Алексей

1 Из каких элементов состоит входная цепь фото приёмного устройство с прямым детектированием?

Ответ:

2 Как устроена входная цепь фото приёмного устройства детектирования с преобразованием?

Ответ?

3 Как соотносятся между собой электрическая и оптическая полосы частот пропускания ФПУ?

Ответ:

4 Чем определяется величина соотношения сигнал/шум на выходе ФПУ?

Ответ:

5 Чем выполняется противошумовая коррекция в ФПУ?

Ответ:

6 Чем отличается гомодинный приемник сигнала от гетеродинного в ФПУ с преобразованием?

Ответ:

7 Чем используется для детектирования оптического сигнала с фазой модуляцией?

Ответ:

8 На каких физических явлениях основаны оптические усилители?

Ответ:

НАТАША

1.Какие требования предъявляются к фотоприемникам оптических систем передачи?

Ответ: К фотодетекторам оптических систем связи предъявляются следующие требования:

• Высокая чувствительность;

• Требуемые спектральные характеристики и широкополосность;

• Низкий уровень шумов;

• Требуемое быстродействие;

• Длительный срок службы;

• Использование в интегральных схемах.

2. Какие виды фотодетекторов используются в оптических системах передачи?

Ответ: 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 широкополосность;

• 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.

3. Почему в основном применяются полупроводниковые фотодиоды в оптических системах передачи?

Ответ: Функция детектора волоконно-оптической системы передачи сводится к преобразованию входного оптического сигнала в электрический, который затем подвергается усилению и обработке электронными схемами фотоприёмника. Предназначенный для этих целей фотодетектор должен точно воспроизводить форму оптического сигнала, не внося дополнительного шума.
Поэтому основными требованиями к фотодетектору являются:

• высокая чувствительность на рабочей длине волны;
• широкополосность;
• большой динамический диапазон;
• малые уровни шумов;
• нечувствительность к изменениям параметров внешней среды;
• хорошая надёжность;
• малогабаритность;
• большой срок службы;
• низкая стоимость.

Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяют полу-проводниковые фотодиоды.

4. Какие основные оптические и электрические характеристики имеет фотодиод конструкции p-i-n?

Ответ: Основные оптические и электрические характеристики фотодиода конструкции p-i-n: спектральная чувствительность, широкополостность, темновой ток, быстродействие, динамический диапазон входных оптических мощностей.

5. Чем ограничен диапазон оптических частот для фото детектирования?

Ответ:

6. Почему у фотодетекторов есть длинноволновая граница чувствительности?

Ответ: Как видно из данной формулы:

величина фототока при заданных и определяется только мощностью излучения. При отсутствии излучения через запертый диод течёт обратный ток, называемый темновым. Этот ток вызывается электронами, перешедшими под влиянием температурных изменений из валентной зоны в зону проводимости.

Фототок может существовать лишь при выполнении условия:

Это означает, что фотодиод, выполненный из данного вещества может регистрировать излучение лишь до некоторой граничной длины волны

называемой длинноволновой границей чувствительности.

7. Чем отличается конструкция лавинного фотодиода (ЛФД)от конструкции фотодиода p-i-n?

Главным отличием лавинного фотодиода (ЛФД) от обычного фотодиода является внутреннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала. Если структура слоев у обычного фотодиода имеет вид p⁺-i-n⁺, то у ЛФД добавляется р-слой (p⁺-i-p-n⁺), рис. 4.7 б. Причем профиль распределения легирующих примесей выбирается так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряженность электрического поля имел р-слой. При воздействии света на i-слой образуются электронно-дырочные пары. Благодаря небольшому полю, происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам. При попадании свободных электронов из i-слоя в р-слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокого электрического поля в р-слое. Ускоряясь в зоне проводимости р-слоя, такие электроны накапливает энергию достаточную, чтобы выбить (возбудить) другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит название лавинного усиления или умножения первичного фототока. Коэффициент умножения составляет несколько десятков? поэтому токовая чувствительность ЛФД значительно выше токовой чувствительности p-i-n фотодиодов. Коэффициент умножения М определяется по эмпирической формуле М=1/(1-(U/U_b)ⁿ) где U — напряжение внешнего обратного смещения, U_b -напряжение обратного смещения, при котором наступает электрический пробой (breakdown) фотодиода — обычно это напряжение порядка 100 В,., но может достигать в некоторых устройствах нескольких сот вольт, n-число в диапазоне от 3 до 6, рис. 4.11.

ЛФД имеют высокое быстродействие, однако случайная природа лавинного тока приводит к шуму. В отличие от полезного сигнала, который усиливается пропорционально М, шум усиливается быстрее (приблизительно как М^{2, 1}). В результате этого выбирается оптимальное значение коэффициента умножения М, обычно в пределах от 30 до 100.

Особенностью работы ЛФД являются более высокое рабочее напряжение по сравнению с p-i-n фотодиодами и повышенная температурная чувствительность коэффициента умножения, Это требует использования специальной электрической цепи, вырабатывающей необходимое рабочее напряжение, а также системы термостабилизации.

8. Чем отличается принцип действия ЛФД от фотодиода p-i-n?

Ответ: Отличительной особенностью р – i – n фотодиода (ФД) является наличие i – слоя (слаболегированного полупроводника n – типа) между слоями р+ и n+ типа (+ означает сильное легирование).

