Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

Рис. 3.47. Исполнение входной цепи когерентного приемника [49]

Рис. 3.48. Когерентный оптический приемник с цифровой обработкой сигнала [49]

Несинхронные схемы когерентных приемников могут использоваться для несложных форматов оптической модуляции, как правило, только двухуровневых сигналов (RZ, NRZ, DPSK) совместно со сложной цифровой обработкой в сигнальном процессоре (DSP, Digital Signal Processing).

151

Рис. 3.49. Когерентный гомодинный оптический приемник с фазо-частотной подстройкой оптического гетеродина LO [49]

3.4.3. Конструкции и характеристики фотодетекторов

Для реализации когерентного приема в оптических системах используют фотодетекторы с определенным набором выполняемых требований: высокой чувствительности (т.е., наибольшее соотношение фототока и падающей на детектор мощности, А/Вт); минимальных квантовых и тепловых шумов; полос частот, соответствующих детектируемым сигналам; широкому диапазону мощности на входе; термоустойчивости характеристик; интегрируемости в оптические схемы.

В качестве фотодетекторов для когерентных систем используют не только традиционные фотодиоды конструкций трехслойной p-i-n (рис. 3.50, а) и четырехслойной APD (лавинные фотодиоды) (рис. 3.50, б), имеющих минимальные шумы, но и приборы новых конструкций, например, MSM-TWPD (metal– semiconductor–metal traveling-wave photodetecor – фотодетектор бегущей волны в конструкции металл–полупроводник–металл) с последовательным или параллельным сегментным применением микро p-i-n диодов и лавинные фотодиоды с квантовыми ямами APD-MQW. Они имеют более широкую полосу пропускания (до 500 ГГц), высокую квантовую эффективность (чувствительность) и могут работать при достаточно больших мощностях оптического излучения на входе, что, в свою очередь, актуально при когерентном приеме, т. е. когда сигнал оптического гетеродина многократно превосходит информационный сигнал из оптической линии. Также современные приборы детектирования наделяются свойствами волновой селективности. В качестве материалов для фотодиодов применяют Ge, InGaAs и другие (рис. 3.51), соответствующие своими энергетическими характеристиками рабочим волнам.

Высокое быстродействие лавинных фотодиодов APD-MQW и высокая квантовая эффективность достигнуты применением многослойного, состоящего из двух видов материалов (рис. 3.52) AlGaAs/GaAs с различной шириной за-

152

прещенной зоны (рис. 3.53). Такая структура слоя лавинного умножения получила название сверхрешетки [43].

В физике полупроводников под термином «сверхрешетка» принято понимать твердотельную структуру, в которой помимо периодического потенциала кристаллической решетки имеется дополнительный потенциал, период которого существенно превышает постоянную решетки.

Рис. 3.50. Конструкции традиционных приборов p-i-n-фотодиода и ЛФД

Рис. 3.51. Характеристики поглощения оптического излучения различными материалами

153

Различают следующие виды сверхрешеток: композиционные сверхрешетки – эпитаксиально выращенные периодически чередующиеся тонкие слои полупроводников с различной шириной запрещенной зоны; легированные сверхрешетки – периодический потенциал образуется путем чередования ультратонких слоев n- и p-типов полупроводника, которые отделяются друг от друга нелегированными слоями; спиновые сверхрешетки – образованные периодическим чередованием слоев одного и того же полупроводника, одни слои легируются немагнитными примесями, а другие – магнитными, без магнитного поля энергетическая щель во всей сверхрешетке постоянна, периодический потенциал возникает при наложении магнитного поля; сверхрешетки, сформированные в двумерном электронном слое (например в системе МДП: металл–диэлектрик– полупроводник) путем периодической модуляции плоскости поверхностного заряда; сверхрешетки, потенциал в которых создается периодической деформацией образца в поле мощной ультразвуковой или стоячей световой волны.

Рис. 3.52. Конструкция лавинного фотодиода APD MQW

Еще одна причина применения сверхрешеток для построения лавинных фотодиодов заключается в том, что большие различия между коэффициентами ударной ионизации для электронов и дырок приводят к сокращению шумов и требуемых напряжений смещения.

Также преимущество подобных структур в том, что процесс лавинного размножения более локализован, что также уменьшает помехи. Толщины отдельных слоев лежат между 100 и 500 Å.

154

Рис. 3.53. Структура сверхрешетки MQW слоя умножения лавинного фотодиода

На рис. 3.53 буквенными индексами обозначено: Ec – энергетический уровень свободных носителей зарядов (электронов); Ev – энергетический уровень валентной зоны связанных электронов и свободных положительных зарядов (дырок); EF –энергетический уровень Ферми примесных полупроводников.

Одной из разновидностей современных конструкций фотодетекторов типа p-i-n, помимо MSM-TW-PD [46], стали приборы UTC-PD (Uni-Travelling-Carrier Photodetecor), TW-PD [47], TW-UTC-PD [48].

Фотодиоды UTC-PD отличаются от обычных p-i-n сокращением времени дрейфа носителей заряда (дырок и электронов) после их образования от воздействия фотонов на носители зарядов в кристаллах (рис. 3.54). При этом для положительных носителей (дырок) создается короткий путь, а для электронов повышенная скорость дрейфа.

