6.1. Методы фотодетектирования (прямое фотодетектирование и детектирование с преобразованием). Требования к фотоприемным устройствам

6.2. Фотоприемные устройства с прямым детектированием

6.3. Фотоприемные устройства детектирования с преобразованием

6.4. Усилители фотоприемных устройств. Электрическая и оптическая полоса пропускания

6.5. Оценка соотношения сигнал/шум на выходе фотоприемного устройства

6.6. Особенности построения фотоприёмных устройств при использовании модуляции NRZ-DPSK

Фотоприемное устройство представляет собой сочетание фотодиода и каскада предварительного усиления. Фотоприемные устройства при дополнении их каскадами последующего усиления или цифровыми каскадами могут быть использованы в аналоговых и цифровых системах передачи информации. Фотоприемные устройства входят в состав приемных оптических модулей.

6.1. Методы фотодетектирования (прямое детектирование и детектирование с преобразованием). Требования к фотоприемным устройствам

Среди методов фотодетектирования различают прямое детектирование и детектирование с преобразованием, подразделяемое на гомодинное и гетеродинное.

При прямом детектировании оптический сигнал направляется на фотодетектор и на выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1. Прямое детектирование оптического сигнала

Электрический сигнал образуется в виде изменяющегося электрического тока (фототока), который усиливается каскадом усилителя с малым собственным шумом.

При детектировании с преобразованием оптический сигнал направляется на фотодетектор вместе с сигналом опорного оптического генератора (ООГ), который должен быть согласован с генератором – передатчиком. На выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал или сигнал радиочастоты, содержащий информационный сигнал (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2. Детектирование с преобразованием

При гомодинном детектировании частота несущей оптического сигнала совпадает с частотой ООГ и на выходе ФПУ выделяется информационный электрический сигнал. При гетеродинном детектировании частота несущей отличается от частоты ООГ. Разность этих частот представляет радиочастотный сигнал, модулированный информационным сигналом.

Фотоприемные устройства универсальны в своем применении. Они могут быть использованы в волоконно-оптических системах и открытых атмосферных системах. ФПУ должны удовлетворять ряду требований:

• ФПУ должны обеспечить требуемое качество приема сигнала при изменении мощности сигнала в большом динамическом диапазоне (до 60 ¸ 70 дБ) и требуемой полосе частот;

• ФПУ должны работать длительное время в различных условиях (температурные перепады, изменения давления, влажности и т.д.);

• ФПУ должны обеспечить стыковку с мультиплексорами и оптическими линиями;

• ФПУ должны потреблять малую мощность от электропитающих устройств;

• ФПУ должны легко интегрироваться в схемы приемных модулей с одноволновой и многоволновой передачей.

Выполнение этих требований в полной мере не всегда возможно. При прохождении сигнала через ФПУ к нему добавляются шумы, возникают линейные и нелинейные искажения. Самый большой вклад вносят шумы фотоприемника и входного каскада предварительного усилителя. Поэтому в дальнейшем изложении основное внимание будет уделено преобразованию сигнала во входных цепях ФПУ и устройству усилителя.

6.2. Фотоприемные устройства с прямым детектированием

На рисунке 6.3 представлена структурная схема ФПУ с прямым детектированием.

Рисунок 6.3. Структурная схема ФПУ с прямым детектированием

Через согласующий элемент (СЭ) оптический сигнал подается на фотодетектор (ФД). ФД преобразует оптический сигнал в электрический. ФД представляет собой ЛФД или p-i-n фотодиод. ФД должен иметь максимальную чувствительность на рабочей длине волны. Предварительный усилитель (ПУс) усиливает электрический сигнал. При этом обеспечивается максимальное соотношение сигнал/шум. В состав ПУс может входить противошумовой корректор К, который срезает шумы за пределами полосы частот сигнала. Главный усилитель (ГУс) обеспечивает усиление, необходимое для работы последующих устройств, например, регенератора электрического сигнала. Фильтр-корректор (ФК) корректирует (выравнивает) амплитудную частотную характеристику линейного тракта, компенсируя искажения, вносимые линией и входной цепью ФПУ. Схема автоматической регулировки усиления (АРУ) обеспечивает требуемый динамический диапазон входных сигналов. Это достигается подстройкой коэффициента умножения ЛФД и регулировкой усилителя Гус.

ФПУ включается в качестве составной части в интегральный приемный модуль. На рисунке 6.4 представлен пример такого включения в модуль PGR 60310 [68].