Фотодетектор с р – i – n переходом схематически изображен на рис.1.

а) р – i – n фотодиода
б) лавинного фотодиода

Два крайних слоя р+ и n+ имеют хорошую проводимость, i - слой называется обедненным слоем, поскольку в нем нет свободных носителей. От специального источника подается обратное напряжение смещения. Под действием постоянного электрического поля и наличия падающего на i - слой излучения, происходит движение во встречных направлениях возникающих носителей заряда и появляется ток во внешней цепи. Электрический ток идет до тех пор, пока образуются электронно-дырочные пары, т.е. пока на ФД падает cвет. Эффективным является взаимодействие излучения только с i - слоем, поэтому его делают широким, а крайние слои - узкими. Полученный ток является сигналом на выходе ФД и определяется:

I = q * e * (P / hf)

где:
q – квантовая эффективность;
е – заряд электрона;
Р – мощность оптического излучения;
hf – энергия фотона;
Р/hf – число фотонов, падающих на детектор в единицу времени.

Главное отличие ЛФД от обычного ФД – наличие внутреннего усиления сигнала. Если структура слоев у обычного ФД имеет вид р – i – n, то в ЛФД добавляют p - слой (р – i – р – n). Причем профиль распределения легирующих примесей выбирается так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряженность электрического поля имел р – слой.

При воздействии света на i –слой образуются электронно-дырочные пары и благодаря небольшому полю происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам, рис.1.

При попадании свободных электронов из i - слоя в р - слой их ускорение увеличивается из-за высокой напряжённости электрического поля в р - слое и, ускоряясь в зоне проводимости р - слоя, такие электроны накапливают достаточную энергию для выбивания других электронов из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит название лавинного усиления или умножения первичного фототока.

Коэффициент умножения обычно составляет несколько десятков и поэтому токовая чувствительность ЛФД значительно выше токовой чувствительности p-i-n фотодиодов.

При выборе ЛФД необходимо учитывать квантовый выход, широко-полосность, а так же присущие только ЛФД, усиление по току (происходит внутреннее усиление) и связанные с ним ограничения, а так же избыточные шумы. Технология изготовления ЛФД сложна. Используются кремниевые или германиевые ЛФД (см. Рис.1) или на примесях.

ЛФД - более чувствительный и быстродействующий детектор (см. Рис.1), однако имеет недостатки:
1) ЛФД работают при достаточно высоких Uсм. - 80...400 В (р - i - п можно запитать от источника для обычных микросхем);
2) коэффициент лавинного умножения (М) у ЛФД зависит от температуры, что приводит к необходимости термо-стабилизации.

В отличие от полезного сигнала, который усиливается пропорционально М, шум усиливается быстрее (приблизительно как М2, 1), поэтому оптимальное значение коэффициента умножения М обычно находится в пределах от 30 до 100, 3, меньшая надежность и относительно высокая стоимость.

9. Какими средствами сокращается время включения фотодиода?

Ответ:

10.Чем определяется коэффициент усиления ЛФД?

Ответ:: Зависимость коэффициента усиления ЛФД от напряжения. Необходимо отметить тот факт, что число сработавших пикселей не обязательно совпадает с числом фотоэлектронов, вызвавших эти срабатывания. Кванты света, возникающие в пикселе в результате гейгеровского разряда, могут быть поглощены внутри соседних пикселей и вызвать их срабатывание. В таком случае число сработавших пикселей больше, чем число фотоэлектронов, вызвавших эти срабатывания. Это приводит, с одной стороны, к увеличению коэффициента усиления, а с другой - к увеличению его флуктуаций. Таким образом, измеряя амплитудный спектр сигнала при различных напряжениях на ЛФД и учитывая уравнения (1) и (2) можно построить зависимость коэффициента усиления ЛФД от напряжения. Из рисунка 3 видно, что эта зависимость близка к линейной, а среднее значение коэффициента усиления ЛФД (~3× 105) сравнимо с 8типичным коэффициентом усиления вакуумных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ).

11. Почему фотодиоды шумят?

Ответ: Шумы фотодиода 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 обусловлен квантовыми процессами случайными возникновениями пар носителей зарядов, шумом фоновой засветки, шумом отражения и поглащения в окне, шумом генерации и рекоминации пар.

12. Какие шумы фотодиодов принципиально неустранимы?

Ответ: Принципиально неустранимы тепловой шум, шум тем нового тока, шум фототока.

13. В чем состоит преимущество фотодиодов типа TAP и TWPD?

Ответ:

14. Когда необходимо применение селективных фотодетекторов?

Ответ:

ЯКУТ

1 Какие типы усилителей могут применятся в оптических системах передачи?

Ответ:

2 Как устроены и действуют полупроводниковые оптические усилители?

Ответ:

3 Из каких устройств состоят и как действуют волоконные усилители на основе рассеяния Романа?

Ответ:

4 Как устроены и действуют усилители на примесном волокне (на примере Er⁺)?

Ответ:

5 Какими характеристиками описывают оптические усилители?

Ответ:

6 В каких частях оптических систем передачи могут использоваться усилители?

Ответ:

7 Какие шумы и искажения имеют место в оптических усилителях?

Ответ:

8 Какие реальные коэффициенты усиления обеспечивают полупроводниковые и волоконные оптические усилители?

Ответ:

9 В чем преимущество романовских оптических усилителей?

Ответ: