Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей, 2004
.pdfЕСМ
г М - |
Р+ |
Ин |
ЙЕвМ: |
|
|
|
|
Рис. 8. Структура ЛФД и распределение его электрического поля
При воздействии оптического излучения мощностью IV на /'-слой образуются пары «электрон-дырка», называемые первоначальными носителями. Благодаря относительно небольшому полю /'-слоя, происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам батареи смещения.
При попадании свободных электронов из /'-слоя в р-слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокой напряженности электрического поля л+-р-перехода. Ускоряясь в зоне проводимости р- слоя, такие «быстрые» электроны накапливают кинетическую энергию достаточную, чтобы «выбить» (возбудить) два «медленных» электрона из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляются свободные носители, называемые вторичными. В зоне проводимости р-слоя происходит их повторное ускорение до получения кинетической энергии, соответствующей «быстрому» электрону, который снова порождает ударной ионизацией пару «медленных» электронов из валентной зоны. Этот процесс называется лавинным усилением или
лавинным умножением.
Условия лавинного умножения достигаются увеличением напряжения обратного смещения до значения, чуть меньше напряжения пробоя полупроводника, так чтобы на л+-р - переходе установилось очень сильное поле (с напряженностью не менее 10 В/см). Электроны и дырки, двигаясь в таком поле, приобретают значительную кинетическую энергию, необходимую для образования вторичных носителей путем ударной ионизации. Энергия получаемых при этом электронов, обеспечивает их перенос из валентной зоны в зону проводимости.
Процесс лавинного умножения (усиления) ЛФД оценивается коэффициентом умножения М, который приближенно может быть представлен эмпирической формулой:
где исм - напряжение обратного смещения; ипр - напряжения пробоя; величина п = 2...6 и определяется материалом проводника и конструкцией фотодиода.
Величина фототока через нагрузку Ян для ЛФД определяется по формуле
1ф=0,8Лг?фМ\Л/.
Лавинный эффект приводит к увеличению темнового тока ЛФД в М раз по сравнению с темновым током рч-п - фотодиода.
Коэффициент умножения принимает различные значения в зависимости от напряжения смещения. При 1/см « ипр происходит резкое увеличение коэффициента М, которое может принимать высокие значения порядка 103...104. При низком напряжении исм ЛФД работает как р-/-л-фотодиод без усиления (умножения). Существует пороговое напряжение ипор для получения лавинного процесса ударной ионизации. Выше этого порога ЛФД будет генерировать ток без наличия возбуждающего оптического излучения. Отметим, что коэффициент умножения сильно зависит от температуры, что является серьезным недостатком ЛФД. Поэтому в схемах смещения ФЛД необходимо предусмотреть меры, которые устраняли бы влияние изменений напряжения и температуры. Типовой компромисс между величиной умножения и стабильностью работы ЛФД достигается при напряжении смещения, равном 0,95 ипр.
Лавинный фотодиод с коэффициентом М=100 может породить как 95, так и 105 вторичных носителей. Такого рода вариации являются причиной возникновения шумов, ограничивающих предел чувствительности ЛФД. Отметим, что темновой ток ЛФД растет при увеличении приложенного смещающего напряжения и, следовательно, зависит от коэффициента умножения М.
Квантовая эффективность ФД зависит от коэффициента отражения Я на границе «полупроводник-воздух». Для уменьшения френелевского отражения обычно покрывают поверхность прозрачной диэлектрической пленкой толщиной в четверть длины волны принимаемого оптического излучения
и показателем преломления, в идеальном случае равным у / п ^ п 2 , где п1 и п2 - показатели преломления полупроводникового материала и воздуха.
На практике более удобна тонкая кварцевая пленка, заметно увеличивающая пропускание оптического излучения; иногда используют нитрид кремния 813М4. Такая пленка играет роль линзы, повышающей квантовую эффективность на 20 %.
Шумы приемников оптического излучения. Фотодиоды обычно характеризуются следующими основными параметрами:
ТОКОВОЙ чувствительностью 5 , квантовой эффективностью Т]ф\ предельной частотой, т.е частотой гармонической модуляции
падающего на ФД модулированного по интенсивности излучения, при которой чувствительность ФД уменьшается до 0,707 чувствительности при немодулированном излучении; отметим, что предельная частота численно равна ширине полосы пропускания фотодиода АРф;
быстродействием, под которым понимается время нарастания тн или время спада тс фототока 1Ф (0 при воздействии на ФД импульса оптического излучения 1/У (У достаточно большой длительности (рис. 9).
Импульс оптического излучения
1ФШ !
