Файл: Введение в радиооптику.pdf

Введение в радиооптику

Если внутренние задержки прямо не влияют на полосу пропускания или скорость передачи, то времена нарастания и спада главным образом определяют полосу пропускания. Различные ФП могут очень сильно отличаться по быстродействию (табл. 7.1) Наиболее быстрыми являются р-i-n-фотодиоды. У ЛФД увеличение коэффициента умножения сопровождается уменьшением быстродействия по сравнению с р-i-n- фотодиодами. Наиболее медленными являются БФТ.

Эквивалентная мощность шума Рш(Вт) − это одна из наиболее важных характеристик, учитывающих шумовые свойства ФП. Она определяет минимальную мощность оптического сигнала на входе ФП, при которой отношение с/ш равно единице, и вычисляются по формуле Рш = IΣ/Siλ, где IΣ − полный шумовой ток. По определению, эквивалентная мощность шума пропорциональна квадратному корню из полосы пропускания. РΣ можно пронормировать, поделив на B0,5. Такая нормированная эквивалентная мощность шума имеет размерность Вт Гц-0,5 и не зависит от полосы пропускания.

Например, если ФД имеет темновой ток 2 нА, сопротивление R = =5 108 Ом, токовую чувствительность Sph = 0,5 А/Вт, и полную полосу пропускания В =1 Гц, то дробовой ток Iдр = 2,5 10−14 А, тепловой ток It =

=5,6 10−15 А, полный шумовой ток IΣ = 2,6 10−14 А и эквивалентная мощность шума РΣ = 5,1 10−14 Вт.

В ФП, применяющихся в ВОСС, имеет место доминирование дробового тока над тепловым, это связано с тем, что на ФП подается обратное напряжение смещения, приводящее к темновому току, который, в свою очередь, влияет на дробовой ток. Только при нулевом напряжении смещения темновой и, следовательно, дробовой токи отсутствуют.

Главная функция ФП − это как можно более точное воспроизведение оптического сигнала, получаемого из свободного пространства в ЛАСС или ОВ в ВОСС. Две фундаментальные характеристики влияют на то, как хорошо ФП справляется с этой задачей: амплитуда входного сигнала и уровень шумов.

Соотношение с/ш и чувствительность аналоговых систем. Для аналоговых систем отношение с/ш измеряется количественно. На практике приемлемое соотношение с/ш зависит от приложения − для одних хорошим соотношением может быть величина 50 − 60 дБ, для других 30 дБ. Зная РΣ и требования к отношению с/ш, можно определить минимальный входной сигнал РΣ min − чувствительность аналогового ФП или ПРОМ, при котором вносимые искажения и шумы будут в пределах нормы. Этот параметр указывается производителями для ФП при поставке сетевого оборудования с вполне определенной областью приложения. Если входной сигнал ниже чувствительности ФП, то соотношение с/ш

189

Введение в радиооптику

от входной оптической мощности. Это справедливо до тех пор, пока входной сигнал не превышает определенного значения, которое называется насыщением ФП или ПРОМ. В цифровых системах работа каскада усилителей в нелинейной области не столь опасна, однако при больших входных оптических сигналах могут проявляться "хвосты" фототока, остающиеся даже тогда, когда на ФП уже не подается сигнал. В такой ситуации нулевой сигнал на входе, следующий непосредственно за единицей, может неправильно интерпретироваться, что приводит к росту частоты появления ошибок. Насыщением цифрового ФП или ПРОМ называется максимальная входная мощность, выше которого BER начинает превосходить максимально допустимую величину для данного приложения.

Диапазон значений мощности от чувствительности до насыщения ПРОМ называется динамическим диапазоном ПPOM.

Максимально допустимое обратное напряжение Uоб – это напряжение, превышение которого может привести к пробою ФП и его разрушению. Наряду с этим значением или вместо него изготовители ФП могут указывать просто обратное рабочее напряжение. Если выбрать меньшее значение рабочего напряжения, то будет ограничена область линейной характеристики ФП.

Рабочий диапазон температур (оС). Есть две характеристики, на которые сильно влияет изменение рабочей температуры ФП.

