575_Vardanjan_V.A._Raschet_kharakteristicheskikh_parametrov_komponentov_VOSS__

1. Расчет оптической мощности в точке S

Для того чтобы перевести выходную мощность ППЛ из единицы измерения Вт в дБм, необходимо воспользоваться формулой:

2. Расчет оптической мощности на фотодетекторе

На передающей стороне оптическая мощность вводится в ОВ в точке S с помощью разъемного соединения. На приемной стороне в точке R с помощью разъемного соединения оптическая мощность попадает на светочувствительную площадку фотодетектора, который совмещен с разъемом. Потери оптической мощности происходят на разъемных и сварных соединениях, а также по мере распространения мощности по ОВ. Оптическую мощность в точке R мож-

где Эзапас – энергетический запас (линейный и аппаратный). В данной работе

предполагается Эзапас = 2дБ;р – потери на 2-х разъемных соединениях. В данной работе предполагает-

ся р= 0,3 дБ;св – потери на сварных соединениях, св – количество сварных соедине-

ний, которое определяется с помощью строительной длины оптического кабелястр., св = ОВ⁄стр. − 1. В данной работе предполагается св = 0,15 дБ;

ОВ – затухание в ОВ, ОВ – длина ОВ.

Заметим, что затухание в ОВ зависит от длины волны излучения ППЛ, что наглядно показано на рис. 10, а в табл. 3 приведены значения затухания в трех окнах прозрачности.

Рис. 10. Зависимость затухания в ОВ от длины волны

21

Табл. 3

3. Диаграмма уровней оптической мощности вдоль ОВ

Для построения диаграммы распределения оптической мощности вдоль ОВ нам понадобятся значения уровней мощности на каждом разъемном и сварном (не разъемном) соединении. Расчет этих величин необходимо проводить, начиная с точки S и заканчивая в точке R. Примерный вид диаграммы уровней мощности показан на рис.11 для случаев 2-х сварных соединений.

Рис. 11. Пример диаграммы уровней оптической мощности вдоль ОВ для случая двух сварных соединений

22

III часть

Техническое задание по расчету параметров ФД

Изучите конспект лекций, учебную литературу и с помощью методических указаний III части выполните следующие пункты согласно вашему варианту задания. Все необходимые числовые значения параметров для расчета приведены в табл.4:

1.Рассчитайте квантовую эффективность ФД.

2.Рассчитайте чувствительность ФД. Рассчитайте граничную длину волны ФД. Нарисуйте спектральную зависимость чувствительности.

3.Рассчитайте коэффициент умножения ЛФД (если тип ФД - ЛФД).

4.Рассчитайте фототок, используя значение оптической мощности на фотодетекторе (см. часть II).

5.Рассчитайте время быстродействия ФД.

6.Рассчитайте ширину полосы пропускания ФД.

7.Рассчитайте и выберите номинальное значение сопротивления нагрузки.

8.Нарисуйте вольт-амперную характеристику ФД, укажите на рисунке рабочую точку, характеристические значения фототока и напряжений, а также приведите нагрузочную кривую в случае p-i-n ФД.

Табл. 4.

23

Методические указания по выполнению заданий III части

Назначением фотодиода является преобразование оптического сигнала в электрический, который потом усиливается и обрабатывается в электрической части оборудования. На рис. 12 показана схема подключения ФД, которая функционирует при подаче обратного напряжения на p-n-переход. Падающий свет проникает в так называемую обедненную область, откуда удалены свободные носители. Свет поглощается в этом слое и передает свою энергию материалу. Если поглощенная энергия достаточна, то появляются пары электрон-дырка. Эти носители зарядов отделяются существующим электрическим полем (созданным обратным напряжением) и через обедненный слой направляются на противоположные стороны этого слоя. Движение этих зарядов приводит к появлению тока во внешней цепи. Число пар электрон-дырка за единицу времени линейно зависит от мощности оптического поля, следовательно, электрический ток в цепи тоже пропорционален оптической мощности.

Рис. 12. Схема подключения ФД

ВВОСП в основном используют два типа ФД: p-i-n и лавинные ФД (ЛФД).

Вp-i-n - фотодиоде между областями с проводимостями p и n-типов располо-

жен слой i с собственной (intrinsic) проводимостью. На рис. 13 показана структура p-i-n ФД. Обозначение p+ и n+ соответствуют наличию повышенной по

сравнению с p и n областями концентрации легирующих примесей. Световое излучение вводится через окно в контакте базы (p+). Толщина p+ слоя ~0,3 мкм. При приложении обратного смещения обедненный слой распространяется на весь i слой собственной проводимости. Электрическое поле E сосредоточено в этой области.

