Приемники оптического излучения

Фотоприемное устройство ВОСП предназначено для преобразования оптических сигналов в электри­ческие. Оно должно обладать высокой чувствительностью в рабочем диапазоне волн, малой инверсностью, низким уровнем шума и др. Чувствительность фотоприемного устройства должна быть достаточ­ной для обеспечения требуемой длины регенерационного участка опти­ческой системы передачи. Кроме этого, фотоприемное устройство дол­жно поддерживать отношение сигнал-шум на выходе не менее заданного значения в пределах допустимых изменений температуры и в требуемом динамическом диапазоне принимаемых сигналов.

Таким требованиям удовлетворяют полупроводниковые фотодиоды.

В ВОСП нашли применение фотоприемные устройства на основе так называемых p-i-n фотодиодов и лавинных фотодиодов, в которых используется внутренний фо­тоэффект.

Работа фотодиодов основана на использовании р-п перехода меж­ду полупроводниками р и п -типа, способного поглощать детектируе­мое излучение. При попадании светового излучения на р-п переход большая часть поглощенной энергии идет на образование пар элект­рон-дырка.

Повышение чувствительности может быть достигнуто различными методами.

Так, для увеличения глубины объединенного слоя между р и n -полупроводниками помещается слой нелегированного полупровод­ника (i -область, область собственной проводимости), что приводит к увеличению образующихся при оптическом излучении пар электрон-дырка и фототоку. Такой фотодиод называется р-i-п фотодиодом и обладает более высокой чувствительностью.

Чувствительность фотодиодов повышается, если использовать эф­фект умножения, возникающий в диодах с очень высоким напряжени­ем смещения, близким к напряжению пробоя. При этом в запирающем слое фотодиодов образуются настолько высокие напряжения поля, что электрические носители заряда, получаемые при падении света, сами вырабатывают новые пары носителей заряда в результате ударной иони­зации. Таким образом, каждый фотон высвобождает множество элек­трических пар носителей заряда. На этом эффекте основаны лавинные фотодиоды. Чувствительность лавинного фотодиода растет с увеличе­нием коэффициента умножения, но в такой же пропорции уменьшается его быстродействие. Так как коэффициент умножения в значительной степени зависит от напряжения смещения, его необходимо стабилизи­ровать. Поэтому на коротких линиях связи и при малых скоростях передачи предпочтение отдается p-i-n фотодиодам.

Для изготовления фотодиодов используются кремний, германий и различные компонентные соединения типа InP, InGaAs, InGaAsP, обладающие различными значениями коэффициента поглощения оптического излучения. Кремниевые фотодиоды используются в диапа­зоне длин волн до 1,0 мкм. Германиевые фотодиоды и фотодиоды на основе сплавов InGaAs, InGaAsP, используются в диапазоне длин волн 1,3...1,6 мкм.

На рисунках 7.4, 7.5 показаны структурные схемы p-i-n фотодиода и кремниевого лавинного фотодиода.

Рисунок 7.4 - Структурная схема p-i-n фотодиода:

1 — р⁺ - ограничитель канала; 2 — п - охранное кольцо; 3— Si₃N₄; 4 — п- контакт;

5 —Si0₂; 6 — р- контакт

В ВОСП под чувствительностью приемника обычно понимается минимальная мощность входного оптического сигнала, при которой обеспечивается коэффициент ошибки равный 1·10¹⁰. Эта мощность зависит только от двух параметров — квантовой эффективности и уровня шумов, которые в свою очередь зависят от типа фотодиода и усилителя, являющихся основными элементами приемника. Посколь­ку в современных фотодиодах квантовая эффективность близка к теоретическому пределу, то именно уровень шумов определяет чув­ствительность приемника.

Рисунок 7.5 - Структурная схема кремниевого фотодиода

1 — п- контакт; 2 - р⁺ - 3 – р^- - In_0,53Gа_0,47Аs; 4 — n^- - InP; 5—р⁺ - InP;

6—р⁺- InP; 7 - р— контакт

Основными составляющими шума в оптическом приемнике явля­ются тепловой шум усилителя, дробовой (квантовый) шум оптичес­кого сигнала и дробовой шум темнового тока фотодиода. Дробовой шум обусловлен дискретной природой тока оптического сигнала и темнового тока фотодиода, или тока утечки. Последний связан с образовани­ем пар электрон-дырка в фотодиоде под влиянием оптического излучения и воз­растает с повышением температуры.

Составляющие шума приемника име­ют различную энергетическую плот­ность: тепловой шум усилителей на 1...3 порядка превышает дробовой шум сиг­нала и фотодиода.

Если используется pin фотодиод, то преобладающим в приемнике является тепловой шум усилителя, имеющий наи­большую энергетическую плотность. Он ограничивает чувствительность прием­ника до 40 дБм.

При использовании лавинного фотодиода с коэффициентом усиле­ния М за счет процесса лавинного умножения коэффициент шума М^х, где х = 0,2... 1,0. Существуют значения коэффициента умножения М, при которых обеспечивается оптимальный прием оптического сигнала — дробовой шум фотодиода в этом случае превышает теп­ловой шум усилителя. Значение оптимального коэффициента умноже­ния в различных лавинных фотодиодах колеблется от 15 до 70, при этом их коэффициент шума находится в диапазоне 3...15 дБ.

В таких приемниках ограничивающим фактором является дробо­вой шум лавинного фотодиода, энергетическая плотность которого на 1...3 порядка меньше энергетической плотности теплового шума уси­лителя. Этим достигается улучшение чувствительности приемников на основе лавинных фотодиодов: до 50 дБм.

Характер связи между фотодиодом и усилителем влияет на иска­жения сигнала в приемнике, на чувствительность, динамический ди­апазон, и, как следствие, на тип кода линейного сигнала цифровых ВОСП. По этому признаку оптические приемники разделяются на приемники со связью по постоянному и со связью по переменному току.

Приемники со связью по постоянному току реагируют на сигналы в любом коде ВОСП от постоянного тока до сигналов с некоторой частотой, определяемой верхней частотой его полосы пропускания. Отсутствие переходных конденсаторов между фотодиодом и усилите­лем повышает быстродействие приемника. Недостатком приемников этого типа являются искажения длительности импульсов из-за приме­нения компараторов, что ограничивает скорость передачи и динами­ческий диапазон принимаемого сигнала в цифровых ВОСП.

В приемнике со связью по переменному току в цепи между фото­диодом и усилителем устанавливается конденсатор, который с нагру­зочным сопротивлением образуют RC- цепь.Такая цепь является пе­реходной и позволяет отделить постоянную составляющую при усилении или преобразовании сигналов, если постоянная времени Т = RC больше или равна длительности импульсных сигналов (t_и) восп.

Таким образом, приемник со связью по переменному току при Т t _и налагает определенные требования к коду линейного сигнала и режиму передачи данных. Более гибким является приемник, у ко­торого Т<< t_н — приемник со связью по фронтам сигнала. Цепью связи в таком приемнике пропускаются только фронты импульсов, происходит операция дифференцирования. Дифференцирование влия­ет на отношение сигнал/шум, ухудшая его.

Приемник со связью по фронтам сигнала не накладывает каких-либо ограничений на формат передаваемых данных, длину последо­вательностей «1» или «0», не требует заполнения пауз, но платой за эти преимущества является снижение чувствительности приема на 8,2 дБ.

Чувствительность приемника любого типа зависит также от схемы усилителя и применяемой в нем элементной базы.

Шум на выходе приемника будет минимальным, если входное сопротивление предварительных каскадов усилителя будет выбрано большим. При этом происходит ограничение динамического диапа­зона.

В приемниках ВОСП используются две схемы усилителей: высокоимпедансная и трансимпедансная. Самым низким уровнем шумов обладают приемники с высоким входным импедансом, обеспечивае­мым усилителем на полевых транзисторах. Однако в таких усилите­лях трудно избежать перенасыщения при больших уровнях сигнала. Этого недостатка лишены трансимпедансные усилители — усилители с большим коэффициентом усиления и высоким входным импедансом, охваченным обратной связью, что обеспечивает низкий уровень шумов при широком динамическом диапазоне.

На рисунке 7.6 представлена упрощенная блок-схема оптоволоконного прием­ника. PIN-диод или APD размещены на этом рисунке слева. Большую часть приемника составляют электрические схемы.

На рисунке 7.6 показаны различные компоненты оптоволоконного приемника, где фотодиод (PIN-диод или APD) - только один из них. Предусилитель — другой ключевой элемент, который определяет характеристики приемника в целом. Выход сигнала, принятого фотодиодом, — это точка, где сигнал самый слабый и наиболее подвержен искажениям от действия шума. Этот сигнал является входным для предусилителя. Роль предусилителя — усилить сигнал для дальнейшей его обработки.

При проектировании предусилителя приходится идти на компромисс между высокой скоростью и чувствительностью. Входное напряжение пре­дусилителя может быть увеличено путем использования большого нагрузоч­ного сопротивления R_L. В этом случае часто используется схема с высоким импедансом (см. рисунок 7.6(б)). Большое значение R_L уменьшает тепловой шум и улучшает чувствительность приемника. Однако такое решение имеет свой недостаток — низкую полосу пропускания. Полоса частот приемника, как известно, определяется его самым низкочастотным компонентом. Если по­лоса частот схемы приемника с высоким сопротивлением значительно мень­ше, чем требуется для данной скорости передачи, то он не может быть ис­пользован. Для преодоления этого недостатка, иногда используется схема выравнивания частотной характеристики (в сторону высоких частот). В этой схеме фильтр ослабляет низкочастотные составляющие больше, чем высо­кочастотные, что позволяет эффективно скорректировать (увеличить) поло­су пропускания. Там, где чувствительность не столь важна, можно уменьшить R_L, чтобы увеличить полосу пропускания. Такое решение носит название схемы с низким импедансом.

На рисунке 7.6(в) показана схема с трансимпедансом. Это решение позволяет получить большую полосу пропускания и высокую чувствительность. Здесь R_L расположен в цепи обратной связи инвертирующего усилителя. В этом случае R_L может быть достаточно большим, так как отрицательная обратная связь уменьшает эффективный входной импеданс пропорционально усиле­нию G такого усилителя. Полоса пропускания такой схемы увеличивается также в G раз, по сравнению со схемой с высоким импедансом. Многие типы оптических приемников используют схему с трансимпедансом, благодаря ее большой ширине полосы и высокой чувствительности. Однако и здесь есть определенные вопросы, связанные со стабильностью петли обратной связи.

Следующими компонентами такого приемника являются усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления и низкочастотный фильтр. Коэффициент усиления усилителя управляется автоматически, с помощью схемы АРУ, для ограничения изменения среднего значения относительно фиксированного уровня, вне зависимости от средней оптической мощности, падающей на приемник. ФНЧ формирует импульс напряжения. Фильтр используется с целью уменьшения шума без внесения межсимвольных искажений. Этот фильтр также определяет ширину полосы пропускания приемника.

Рисунок 7.6 (а) Упрощенная блок-схема функционирования приемника, (б) Уп­рощенная электрическая модель с высоким входным импедансом, (в) Трансимпедансный вход

Его полоса пропускания меньше, чем эквивалентная скорость передачи, тогда как полоса пропускания других компонентов приемника проектируется так, чтобы быть больше эквивалентной скорости передачи.

