7.1. Общие сведения
Приемный оптоэлектронный модуль (ПрОМ) или оптический приемник обеспечивает преобразование входного оптического сигнала в выходной электрический (цифровой или аналоговый) сигнал.
Основными функциональными элементами приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ) являются:
- фотоприемник, преобразующий полученный оптический сигнал в электрическую форму,
- каскад электрических усилителей, усиливающих сигнал и преобразующих его в форму, пригодную к обработке,
- демодулятор, воспроизводящий первоначальную форму сигнала.
Обобщенная структурная схема ПрОМ представлена на рис.26.
Рис.26
Главным элементом приемного оптоэлектронного модуля является - ФОТОПРИЁМНЫЙ ДИОД.
В основе работы фотоприемника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда, для чего используется конструкция с p-n переходом (p-i-n фотодиоды (ФД), лавинные фотодиоды (ЛФД), фототранзисторы). p-n переход включен в обратном направлении.
7.2. p-i-n фотодиод
Рис.27. p-i-n фотодиод
Таким образом, в p-i-n ФД между сильно легированными слоями р+ и n+ типа расположен обедненный свободными носителями i-слой (слаболегированный полупроводник n-типа, i - intrinsic - собственный) (рис.28). На ФД подается обратное смещение. Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальный градиент электрического поля создается в i-слое. Так как нет свободных носителей, то нет тока и i-слой испытывает только поляризацию. При наличии падающего света на i-слой, в нем образуются электронно-дырочные пары, которые под действием электрического поля движутся и образуют электрический ток.
Рис.28
Эффективным является взаимодействие света только с i-слоем, т.к. при попадании фотонов в р+ и n+ слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. Поэтому эти слои стремятся делать как можно тоньше, а обедненную область достаточно протяженной, чтобы она полностью поглощала весь падающий свет.
Квантовая эффективность обедненной области в рабочем диапазоне длин волн достаточно высока 80-100%. Однако часть падающего излучения испытывает Френелевское отражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на границе между этой поверхностью и средой. Для уменьшения отражения приемную поверхность обедненного слоя покрывают антиотражающим слоем, подобранным прозрачным для l материалом толщиной кратной l/4 и показателем преломления Ön1n2 (i-слоя и воздуха).
Кроме PIN фотодиодов используютя APD фотодиоды (или лавинные фотодиоды – ЛФД, рис.29).
7.3. Лавинный фотодиод
Главное отличие лавинного фотодиода (ЛФД) — внутреннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала.
Рис.29
У ЛФД добавляется р-слой (p+-i-р-n+ структура) (рис.29). Причем профиль распределения легирующих примесей таков, чтобы наибольшее сопротивление, а, значит, и наибольшую напряженность электрического поля имеет р-слой. При воздействии света на i-слой, как и в PIN ФД, образуются электронно-дырочные пары. Благодаря небольшому полю, происходит направленное движение носителей к полюсам. При попадании свободных электронов из i-слоя в р-слой они получают большее ускорение. Ускоряясь в зоне проводимости р-слоя, такие электроны накапливают энергию, достаточную, чтобы выбить другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. Это процесс лавинного усиления или умножения первичного фототока.
Коэффициент умножения несколько десятков и токовая чувствительность ЛФД выше. ЛФД имеют высокое быстродействие, однако случайная природа лавинного тока приводит к шуму. Однако, у ЛФД более высокое рабочее напряжение по сравнению с p-i-n и повышенная температурная чувствительность коэффициента умножения. Поэтому необходима цепь, вырабатывающая нужное рабочее напряжение и система термостабилизации.
7.4. Технические характеристики фотоприемников (ФПр)
Токовая чувствительность (А/Вт) Sph – отношение фототока к полной оптической мощности излучения на l, падающего на площадку ФПр.
Квантовая эффективность h– отношение количества фотонов, падающих за единицу времени на приемник, к количеству рожденных в результате этого свободных электронов (или электронно-дырочных пар). Sph =еl/(hc)* h =lh/1,24. Для p-i-n квантовая эффективность не может быть больше 1, а токовая чувствительность составляет 0,5-0,8 А/Вт. Для ЛФД 20-60 А/Вт.
Характеристики Sph и h используют при создании ПРОМ, когда необходимо согласовывать последующий каскад электронных усилителей.
Темновой ток протекает при обратном смещении через нагрузку в отсутствие падающего света. Его величина зависит от материала полупроводника, температуры среды, конструкции приемника.
Шумовой ток складывается из дробового и теплового Джонсоновского токов. Зависит от полосы пропускания (частота модуляции).
Время нарастания (спада) – самая важная динамическая характеристика фотоприемника. Это время, за которое выходной сигнал нарастает от 0,1 до 0,9 от установившегося максимального значения, при условии, что на вход подаются импульсы прямоугольной формы большой длительности. Зависит от геометрии ФД, материала, напряженности электрического поля в слаболегированной области, температуры.
С увеличением частоты модуляции входных импульсов максимальный фототок уменьшается. Предельная частота определяется как частота модуляции, при которой токовая чувствительность=0,707 токовой чувствительности при низких частотах модуляции.
Эти времена в основном определяют полосу пропускания. Для p-i-n 0,01-5нс, для ЛФД 0,3-1нс.
Эквивалентная мощность шума – определяет минимальную мощность оптического сигнала на входе ФПр, при которой С/Ш=1.
Pш= Iш/ Sph, пропорциональна квадратному корню из полосы пропускания.
С/Ш зависит от приложения. Может быть хорошо 50-60 дБ, а может 30дБ.
Чувствительность аналогового ПРОМ- минимальная входная мощность, при которой вносимые искажения и шумы в пределах нормы.
Частота появления ошибок BER-отношение неправильно принятых битов к полному числу принятых битов. BER не больше 10-9, в вычислительных сетях - 10-12. Зависит от скорости передачи.
Чувствительность цифрового ПРОМ- минимальная мощность входного сигнала, при которой BERне выходит за рамки максимального значения.
Диапазон значений мощности от чувствительности до насыщения ПРОМ называется динамическим диапазоном.
Максимально допустимое обратное напряжение.
Рабочий диапазон температур. Влияет на квантовую эффективность, темновой ток.
Наработка на отказ.