Рис. 3.54. Энергетические диаграммы уровней UTC-PD (а) и p-i-n (б)

Фотодиоды TW-PD имеют два варианта конструктивного оформления: последовательное включение микро p-i-n-фотодиодов с определенным периодом (рис. 3.55, а) и параллельное включение микро p-i-n-фотодиодов (рис. 3.55, б).

155

Периодичность размещения микрофотодиодов связана с длиной волны, на которой требуется получение максимальной квантовой эффективности, что в таком случае способствует селективности. Замена в этих конструкциях p-i-n- фотодиодов на приборы UTC-PD повышает быстродействие, т. е. расширяет полосу частот детектируемых сигналов (рис. 3.56).

а) последовательный фотодиод TW-PD

б) параллельный фотодиод TW-PD

Рис. 3.55. Фотодиод бегущей волны с последовательным (а) и параллельным (б) размещением p-i-n-фотодиодов

Фотодетекторы с управляемыми селективными свойствами строятся на основе оптических избирательных систем с решетками Брэгга, резонаторами Фабри–Перо [44] и резонаторами кольцевого типа [45]. Один из примеров конструкции такого прибора представлен на рис. 3.57, где селективные управляемые свойства реализованы многослойной структурой на основе брэгговских

156

решеток (DBR) и поддержкой высокой чувствительности секциями из p-i-n- фотодиодов.

Рис. 3.56. Нормированные коэффициенты передачи фотодетекторов

Рис. 3.57. Пример конструкции селективного перестраиваемого фотодетектора секционного типа

Пример характеристик перестраиваемой селективности фотодетектора приведен на рис. 3.58, где показаны экспериментальные характеристики квантовой эффективности управляемого прибора в диапазоне волн селекции 1530–1580 нм. Полоса пропускания на каждой волне составляет около 10 ГГц по уровню –3 дБ.

Для выполнения операций переключения волновых каналов, оптимизации использования волновых диапазонов (grooming – обобщенный термин, характеризующий различные пути улучшения использования ресурсов оптических сетей) и т. д. в состав интегрированных оптических схем включаются волновые конверторы (рис. 3.59, 3.60), которые имеют малые габариты, малое потребление энергии. Использование полупроводниковых оптических усилителей, фотодетектора и перестраиваемого лазера в составе конвертора волн позволяет реализовать малогабаритные, контролируемые и управляемые устройства для гибкого построения оптической сети.

157

Контрольные вопросы

1.Какие структуры оптических передатчиков различают при классифика-

ции?

2.Чем характеризуют оптические передатчики с прямой модуляцией?

3.Какие преимущества имеют передатчики с внешней модуляцией?

4.Какие особенности имеет структура оптического передатчика с двойным модулятором?

5.Какие требования предъявляют к источникам излучения когерентных ВОСП?

6.Какие конструкции лазеров в большей степени пригодны для когерентных ВОСП?

7.С какой целью в лазерах реализуется управление излучением?

8.Какие способы перестройки лазеров возможны?

9.Что предусмотрено в конструкции лазера SG-DBR для перестройки?

10.Какой диапазон перестройки волн излучения имеет лазер SG-DBR?

11.Что особенного в конструкции лазера DS-DBR?

12.Что в конструкции лазера GCSR обеспечивает независимое управление мощностью излучения?

13.Почему в конструкции лазера LGLC получен диапазон перестройки до 65 нм?

14.Чем производится перестройка волн излучения в лазере MGY?

15.Какое устройство определяет волну излучения и ее перестройку в лазе-

ре ECL?

16.Чем характеризуют все типы перестраиваемых лазеров когерентных

систем?

17.Чем отличаются форматы модуляции RZ и NRZ?

18.Что принято считать параметрами модуляции?

19.Какой физический эффект является основой функционирования модулятора EAM?

20.Чем определяется полоса частот модулирующего сигнала для EAM?

21.Что входит в конструкцию модулятора MZM?

22.Что подлежит управлению в модуляторе MZM для формирования модулированного по интенсивности оптического сигнала?

23.Какая основная проблема у простых модуляторов EAM, MZM?

24.Какие конструкции оптических модуляторов позволяют при увеличении скорости передачи информационных данных не расширять полосу частот модулированного сигнала?

25.Чем оправдано использование сложных схем оптических модуляторов?

26.Что входит в состав приемников оптических сигналов когерентного и некогерентного типов?

27.Какое преимущество имеют балансные (спаренные) схемы фотоприем-

ников?

28.Для чего в оптических цепях приемников используют MZDI?

159

29.Что входит в состав оптических гибридных схем?

30.Какие конструкции фотодетекторов имеют наивысшую полосу частот пропускания?

31.Чем отличаются конструкции фотодиодов APD-MQW от фотодиодов

UTC-PD, TW-UTC-PD?

32.С какой целью можно перестраивать фотодетектор по длине волны максимальной чувствительности?

33.Что входит в состав интегрального волнового конвертора?

160