1т |
Рис. 9. К определению быстродей- |
0,91т |
|
0,11т |
ствия фотодиода |
' Тн ' |
Тс |
Время спада импульса тока и время его нарастания определяются длительностью переднего и заднего фронтов между значениями 0,1 и 0,9 установившегося значения фототока 1т. В совокупности время спада и время нарастания называются временем отклика, т.е. временем, необходимым для преобразования мощности излучения в электрический ток. Быстродействие оценивается максимальным значением одной из составляющих времени отклика (обычно это время нарастания). Между временем нарастания и шириной полосы пропускания существует зависимость вида:
Д Р Ф = 0,35/Тн.
Для ЛФД увеличение коэффициента усиления сопровождается уменьшением быстродействия. Поэтому параметром, характеризующим быстродействие ЛФД является его добротность, под которой понимается произведение коэффициента умножения (усиления) М на ширину полосы пропускания АРФ, численно равной предельной частоте.
Как функциональные элементы рч-п и лавинные фотодиоды могут быть представлены в виде обобщенной эквивалентной схемы (рис. 10), где приняты следующие обозначения: 1Ф = У1Л5фототок; Яд - дифференциальное сопротивление обратносмещенного перехода фотодиода; обычно это сопротивление настолько велико, что его шунтирующим действием можно пренебречь; Яв - внутреннее сопротивление диода, состоящее из сопротивления необедненной зоны диода, контактного сопротивления и общего сопротивления, связанного с удельным сопротивлением поверхностного слоя, величина этого сопротивления не превышает нескольких десятков Ом; Сд - емкость обратносмещенного перехода, зависящая от его площади; Ян - сопротивление нагрузки ФД (входное сопротивление предварительного усилителя). Для большинства случаев анализа эквивалентную схему ФД можно представлять генератором тока 1Ф и шунтируемого емкостью Сд. Можно показать, что для эквивалентной схемы (см. рис. 10) ширина полосы пропускания или предельная частота равна
ДРф = |
, |
0 |
2 тгСДИн' |
здесь Ян - сопротивление нагрузки ФД (как правило, входное сопротивление предварительного малошумящего усилителя фототока).
Рис.10. Эквивалентная схема фотодиода
В состав тока /фд на выходе схемы (см. рис.10) входят: фототок /ф, темновой ток 1т, а также токи шумов различного происхождения, являющиеся естественным ограничением чувствительности фотодиодов. Значения этих токов являются одним из ключевых параметров приемников оптического излучения и оцениваются среднеквадратическими величинами соответствующих токов.
Среднеквадратическое значение тока фотодиода определяется следующей формулой:
Тф2 =2{Woc.S)2M2 |
=2Тф2Мг, |
здесь Woe - мощность оптического сигнала, поступающего на вход фотодетектора - фотодиода; S - чувствительность фотодиода на соответствующей рабочей длине волны оптического излучения; М - коэффициент лавинного умножения (усиления) ЛФД (для p-i-n- фотодиода М = 1); 1Ф - средний ток фотодиода, генерируемый оптическим излучением.
Важной составляющей шумов фотодиодов являются дробовые шумы, обусловленные дискретной природой фотонов и генерируемых ими пар «электрон-дырка». Фототок не является непрерывным и однородным потоком, а представляет поток отдельных дискретных электронов. Фототок флуктуирует в зависимости от того, насколько много или мало пар «электрон-дырка» возникает в данный момент времени. Дробовые шумы присутствуют и тогда, когда свет не падает на фотодиод. Даже в отсутствие оптического сигнала малые флуктуации фототока генерируются за счет темнового тока и температурных колебаний, причем его значение увеличивается приблизительно на 10 % при росте температуры на 1°С. Типичные значения тока дробовых шумов составляют 22...25 нА при 25°С.
Среднеквадратическое значение тока дробовых шумов (дробный шум) фотодиода равно
Ч- 2qT(pM2 F(M)AFф ,
где q - заряд электрона; F (М) - коэффициент избыточного шума лавинного умножения (усиления), учитывающий увеличение дробовых шумов ЛФД из-за нерегулярного характера процесса умножения; для некоторых типов ЛФД коэффициент F(M) вблизи напряжения пробоя может быть представлен в форме
F (М) = Мх,
где показатель степени х для кремниевых ЛФД лежит в пределах 0,2...0,5 и для германиевых - 0.9...1, для ЛФД на основе гибридного соединения вида InGaAs - 0,7...0,8; AF<p - ширина полосы пропускания фотодиода.
Среднеквадратическое значение темнового тока определяется по формуле
I2 = 2qTmM2F(M)AFр ,
здесь 1т - среднее значение темнового тока; его величина для кремниевых р-/-л-фотодиодов лежит в пределах (1 ...8)10-9 А, а для германиевых - на два порядка выше. Темновой ток возрастает примерно на 10 % с ростом температуры на 1°С.
