распространяются внутри сердцевины и значение коэффициента преломления среды для них неизменно. В градиентном световоде это не так. Здесь моды более высокого порядка за счет большего отклонения от оси световода проходят часть своего зигзага в области с меньшим значением коэффициента преломления.

Таким образом, модам более высокого порядка в градиентном световоде соответствует больший геометрический путь, но проходит он в среде с меньшим коэффициентом преломления. В результате фазовый сдвиг между различными модами меняется существенно меньше, чем в световоде со ступенчатым профилем коэффициента преломления. Более того, подбирая вид профиля R(r), можно добиться компенсации разности фаз, возникающей между модами за счет прохождения участка световода. Именно эта цель и ставится при изготовлении градиентных счетоводов. Уширение импульса в них на несколько порядков ниже, чем в ступенчатом.

Важную роль в ВОЛС играет и фотодиод (ФД) - прибор осуществляющий площадку ФД.

На практике используются два типа таких элементов: pin ФД и лавинный фотодиод (ЛФД). Принцип их работы будет пояснен ниже. Основными характеристиками любого преобразование оптической мощности в электрический сигнал - фототок, текущий через него или фотонапряжение, которое этот ток создает на нагрузке ФД. Важной особенностью оптического диапазона является то, что величина этих электрических сигналов пропорциональна оптической мощности, попадающей на чувствительную ФД являются:

-диапазон спектральной чувствительности, определенный максимальной и минимальной длинами волн оптического диапазона l_max и l_min, регистрируемыми ФД;

-чувствительность (крутизна ватт-амперной характеристики) S А/Вт;

-величина темнового тока I_т текущего в нагрузке ФД при отсутствии на его фоточувствительной площадке оптического излучения;

-величина обратного смещения U_см на ФД, соответствующая максимальной чувствительности;

-емкость pn перехода ФД.

Физический смысл этих характеристик будет пояснен ниже.

В основе работы ФД лежит эффект поглощения фотонов в полупроводниковом (ПП) материале и рождение за счет этого электронно-дырочной (e-p) пары носителей тока. Это происходит благодаря переходу электрона из валентной зоны на более высокий энергетический уровень в зону проводимости (рисунок 1.17, а). Образованные за счет этого носители - электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне - и образуют фототок, текущий во внешней цепи.

Для регистрации потока фотонов необходимо создать условия, при которых e-p пары не рекомбинируют за счет перехода электрона обратно в валентную зону. Эти условия в ФД создаются при поглощении фотонов в области образованного pn перехода. Известно, что в области перехода концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне меньше, чем в ПП n и p типа соответственно. Поэтому область в окрестности перехода называется обедненным слоем. Именно здесь вероятность поглощения фотона велика, а постоянная времени рекомбинации (среднее время, за которое созданная e-p пара рекомбинирует) может быть сделано большим за счет технологии выращивания перехода.

На рисунке 1.17, б показана энергетическая диаграмма отрицательно смещенного pn перехода. За счет приложенного к нему напряжения смещения U_см возникает ускоряющее электрическое поле, которое действует на электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне и " растаскивает" носители, появившиеся при поглощении фотона. В результате электроны попадают в область ПП п типа, дырки - в область ПП р -типа, где вероятность их рекомбинации мала. Величина приложенного напряжения напрямую связана с напряженностью электрического поля, а, следовательно, и с кулоновской силой, действующей на заряженные частицы. В конечном итоге U_см определяет скорость их движения через обедненную область. Эта скорость должна быть выбрана так, чтобы время пролета частиц до внешних контактов ФД было бы существенно меньше, чем среднее время рекомбинации. Тогда практически все e-p пары, появившиеся вследствие поглощения фотонов, участвуют в формировании фототока.

На рисунке 1.18, а показаны вольт-амперные характеристики ФД в области отрицательного смещения pn перехода. Здесь изображены три ветви характеристики, соответствующие различным значениям оптической мощность на фоточувствительной площадке. Следует отметить, что даже при отсутствии оптической мощности (Р = 0 на рисунке 1.18, а), ток через ФД не исчезает полностью. Этот ток называется темновым и обычно имеет значение I_т = (10^-9 -10^-7 ) А. Величина его является важным параметром ФД, поскольку, как это будет ясно из дальнейшего изложения, I_т определяет значительную долю шумов оптического тракта.