Рисунок 6.4. Интегральный приемный модуль

Таблица 6.1. Технические характеристики приемного модуля

6.3. Фотоприемные устройства детектирования с преобразованием

ФПУ детектирования с преобразованием получили название когерентных устройств, работающих на принципе гетеродинирования принимаемого сигнала. В радиотехнике известен способ приема, при котором сигнал с несущей частоты переносится на удобную для обработки промежуточную частоту. Внесение энергии гетеродина (вспомогательного генератора) в преобразованный сигнал позволяет увеличить его уровень по отношению к собственным шумам приемника. В оптике гетеродинирование позволяет осуществить модовую селекцию, которая проявляется лишь на совпадающих в пространстве модах. Это устраняет фоновую засветку и снижает влияние спонтанного излучения лазера на передаче, работающего в режиме с начальным смещением в области порога генерации.

На рисунке 6.5 представлена структурная схема ФПУ с преобразованием [11].

Рисунок 6.5. Структурная схема ФПУ с преобразованием

Излучение опорного оптического генератора (ООГ), длина волны которого идентична длине волны передаваемого сигнала (для гомодинного приема) или отличается от нее на величину промежуточной частоты для радиочастотного диапазона (гетеродинный прием), складывается с оптическим сигналом в оптическом гибридном соединителе (ОГС) и подается на вход схемы ФПУ. В ООГ используется перестраиваемый по частоте одномодовый узкополосный лазер. Перестройки опорного генератора необходимы для подстройки частоты под частоту передатчика и контроллера поляризации (УПК и АПЧ). Предварительный оптический усилитель (ПОУ) позволяет поднять уровень мощности сигналов. Между сигналом передатчика и гетеродина возникают биения, которые детектируются в ФД. С выхода ФД сигнал поступает на предварительный усилитель (ПУс) с малыми собственными шумами. На выходе сборки ФПУ появляется электрический (видеосигнал) или радиочастотный сигнал. Основное усиление сигнала происходит в главном усилителе радиочастоты или видеоусилителе. Полоса пропускания ГУс для радиочастот примерно равна удвоенной полосе частот сигнала. Дальнейшая обработка радиосигнала происходит в демодуляторе (ДМ). Электрический сигнал с выхода демодулятора может быть направлен в регенератор электрического сигнала (видеосигнала).

Смысл преобразования с гетеродинированием рассматривается на примере простейших соотношений.

Преобразуемый сигнал

(6.1)
где А(t) – информационный сигнал, w _с –частота оптической несущей передачи, j _с - фаза оптической несущей передачи.

Сигнал гетеродина

(6.2)

где В – амплитуда сигнала гетеродина, w _г - частота гетеродина, j _г - фаза гетеродина.

После сложения в ОГС и ПОУ результирующее колебание

(6.3)

где К – коэффициент усиления ПОУ.

Из (6.3) нетрудно заметить, что

(6.4)

Если считать, что произошла точная настройка частоты w _с = w _г, поляризации излучений и фаз j _с = j _г, то можно получить после фотодетектирования

(6.5)

что характеризует идеальный гомодинный прием в ФПУ.

В завершение необходимо отметить, что системы передачи с гетеродинированием пока не получили широкого применения из-за сложности схем приемников и необходимости фиксации поляризации излучения передачи и приема. Это возможно только в волоконных линиях с фиксированной поляризацией (оптические волокна PANDA) [25]. Однако, как показано в некоторых публикациях, гетеродинные методы приема имеют существенные преимущества перед прямым детектированием в оптических системах и позволяют повысить чувствительность приемников на порядок и исключить влияние собственных шумов приемников на качество принятых сигналов. Это преимущество может быть использовано в следующем поколении волоконно-оптических и атмосферных систем передачи [6, 81].

6.4. Усилители фотоприемных устройств. Электрическая и оптическая полоса пропускания

В сборках фотоприемных устройств в качестве предварительных усилителей (ПУс) применяются в основном два типа усилителей: интегрирующие и трансимпедансные.

Схема интегрирующего усилителя приведена на рисунке 5.6.

Рисунок 6.6. Упрощенная схема интегрирующего усилителя ФПУ

Входная цепь интегрирующего усилителя (ИУ) выполняется с использованием затвора полевого транзистора (рисунок 6.7).

Элементы входной цепи ФПУ представлены на рисунке 6.6 как эквивалентные (R_Э, С_Э). Эквивалентное сопротивление определяется

(6.6)

где R_Т – сопротивление "затвор – исток", R_Д - сопротивление фотодиода, R₁ - сопротивление смещения фотодиода, R₂ - сопротивление смещения транзистора.

Рисунок 6.7. Принципиальная схема входной цепи ФПУ с высоким сопротивлением усилителя

Эквивалентная емкость определяется:

(6.7)

где С_Д – емкость фотодиода, С_Т – входная емкость транзистора, С_П – паразитная емкость соединений. Разделительная емкость С_Р (или С_Р1 и С_Р2) во внимание не принимается, т.к. имеет очень большую величину (С_Р >> С_Э) и на частотных свойствах входной цепи для информационных сигналов не играют роли.

Напряжение на входе усилителя без учета С_Э

(6.8)

где I_Ф – фототок, G – коэффициент усиления фотодиода (ЛФД).

Напряжение на входе усилителя с учетом С_Э

(6.9)

Напряжение на выходе усилителя

(6.10)

где К – коэффициент усиления усилителя.

Совмещение усилителя с корректором может расширить до требуемой величину полосы пропускания входной цепи ФПУ

(6.11)

Такой корректор может быть включен после усилителя и обеспечить условие

(6.12)

Кроме того, между фотодиодом и транзистором могут быть включены дополнительные устройства противошумовой коррекции (рисунок 6.8) [11].

Рисунок 6.8. Схема противошумового корректора

Достоинства схемы ФПУ с интегрирующим (еще называемым высокоимпедансным) усилителем состоят в следующем:

• может быть получена благодаря коррекции любая полоса пропускания;

• малые шумы;

• простота схемы для реализации;

• интегрируемость схемы фотодиода и усилителя.

Недостатки этой схемы связаны с ограниченным динамическим диапазоном сигнала и необходимостью индивидуального корректирования полосы частот усиления.

Схема трансимпедансного усилителя отличается от рассмотренной наличием отрицательной обратной связи (рисунок 6.9).

На рисунке 6.10 представлена принципиальная схема входной цепи ФПУ с трансимпедансным усилителем (ТИУ).

Рисунок 6.9. Упрощенная схема трансимпедансного усилителя ФПУ

Рисунок 6.10. Принципиальная схема ТИУ

Полоса частот пропускания ФПУ с ТИУ определяется из простого соотношения [8, 11, 15, 28]:

(6.13)

при условии, что R_OC << R_Э.

Таким образом, выбором значений К и R_ОС может быть достигнута требуемая полоса частот усиления.

Достоинствами ФПУ с ТИУ являются:

• большой динамический диапазон входных сигналов;

• простота регулировки полосы частот усиления без дополнительных корректоров;

• простота настройки схемы.

Недостатками следует считать:

• возможную неустойчивость работы усилителя при разной глубине обратной связи в широкой полосе частот;

• уменьшенное соотношение сигнал/шум на выходе усилителя из-за дополнительно шумящего сопротивления R_ОС.

Необходимо заметить, что в случае применения p-i-n ФД порог чувствительности определяется шумами схемы усилителя. При этом шум полевого транзистора существенно меньше шума биполярного транзистора, однако биполярный транзистор обеспечивает лучшую передачу энергии высоких частот. В случае использования ЛФД шум схемы усилителя имеет меньшее значение, а при больших коэффициентах G (лавинного умножения) совсем не влияет на порог чувствительности ФПУ.

Рассмотренным схемам ФПУ с ИУ и ТИУ можно поставить в соответствие эквивалентную электрическую схему (рисунок 6.11) и амплитудную частотную характеристику, по которой оценивается полоса пропускания (рисунок 6.12).

Рисунок 6.11. Эквивалентная электрическая схема ФПУ

Завалы АЧХ на нижних и верхних частотах обусловлены наличием в схеме разделительной емкости С_Р и емкостей С_{ВХ УС}, С_В, С_Д.

Со значением эквивалентной индуктивности L_В обычно не считаются, т.к. значение jw L_В << 1/(jw C_Э).

Рисунок 6.12. Амплитудно-частотная характеристика входной цепи ФПУ

С точки зрения согласования волоконно-оптической линии с фотоприемным устройством важно знать о соотношении полосы пропускания линии и ФПУ, т.е. оптической и электрической полос.

Полоса пропускания оптическая оценивается по уменьшению входной мощности на 3 дБ:

(6.14)

Полоса пропускания электрическая оценивается по уменьшению величины фототока на 3 дБ:

(6.15)

Таким образом, можно сравнить:

(6.16)

Уменьшение величины фототока в два раза соответствует 6 дБ, а уменьшение величины мощности составит 3 дБ. На рисунке 6.13 соотношение между полосами пропускания показано графически. При этом влияние разделительной емкости не учитывается.

Рисунок 6.13. Электрическая и оптическая полосы пропускания ФПУ

Установлено, что для импульсных сигналов, передаваемых в ВОСП, имеется следующее соотношение между скоростью передачи, электрической и оптической полосами пропускания [8, 82]:

(6.17)

(6.18)

где F_Э – электрическая полоса пропускания, F_О – оптическая полоса пропускания, а соотношения (6.17) и (6.18) соответственно относятся к форме импульсов прямоугольной и гауссовской (колоколообразной).