Помимо дробовых шумов и шумов темнового тока в приемниках оптического излучения следует учитывать тепловые шумы (или шумы Джонсона-Найквиста), обусловленных флуктуациями отдельных электронов в проводнике, создающих на его концах напряжение случайного характера. Электроны в пространстве между электродами фотодиода ведут себя непостоянно. Их тепловая энергия позволяет им случайным образом смещаться. В каждый момент времени суммарный поток случайного движения электронов может быть направлен к одному либо к другому электроду. Таким образом, появляется постоянно меняющийся случайный ток. Он накладывается на полезный сигнал и изменяет его. Среднеквадратическое значение тока тепловых шумов определяется выражением
4 /с Г Д
/=
я»
где к = 1,38 х Ю-23 Дж/К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура по шкале Кельвина; АРф - ширина полосы пропускания фотодиода (фотодетектора); Ян - сопротивление нагрузки (см. рис. 10).
Среднеквадратическое значение суммарных шумов (полного шума) на выходе фотодетектора определяется суммой вида
"2 _ "2 |
"2 |
"2 |
' ш ~~ ' д р |
' т |
' т ш 1 |
Помехозащищенность полезного электрического сигнала от полного шума на выходе фотодетектора определяется отношением сигнал - шум, которое можно представить в виде
==
п |
^ |
Ш2 |
2дМ |
2 |
Р(М)АР |
ф |
(/ |
ф2 |
+7 |
т2 |
) + 4^АР |
ф |
^ |
1 0 |
V |
|
7 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где \А/С - |
мощность фототока на единичном сопротивлении нагрузки |
||||||||||||||
Ян = 1 Ом; И/ш - полная мощность шумов на единичном сопротивлении нагрузки Ян = 1 Ом.
Шумы на выходе фотодетектора при передаче цифровой информации порождают ошибки, и в этом случае интегральной оценкой качества передачи является вероятность ошибки.
Одним из основных параметров приемников оптического излучения является его чувствительность, под которой понимается
минимальная обнаруживаемая - детектируемая мощность (МДМ) оптического сигнала, обеспечивающая заданные значения отношения сигнал-шум или вероятности ошибки.
В идеальном случае максимальная чувствительность приемника оптического излучения достигается, если минимальный обнаруживаемый сигнал не ограничивается параметрами приемника, а изменяется только в результате флуктуаций тока сигнала. При таком допущении естественным ограничением чувствительности является темновой ток. Дробовые шумы определяются оптическим сигналом, а тепловые - в основном, сопротивлением нагрузки (входным сопротивлением предварительного усилителя), а потому минимальное значение фототока будет равно темновому току. Следовательно, МДМ будет равна
Мм д м =1[2с77т М2 Г(М)АГф ]°'5 .
Напомним, что здесь 5 - чувствительность фотодиода на соответствующей длине волны.
Мерой минимально детектируемой мощности оптического сигнала является эквивалентная мощность шума (ЭМШ), определяемая как оптическая мощность, необходимая для получения фототока, соответствующего среднеквадратическому значению шумового тока в единичной полосе частот, т.е.
wэмш = \ Л / м д м / Д Р ф , ВтN Гц.
Определить ЭМШ на конкретной длине волны Л рч-п-фотодиода можно следующим образом. Представим мощность оптического сигнала на входе фотодетектора для конкретных средних значений фототока /ф и коэффициента квантовой эффективности г/ в следующей форме:
здесь с - скорость света; /7 - постоянная Планка и <7 - заряд электрона. При определении МДМ полагаем, что фототок равен
Тф = [2д/^ДРф ]°-5 • Подставляя это значение при АРФ = 1 Гц, получим
№эмш = [ 2 я 1 ] ° - 5 ^ - , Вт/
Чувствительность к обнаружению при детектировании монохроматического излучения (каким можно считать излучение лазера и большинства широко применяемых светоизлучающих диодов) равна Sd = М\Мэмш.
Модуляторы оптической несущей
Оптическую несущую можно представить как электрическое поле монохроматического оптического излучения, мгновенное значение которого при фиксированных пространственных координатах
равно
Е (t) = EMcos (o)0t + фо), |
(1) |
где Ем - амплитуда поля; со0 и <р0 - соответственно, частота и фаза оптической несущей. Таким образом, оптическое излучение характеризуется амплитудой, частотой, мгновенной фазой, или поляризацией. Квадрат выражения (1) называется мгновенной интенсивностью оптического излучения, т.е.
E 2 ( t ) = E M 2 C O S 2 (mot + Фо), |
( 2 ) |
здесь Ем - амплитудное значение интенсивности.