Во-первых, это квантовая эффективность, которая может вести себя в общем случае довольно сложным образом с изменением температуры. Напримеp, нa рис. 7.6 (а) показана зависимость квантовой эффективности ФД на основе кремния.

а) б)

Рисунок 7.6 − Зависимость квантовой эффективности ФД на основе кремния

По горизонтальной оси отложена длина волны падающих фотонов, по вертикальной - относительное процентное изменение квантовой

191

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

эффективности при увеличении температуры нa 1 градус. Из рисунка видно, что если длина волны меньше 600 нм, то с ростом температуры квантовая эффективность падает, а при λ > 600 нм квантовая эффективность увеличивается с ростом температуры.

Во–вторых, рост температуры приводит к экспоненциальному росту термических возбужденных электронно-дырочных пар, в результате чего также экспоненциально возрастает темновой ток, рис. 7.6 (б). Утечка тока удваивается при повышении температуры на 8 − 10 оС.

Наработка на отказ (тыс. часов). При правильной эксплуатации ресурс ФП значительно выше, чем у светоизлучающих диодов.

7.3 Методы фотоприема Прямой фотоприем

В классической схеме построения ВОСС непосредственного приема оптических сигналов (с модуляцией по интенсивности) детектируемый ФД ток после усиления малошумящим усилителем и фильтрации, для уменьшения влияния шумов поступает на схему принятия решений – порогового устройства (ПУ), рис. 7.7 [9, 10].

Принятие решений реализуется устройством восстановления синхроимпульсов (УВСН).

Основным показателем качества ФП является отношение с/ш, который на выходе ФД есть среднеквадратичное значение флуктуаций (дисперсии) выходного тока и определяется по формуле Шотки. Дополнительным источником шума в ФП является тепловой шум, обусловленный активным сопротивлением нагрузки.

УВСН СИ

Рисунок 7.7 − ВОСС непосредственного приема оптических сигналов

В случае непосредственного оптического приема сигналов с аналоговой модуляцией ФП содержит (рис. 7.8) собственно ФД, усилитель переменной составляющей выходного тока и фильтры, отделяющие составляющие спектра сигнала от шумов.

Оптическое предусиление светового сигнала лазерными усилителями, вследствие шумов последних, не дает значительного увеличения чувствительности и не оправдывает затрат.

192

Введение в радиооптику

Рисунок 7.8 − Система непосредственного приема сигналов с аналоговой модуляцией

Особый интерес представляют системы оптической связи, использующие предварительную модуляцию поднесущей частоты передаваемым сигналом, рис. 7.9. При этом информационный электрический сигнал поступает на модулятор (М), где происходит первая операция − модуляция поднесущей частоты по амплитуде, либо по фазе или частоте. Затем промодулированная поднесущая частота поступает на оптический излучатель, где происходит вторая операция – модуляция интенсивности оптического излучения.

Рисунок 7.9 − Системы оптической связи, использующие предварительную модуляцию поднесущей

Впринципе это известный метод повышения отношения с/ш и снижения нелинейных искажений, вносимых оптическими излучателями, при условии обеспечения хорошей линейности характеристик модуляторов и демодуляторов (ДМ). Можно показать, что АМ с последующей модуляцией интенсивности менее предпочтительна по сравнению с другими видами модуляции и кроме того, при ЧМ и использовании схем коррекции предискажений получается отношение с/ш на 15 дБ больше, чем при прямой модуляции интенсивности.

Оптический гетеродинный прием

Когерентный прием (в ВОСС и ЛАСС), в котором применяется гетеродинное и гомодинное оптическое преобразование частоты независимо от вида демодуляции (синхронная или несинхронная), осуществляемый по промежуточной частоте. При оптическом гетеродинировании

на входе фотоэлемента смешиваются сигнал мощностью Рс и излучение гетеродина мощностью Рг. Смешение осуществляется с помощью оптического устройства, к которому предъявляются жесткие требования, обеспечивающие точное совмещение волновых фронтов [10].

Впроцессе оптического гетеродинирования происходит усиление сигнала, которое приводит к тому, что основным становится дробовой шум, обусловленный излучением гетеродина, так как мощность

193