При увеличении оптической мощности Р фототок I_ф через ФД увеличивается за счет рождающихся e-p пар. При этом, как правило, величина фототока оказывается прямо-пропорциональной величине оптической мощности (рисунок 1.18, б). Коэффициент пропорциональности между Р и I_ф называется токовой чувствительностью (чувствительностью) ФД (S). Его численное значение соответствует угловому коэффициенту прямой на рисунке 1.18, б и может быть определено следующим образом:

S = P / I_ф (А / Вт). (1.7)

Значение чувствительности может быть определено и исходя из анализа простейшей физической модели ФД. Оптической мощности Р (Вт), попадающей на фоточувствительную площадку, соответствует N_ф (1 / сек) фотонов. Поскольку энергия одного фотона W = h f (h = 6.62·10^-24Дж сек - постоянная Планка, f - частота фотона), то:

N_ф = Р / W. (1.8)

Число N_е появившихся e-p пар в единицу времени:

N_е = hN_ф, (1.9)

где h - коэффициент, учитывающий, что не все фотоны вызывают появление электрона и дырки. Он называется квантовой эффективностью ФД.

Величина фототока I_ф определяется зарядом, перемещающимся через площадь pn перехода в единицу времени. Она определится следующим образом:

I_ф = е N_е = (е / h f) h Р. (1.10)

В этой формуле е = 1.6·10^-19 Кул - заряд электрона. Тогда выражение, определяющее чувствительность имеет вид:

S = (е / h f) h = (е / h c) l h; с = 3 ·10⁸ м/ сек. (1.11)

Теперь можно определить основные особенности, обусловленные структурой оптического сигнала и которые необходимо учитывать при разработке и анализе аппаратуры оптического диапазона волн.

Во-первых, следует отметить, что ток в нагрузке ФД (I_ф) прямо пропорционален оптической мощности (Р). При разработке линий связи, использующих аналоговую модуляцию оптической несущей, необходимо обеспечит линейную связь между модулирующим сигналом S (t) (t - время) и оптической мощностью Р (t):

Р (t) = А S (t) (А - коэффициент пропорциональности, учитывающий размерности величин). Такой вид модуляции наиболее часто используется на практике. Он носит название модуляции интенсивности (МИ).

Наиболее просто осуществить ее меняя по закону модулирующего сигнала ток накачки I_н ЛД или СИД. Но, как правило, оптическая мощность нелинейно связана с I_н. Поэтому при МИ обычно возникают значительные нелинейные искажения, борьба с которыми требует применения специальных методов коррекции модуляционной характеристики.

Сложность и, зачастую, неэффективность такой коррекции обуславливает тот факт, что в оптическом диапазоне получили широкое распространение системы, использующие импульсные методы модуляции. В этом случае к линейности модуляционной характеристики предъявляются существенно менее жесткие требования.

Во-первых, следует отметить, что при выборе ФД для ВОЛС необходимо учитывать зависимость его спектральной чувствительности от длины волны l источника света. Выбранный ФД сохраняет способность реагировать на оптическое излучение до тех пор, пока энергия фотонов, составляющих это излучение, достаточна для " перевода" электрона из валентной зоны в зону проводимости. В соответствии с рисунком 1.17, а:

h f > Е_п - Е_в Þ l < h с / (Е_п - Е_в ). (1.12)

Здесь Е_п и Е_в - энергетические уровни, соответствующие нижнему краю зоны проводмости и верхнему - валентной зоны. Данное неравенство определяет " красную границу" l _кр для ФД, выполненного из ПП материала. При l > l _кр он не реагирует на оптическое излучение.

Для изготовления ФД используют кремний (Si), германий (Ge) и комбинированные соединения типа InGaAs. Кремниевые ФД имеют " красную" границу в области l = 1мкм и поэтому редко используются в ВОЛС, в которых наиболее часто применяют источники света с длиной волны l =1.3 мкм и l = 1.5 мкм. В этом спектральном диапазоне используют германиевые ФД. В последнее время, благодаря новейшим достижениям в области технологии, получили широкое распространение приборы на основе комбинированных соединений. Их характеристики оптимизируются специально для использования совместно с определенным типом волоконного световода и источником.

На практике используют два типа ФД. Первый из них - pin - фотодиод - получил свое название благодаря структуре слоев ПП материалов, из которых он образован. На рисунке 1.19, а приведена примерная топологическая схема такого устройства. Она 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.

Из-за существенной разницы в концентрациях носителей проводимость слоя 2 оказывается значительно ниже, чем у первого и третьего. С точки зрения теории цепей это означает, что напряжение U_см на контактах 5 и 7 оказывается практически полностью приложенным к границам области 2. В результате вектор напряженности электрического поля, возникающий за счет напряжения смещения, направлен поперек слоев в направлении х на рисунке 1.19, б и имеет всего одну проекцию Е_х.

Поглощение фотонов и рождение ер -пар происходит в слое 2. За счет напряженности электрического поля на появившиеся носители тока действует кулоновская сила, выводящая их из этой области к внешним контактам 5 и 7.