6.5. Оценка соотношения сигнал/шум на выходе фотоприемного устройства

Оценка соотношения сигнал/шум на выходе ФПУ принципиально важна для прямого детектирования, т.к. позволяет выявить порог чувствительности ФПУ, отвечающий определенному качеству передачи информации. Это качество может быть выражено как соотношение сигнал/шум (в дБ) или представлено коэффициентом ошибок (вероятность неправильно принятых двоичных символов из общего числа переданных в единицу времени).

Подробное исследование соотношения сигнал/шум для схем ФПУ с ТИУ и ИУ проведено в [8, 11, 14].

Для схемы с интегрирующим усилителем получено соотношение:

(6.19)

где U_У – шум усилителя (для входной цепи), - шум усилителя (для движения носителей), К – постоянная Больцмана, Т – температура по Кельвину, F – коэффициент шума ЛФД, G – коэффициент усиления ЛФД, R_Э и С_Э – эквивалентные сопротивление и емкость входной цепи ФПУ, f_C – полоса частот сигнала, е – заряд электрона, - фототок.

Соотношение (6.19) показывает, что реальным путем достижения требуемой величины с/ш может быть выбор оптимального G, при котором рядом составляющих шума можно пренебречь.

Для схемы с трансимпедансным усилителем получено отличное от (6.19) соотношение:

(6.20)

В соотношении (6.20) появляется значение R_ОС, которое может определить изменение в составляющих шума.

Из соотношений (6.19) и (6.20) можно получить условия реализации идеального фотоприемного устройства и определить квантовый предел детектирования.

Если предположить, что G >> 1, тогда соотношение (6.19) и (6.20) можно свести к следующему:

(6.21)

для идеального прибора ЛФД (F =1):

(6.22)

Тогда требуемая величина фототока для выполнения соотношения сигнал/шум составит

(6.23)

Для реального ФПУ с учетом шумов лавинного фотодиода и соотношений (5.5), (5.6) можно получить минимальную мощность оптического сигнала на входе ФД:

(6.24)

6.6. Особенности построения фотоприёмных устройств при использовании модуляции NRZ-DPSK

Модуляция вида NRZ-DPSK для высокоскоростных систем 10 и 40Гбит/с признана высокоэффективной с точки зрения использования спектра и помехоустойчивости (рисунок 6.14). При этом для построения приёмника необходимо использование двух фотодетекторов и дифференциального усилителя (рисунок 6.15). Оптический сигнал разделяется в интерферометре фазового демодулятора для подачи на фотодетекторы (рисунок 6.16), где в одном из выходов производится задержка передачи на один временной такт. Приведённый пример интерферометра имеет определённую температурную устойчивость на длине задержки (L+СDt), где С – температурный коэффициент, Dt – изменение температуры. На выходе дифференциальной схемы демодулятора восстанавливается электрический импульсный сигнал (рисунок 6.17).

Рисунок 6.14. Сравнительная оценка эффективности модуляции NRZ-DPSK(с дифференциальной фазовой модуляцией) и NRZ-OOK(с передачей одной боковой полосы частот и несущей)

Рисунок 6.15. Особенность построения приёмника ВОСП с внешней модуляцией вида NRZ-DPSK

Рисунок 6.16. Построение и конструкция интерферометра фазового демодулятора

Рисунок 6.17. Восстановление электрического сигнала на выходе балансного фотодетектора

Контрольные вопросы

1. Что представляет собой фотоприемное устройство?
2. Чем отличаются прямое детектирование и детектирование с преобразованием?
3. Каким требованиям должны удовлетворять ФПУ оптических систем связи?
4. Какие элементы входят в ФПУ с прямым детектированием? Какое они имеют назначение?
5. Какие элементы входят в ФПУ с преобразованием? Чем они отличаются от элементов ФПУ прямого детектирования?
6. Какие достоинства и недостатки имеют усилители ФПУ?
7. Что отличает электрическую и оптическую полосы пропускания ФПУ?
8. Каким образом связаны электрическая и оптическая полосы частот ФПУ?
9. Чем определяется соотношение сигнал/шум в схеме ФПУ с интегрирующим усилителем и p-i-n фотодиодом?
10. Чем определяется соотношение сигнал/шум в схеме ФПУ с трансимпедансным усилителем и ЛФД?
11. Каким образом определяется минимальная мощность на входе фотодетектора?
12. Что представляет коэффициент ошибок?
13. Какой тип ФПУ имеет более высокую чувствительность?
14. По каким параметрам должны быть совместимы передающие и приемные оптические модули?
15. Определить возможность совместной работы передающего модуля с ППЛ ИЛПН-234-Б и приемного модуля PGR60310.