Изменение амплитуды, частоты, фазы (или поляризации) и интенсивности оптического излучения под воздействием управляющего - модулирующего сигнала называется модуляцией. Модулирующий сигнал может быть электрическим (ток, напряжение), акустическим, механическим и оптическим. Существуют разные способы модуляции параметров оптического излучения.
Первый из них - это прямая или непосредственная модуляция,
при которой модуляция излучения лазерного диода (ЛД) или светоизлучающего диода (СИД) достигается изменением тока накачки или тока смещения (рис. 11, а). Эти изменения управляют инжекцией электронов через р-п и в широких пределах меняют интенсивность выходного оптического излучения. Ограничение частоты модуляции связано с постоянными времени генерации и рекомбинации свободных носителей, а также емкостями в цепях возбуждения.
Непосредственная модуляция, помимо изменения интенсивности излучения, оказывает динамическое влияние на спектр излучения, изменяя длину волны и амплитуды отдельных мод резонаторов для ЛД, причем, чем меньше количество излучаемых мод, тем существеннее это влияние. Поэтому возникла необходимость использования внешних модуляторов.
Второй способ - модуляция излучения немодулированного источника света. Это внешняя модуляция (рис. 11,6). Для внешней модуляции необходимо, чтобы управляющий сигнал воздействовал на оптическое излучение. Для этой цели необходим оптический
модулятор.
Модулируемый |
|
Модулированный |
источник |
^ |
оптический |
излучения |
|
сигнал |
Управляющий
модулирующий
сигнал
а) прямая или непосредственная модуляция
Управляющий
модулирующий
сигнал
б) внешняя модуляция |
|
|
Лазерный резонатор |
|
|
Активная |
Оптический |
Модулированный |
среда |
модулятор |
оптический |
|
|
сигнал |
в) внутренняя модуляция
Рис. 11. Модуляция оптического излучения
Третий способ - внутренняя модуляция, при которой преобразование излучения происходит в процессе его формирования непосредственно в источнике оптического излучения с помощью соответствующего оптического модулятора, помещаемого внутрь лазерного резонатора, например, Фабри-Перо, и изменяющего его добротность. Иногда такой вид модуляции оптического излучения называется автомодуляцией.
В оптических системах передачи используются два метода приема модулированного оптического сигнала: 1) прямая или непосредственная демодуляция модулированного по интенсивности оптического излучения и 2) когерентный прием оптических сигналов, при котором применяется гетеродинный или гомодинный
способы преобразования частот. При когерентном приеме возможны синхронная и несинхронная демодуляция по промежуточной частоте сигналов с различными видами модуляции.
Устройства, реализующие модуляцию оптической несущей, называются оптическими модуляторами.
Принципы действия оптических модуляторов реализуются на основе физических эффектов, протекающих при распространении светового потока в различных средах, как правило, в кристаллах соответствующей структуры.
Так как прием оптического излучения, модулированного по частоте, фазе или поляризации, сопряжен с техническими трудностями, то на практике все эти виды модуляции оптической несущей преобразуют в амплитудную модуляцию (или модуляцию по интенсивности) либо непосредственно в модуляторе, либо с помощью специальных устройств, помещаемых перед оптическим модулятором.
Оптический амплитудный модулятор представляет собой устройство, в котором происходит взаимодействие оптического излучения (света) с кристаллом, свойства которого изменяются под воздействием управляющего или модулирующего сигнала: электрического, магнитного полей или внешнего давления.
Самое широкое применение в оптических системах передачи нашли электрооптические модуляторы, принцип действия которых основан на электрооптическом эффекте в кристаллах, показатель преломления которых изменяется под воздействием приложенного электрического поля.
Электрооптическое явление, при котором коэффициент преломления кристалла изменяется пропорционально приложенному электрическому полю, называется эффектом Поккельса. Явление, при котором коэффициент преломления кристалла изменяется пропорционально квадрату приложенного электрического поля, называется эффектом Керра.
Кристаллы, порождающие эффекты Поккельса или Керра при воздействии на них электрического поля, называются электрооптическими кристаллами. К ним относятся кристаллы фосфорокислого калия КН2Р04, соединения лития Ш Ь 0 3 (ниобат лития), ЫТа03 (танталат лития) или соединения вида ваЛв и СсГГе.
Обобщенная функциональная схема электрооптического модулятора приведена на рис. 12, где приняты следующие обозначения:
П - скрещенный поляризатор; Я - ячейка (Поккельса или Керра), представляющая плоский конденсатор - кристалл, помещенный между двумя электродами, к которым прикладывается электрическое поле (управляющий или модулирующий сигнал); К - компенсатор, устраняющий световое излучение