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 слое1 все верхние энергетические уровни валентной зоны лишены электронов - фотон не может перевести электрон 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 электронами. Это обусловлено малым значением концентрации основных носителей. Ширина слоя 2 выбирается, исходя из следующих соображений:

-все влетевшие в нее фотоны должны быть поглощены, что обеспечивает максимально возможное значение фототока - для этого ширину слоя необходимо увеличивать;

-созданные ер -пары за возможно более короткий интервал времени должны достигнуть внешних контактов 5 и 7, что обеспечивает максимальное быстродействие ФД - для этого ширину слоя 2 необходим уменьшать. Видно, что эти два требования альтернативны. На практике при разработке ФД всегда выбирают компромиссный вариант.

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 (рисунок 1.19, 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 (рисунок 1.193, в) и, в конечном итоге, определяет быстродействие фотоприемника.

Рассмотренный pin - фотодиод работает при напряжениях смещения:

0 £ U_см £ U_пр. (1.13)

Величина U_пр определяет значение напряжения смещения на ФД, при котором начинается пробой pn - перехода (рисунок 1.18, а). В лавинном фотодиоде (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 электроны и дырки разгоняются ускоряющим полем до скорости, достаточной для возбуждения соседних атомов в кристаллической решетке. Можно сказать, что первичные электроны и дырки 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.

На рисунке 1.20 показана обобщенная схема фотоприемника, включающая и усилитель оптического сигнала. С точки зрения теории цепей ФД может быть представлен эквивалентной схемой, состоящей из генератора фототока I_ф(t) = Р(t) S, который шунтируется сопротивлением перехода R_д и емкостью перехода С_д входным сопротивлением и входной емкостью усилителя. Все эти пассивные элементы учтены в элементах R₁ и С₁ . Выбор значений R₁ и С₁ производится из соображений оптимизации фотоприемника по быстродействию и отношению сигнал/шум на его выходе.

Для оценки быстродействия необходимо учитывать запаздывание сигнала на выходе усилителя U_вых (t) относительно оптического - Р(t). Оно определяется, во первых, процессами преобразования оптической мощности в фототок I_ф (t) происходящими в ФД и определяется временем, за которое появившиеся за счет поглощения фотона носители тока достигают внешних контактов. Уменьшить запаздывание можно за счет увеличения напряжения смещения U_см. При этом увеличивается скорость носителей и они скорее достигают внешней цепи ФД. Как показывают более детальные исследования процессов в ФД, существует оптимальная величина U_см, при котором запаздывание минимально. Увеличение напряжения смещения сверх этого оптимального значения не приводит к улучшению характеристик ФД ни по быстродействию, ни по чувствительности.

Во вторых, запаздывание сигнала на выходе усилителя относительно оптического связано с внешними по отношению к ФД элементами R₁ и С₁. Постоянная времени t = R₁ С₁ определяет на сегодняшний день быстродействие всего фотоприемника в целом. Ясно, что для уменьшения запаздывания величины R₁ и С₁ следует уменьшать. Но снижение емкости ограничено технологическими трудностями. На сегодняшний день ее типичное значение составляет единицы пикофарад.

Величина активного сопротивления R₁ определяет не только быстродействие фотоприемника, но и его шумовые характеристики. В отличие от радиодиапазона, в оптическом необходимо учитывать несколько дополнительных специфических источников шумов. Особенности обработки оптического сигнала накладывают свои требования на величину R₁.

Основной особенностью оптического сигнала является его квантовая структура. Процесс формирования фототока представляет собой последовательность единичных актов поглощения фотонов и образования ер -пар. Даже если источник излучения и все остальные элементы оптического тракта являются идеальными и не вносят шумов в сигнал на входе ФД, в фототоке будет присутствовать шумовая составляющая. Это происходит благодаря случайному характеру поглощения фотонов, подчиняющемуся законам квантовой статистики.

Такой шум называется квантовым и его необходимо учитывать при оценке отношения С/Ш на выходе усилителя. Поскольку он определен самой природой оптического сигнала, его уровень растет вместе с ростом оптической мощности на входе ФД. Уровень квантовых шумов дополнительно увеличивается и из-за случайного характера формирования ер -пар. Это происходит, в основном, благодаря различиям во времени дрейфа носителей тока от места их появления до внешних контактов ФД.

По своему проявлению рассмотренные шумы подобны дробовым. Их спектральное распределение равномерно в полосе частот Df, которая регистрируется фотоприемником. Среднеквадратичное значение шумовой составляющей фототока определяется выражением:

(I_шф)² = 2е I_{ф ср} Df =2е Р_ср S Df. (1.14)

Здесь I_фср - среднее значение (постоянная составляющая) фототока, соответствующее среднему значению оптической мощности Р_ср на входе ФД, которое при любом способе модуляции отлично от нуля.