Последним компонентом на рисунке 7.6 является схема принятия решений. Восстановленные сигналы таймера обеспечивают синхронизацию и побит­ное таймирование. Схема принятия решения сравнивает выходное напря­жение усилителя напряжения на выходе фильтра с пороговым уровнем и определяет, для каждого битового интервала, является ли принятый сигнал двоичной 1 или 0. Длительность битового интервала для формата NRZ рав­на 1/В, где В — скорость передачи. Например, сигнал формата NRZ 1 Мбит/с имеет длительность битового интервала 1 мкс. Сигнал при скорости переда­чи в 1 Гбит/с имеет длительность 1 нс, а при скорости передачи в 10 Гбит/с — 0,1 нс или 100 пс.

Еще одна важная характеристика фотодиодного приемника — динамичес­кий диапазон. Допустим, что приемник спроектирован так, что оптимизиро­ваны чувствительность и ширина полосы. Один из таких приемников работает на 10 ГГц, имеет порог, для BER 10^-10, порядка —34,0 дБм (опорный уровень по мощности в 1мВт). Его динамический диапазон — 26 дБ. Это значит, что любой принятый сигнал больше, чем —8 дБм, будет перегружать приемник. Проектировщик системы может подойти к решению этой ситуации просто. Он поставит аттенюатор, так чтобы принятый сигнал всегда укладывался в динамический диапазон приемника.

Использование глазковой диаграммы считается грубым, но быстрым, мето­дом получения достаточно хорошей оценки качества принятого сигнала. На рисунке 7.7(a) показана идеализированная глазковая диаграмма, без следов како­го-либо ухудшения качества сигнала. Рисунок 7.7(б) показывает прекрасную глазковую диаграмму реального сигнала, без ухудшения качества. В этом случае эксперимент проведен в лаборатории, где передатчик и приемник соединены непосредственно, с использованием соответствующего аттенюатора. Глазко­вая диаграмма позволяет отображать на экране осциллографа две или больше двоичные последовательности одна поверх другой. Если ворота схемы приня­тия решений приемника в точности соответствуют битовому периоду двоич­ного потока, то мы получим картину глазковой диаграммы, приведенную на рисунке 7.7(б). Она должна демонстрировать максимальное возможное открытие «глаз». Если глаза начинают закрываться, мы можем наблюдать картину, по­хожую на ту, что продемонстрирована на рисунке 7.7(в).

Рисунок 7.7(a) - Идеализированная глазковая диаграмма. Нет ухудшений сигнала

Следующий комментарий будет полезен в интерпретации глазковой диа­граммы:

- Высота от верха до низа глазковой диаграммы является мерой шума в сигнале. Как только линии становятся толще и мохнатее, схема оказы­вается больше подверженной шуму и можно ожидать ухудшения каче­ства сигнала, т.е. BER. Высота открытой части глазковой диаграммы является мерой запаса по шуму. Как только схема начнет ухудшать сиг­нал под действием шума, «глаза» начинают все больше закрываться.

- Ширина сигнала в центральной части глазковой диаграммы является мерой накопленного джиттера (дрожания фазы). Если линии тонкие, как на рисунке 7.7(a), то уровень накопленного джиттера мал. Чем шире линии в центре глазковой диаграммы, тем больше уровень джиттера.

Рисунок 7.7(б) - Глазковая диаграмма сигнала со скоростью передачи 622 Мбит/с, формат NRZ, передатчик и приемник соединены непосредствен­но (выход на вход) с соответствующим аттенюатором

- Расстояние между двумя точками пересечения оси времени дает отно­сительную меру битового периода.

Рисунок 7.7(в) - Сигнал в чем-то ухудшенный, скорость 622 Мбит/с, формат NRZ, длина звена 15 км. Время показано по оси х, амплитуда сигнала - по оси у. Расстояние между двумя пересечениями оси времени соответ­ствует 1 битовому периоду

Иногда на дисплей осциллографа накладывается маска. Если сигнальные линии на дисплее остаются за границами маски, то схема считается прием­лемого качества. Дисплей с маской служит качественной характеристикой уровня шума, джиттера, времени нарастания и спада и длительности битово­го импульса. Глазковая диаграмма дает качественные, а не точные количе­ственные, оценки уровня качества.