24

Рис. 13. Структура p-i-n-фотодиода и схема подключения

На рис. 14 показана структура лавинного ФД (ЛФД). В ЛФД достигается усиление первичного фототока за счет лавинного умножения числа носителей. Если носители электрических зарядов (электроны и дырки) обладают достаточно большой кинетической энергией, то при неупругом соударении с нейтральными атомами кристаллической решетки происходит ионизация атомов, возникают новые пары электрон-дырка. Следовательно, напряженность электрического поля должна превышать 107 В/м. Процесс умножения числа носителей характеризуется коэффициентом умножения M. Так как ЛФД обладает внутренним усилением по току, часто М называют коэффициентом усиления ЛФД. Очевидно, что для p-i-n-ФД M=1.

25

Рис. 14. Структура лавинного фотодиода и схема подключения

Фотодиод можно представить в виде эквивалентной схемы с источником тока и с некоторыми элементами, как показано на рис. 15. Небольшая шунтирующая проводимость соответствует наклону вольт-амперной характеристики при отрицательном смещении. Так как ФД подключен в обратном направлении, то очень маленькая величина, а соответствующее ей сопротивление – очень большое. Сопротивление резистора определяется сопротивлением полупроводника и контактов (не превышает 10 Ом). Емкость конденсатора С зависит от емкости p-n-перехода и конструкции ФД. Величину этой емкости возможно сделать менее 1пФ, что особо важно при работе на высоких частотах [2].

26

Рис.15. Эквивалентная схема обратно смещенного ФД и входной цепи усилителя

Нормированная частотная характеристика ( ) эквивалентной схемы ФД представляет собой характеристику интегрирующей RC-цепочки, где постоянная времени интегрирующей цепи равняется времени дрейфа носителей через обедненную область д.

Полосу пропускания ФД можно оценить на уровне К(ω) = 0,707= 1/√2, т.е. когда д = 1, имеем:

Здесь необходимо отметить, что для оценки полосы пропускания ФД в цифровых ВОСП, удобно рассмотреть время нарастания фронта и спада импульса на выходе ФД. Время фронта ф определяется как время, в течение которого ток нарастает от 10% до 90% установившейся величины. Следовательно, для расчета времени установления и полосы пропускания можно воспользоваться выражением [7]:

27

где вых.– квантовый выход: отношение числа пар носителей к числу поглощенных фотонов;с – коэффициент собирания, зависящий от конфигурации приемника (количе-

ство пар электрон – дырка, участвующих в образовании тока);– коэффициент отражения от поверхности ФД;

W – толщина области поглощения света. α(λ) – коэффициент поглощения материала.

Для данной работы значение α(λ) можно взять из рис.16 следующим образом: для вариантов 1-3 выбрать значение на кривой, соответствующей Si или GaAs, для вариантов 4-6 – Ge или GaxIn1-xAsxP1-x, а для вариантов 7-9 – Ge или

GaxInxAs.

Рис. 16. Зависимость коэффициента поглощения от длины волны для разных материалов

28

2. Расчет чувствительности и граничной длины волны ФД

Чувствительность ФД определяется формулой [7]:

Граничная длина волны определяется [2]:

где – ширина запрещенной зоны, h – постоянная Планка, с – скорость света. Спектральная чувствительность для некоторых типов ФД представлена на

рис. 17. Как видно из рис. 17, чувствительность прямо пропорциональна длине волны излучения до значения гр., а при > гр. (в идеальном случае) Sλ → 0.

Рис. 17. Спектральная зависимость чувствительности ФД

3. Расчет коэффициента умножения ЛФД

Процесс умножения числа носителей характеризуется коэффициентами ионизации - и . Первый относится к электронам, второй – к дыркам. Коэффициент ионизации показывает, какое число пар электрон – дырка в среднем создает данный носитель на единице длины пути. Коэффициент умножения рассчитывается по формуле [2]:

29

где k h / e .

4. Расчет фототока

Фототок определяется по формуле:

5. Расчет времени быстродействия

Для расчета времени быстродействия p-i-n-ФД можно воспользоваться форму-

лой [2]:

где Wi – ширина i-области, Ve – скорость движения электронов.

Для расчета времени быстродействия ЛФД используется формула [2]:

где Wл – ширина лавинной области. Vh – скорости движения дырок.

В данной работе предполагается, что Ve=105 м/с и Vh=5*104 м/с.

6. Расчет ширины полосы пропускания ФД

Ширина полосы пропускания ФД рассчитывается с помощью (21):

∆f = 21 д.

7. Расчет сопротивления нагрузки

Для расчета сопротивления нагрузки необходимо рассмотреть отдельно случаи для p-i-n ФД и для ЛФД.

Для случая применения p-i-n ФД в данной работе предполагается, что фототок на нагрузке с сопротивлением Rн должен создавать падение напряжения как