Ранее было отмечено, что даже при Р = 0 через ФД протекает темновой ток. Его характер также случаен и он является дополнительным источником шума, который подобен квантовому. Величина среднеквадратичного значения шумовой составляющей темнового тока I_шт определяется его средним значением I_т следующим образом:

(I_шт)² = 2е I_т Df. (1.15)

Свой вклад в общий шум оптического тракта вносит и фоновая засветка - оптическое излучение, попадающее на чувствительную площадку ФД от различных источников, играющих роль помех. Если такой источник создает мощность Р_з на чувствительной площадке ФД, то соответствующая ему шумовая составляющая определяется выражением:

(I_шз)² = 2е Р_з S Df. (1.16)

Кроме рассмотренных выше, для ВОЛС характерны также модовые шумы, возникающие за счет случайных флуктуаций интенсивности в пределах чувствительной площадки ФД. Они проявляются когда когерентный источник излучения (ЛД) используется совместно с многомодовым световодом. В этом случае на выходном торце световода возникает " спекл-картина", являющаяся результатом интерференции различных мод. Эта картина постоянно меняется под воздействием многих факторов: изменения температуры окружающей среды, микродеформации световода при различных механических воздействиях. Любое из приведенных внешних воздействий меняет случайным образом величину геометрического пути, который проходят лучи, соответствующие различным модам световода. Несмотря на то, что это изменение невелико и составляет доли микрон на километр световода, оно оказывается соизмеримым с длиной волны и существенным образом меняет фазовый набег между различными модами. Этим и определяется изменение распределения интенсивности на выходном торце световода, которое приводит к появлению модового шума.

Подобный по проявлению на выходе усилителя ФД шум возникает и при совместном использовании некогерентного источника излучения (СИД) и одномодового волокна. Отличие проявляется лишь в том, что случайный характер имеет не пространственная, временная структура распределения интенсивности на выходном торце световода.

Дополнительные шумы создает и источник излучения Они проявляются в флуктуации оптической мощности и случайном характере распределения интенсивности на его излучающей площадке.

Систему связи можно оптимизировать, исключив причину появления ряда шумов, характерных для оптического диапазона. Используя когерентные источники только совместно с одномодовыми световодами, а некогерентные - с многомодовыми, можно исключить модовые шумы. Применение усовершенствованных технологий при изготовлении ЛД и СИД и разработка схемных решений для источников тока накачки, в которых предусматривается контроль и автоматическая регулировка режима его работы, позволяет свести к минимуму шумы источника излучения.

Исключить квантовые шумы сигнала и темнового тока нельзя никакими методами. Они всегда сопутствуют оптическому сигналу и наличие этих шумовых факторов необходимо учитывать при разработке схемных решений для усилителя фототока.

На рисунке 1.21 показана обобщенная эквивалентная схема фотоприемника, в которой учтены все главные шумовые источники. Наряду с рассмотренными выше, введен генератор тока I_шт, учитывающий тепловой шум активного сопротивления нагрузки ФД R₁. Его величина определяется известным соотношением:

(I_шт)² = 4 k t Df / R₁. (1.17)

Здесь k = 1.38·10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана, t - температура в градусах Кельвина (К).

Двумя источниками I_шу и U_шу учтены шумы активного элемента усилителя. Если усилитель строится на основе полевых транзисторов, то

(U_шy)² = x4 k t Df / g, I_шу = 0. (1.17)

Здесь g - крутизна входной характеристики транзистора, имеющая смысл входной проводимости. Коэффициент x=(0.7-1.1) зависит от типа полевого транзистора. Для усилителя, построенного на базе биполярных транзисторов

(U_шy)² = 4(k t)² Df / (е I_к), (I_шу)² = 2е I_б Df. (1.18)

Здесь I_б и I_к - постоянные токи базы и коллектора транзистора.

Все рассмотренные выше шумовые источники в первом приближении считаются независимыми. Поэтому результирующая мощность шума на выходе усилительного каскада может быть определена в результате суммирования вкладов, вносимых отдельными источниками. Используя приведенные выше соотношения, можно получить аналитическое выражение для отношения СШ на выходе усилительного каскада. Детальный анализ такого соотношения позволяет сделать следующие выводы:

-отношение СШ зависит от мощности принимаемого оптического сигнала Р и не может быть увеличено за счет ее роста;

-если шумы оптического тракта сравнимы с шумами электронной части фотоприемника, то рост отношения СШ можно обеспечить за счет увеличения эквивалентного сопротивления нагрузки ФД R₁.

Но при росте R₁ уменьшается полоса пропускания фотоприемника в целом. Поэтому одновременное увеличение СШ и сохранение прежней полосы пропускания невозможно без существенного усложнения электронной схемы первого каскада усилителя. Она требует введения высокочастотной коррекции его амплитудно-частотной характеристики.