Оптичніприймальні пристрої
1. Загальні відомості
Функцією оптичногоприймального пристрою (ОПрП) є оптична демодуляція, або перетворення оптичнихімпульсів в електричні сигнали з їх подальшим підсиленням та обробкою(регенерацією, фільтрацією і т.ін.). Приймальні пристрої ВОСП, подібнорадіочастотним аналогам можна поділити на три групи: пристрої з попереднім оптичнимпідсилюванням, з гетеродинним прийомом, з прямим (або безпосереднім)детектуванням. Кожний з методів детектування забезпечує певну чутливістьприймального пристрою під час перетворення світла в електричний струм та уподальшій обробці електричного сигналу.
Під чутливістюприймального пристрою розуміють мінімальну потужність оптичного сигналу навході фотодетектора, що забезпечує необхідну якість прийому, яка оцінюєтьсявідношенням сигналу до шуму в аналогових системах та ймовірністю помилки уцифрових системах. Найбільшу чутливість забезпечують пристрої з безпосереднімоптичним підсилюванням та з гетеродинним прийомом.
У ВОСП нових поколінь, системахкабельного телебачення, системах великої протяжності (трансокеанічні,трансконтинентальні) передбачене використання оптичних підсилювачів (ОП).Використання ОП дозволить поліпшити технічні характеристики ВОСП (енергетичнийпотенціал, довжину регенераційної дільниці). Оптичні підсилювачівикористовуються як попередні підсилювачі фотоприймальних пристроїв, як лінійніпідсилювачі-ретранслятори, підсилювачі потужності в оптичному передавальномупристрої.
Розроблені оптичніпідсилювачі таких типів: напівпровідникові оптичні підсилювачі,волоконно-оптичні підсилювачі. Напівпровідникові оптичні підсилювачі мають малірозміри, енергоспоживання, вони можуть ефективно поєднуватись з елементамиінтегральної оптики. Волоконно-оптичні підсилювачі мають кращі характеристики упорівнянні з напівпровідниковими оптичними підсилювачами, але вони доситьскладні та мають більшу енергоємність. Оптичними напівпровідниковимипідсилювачами є напівпровідникові лазерні підсилювачі та оптичні транзистори.Оптичний транзистор – активний оптоелектронний прилад, заснований на власнійоптичній бістабільності, управляється оптичним випромінюванням. Цей прилад можевиконувати функції комутатора, осередка пам’яті, підсилювача, обмежувача. Усіці функції виконуються в оптичному діапазоні.
Для волоконнихпідсилювачів використовуються такі ефекти:
— підсилення оптичнихімпульсів у світловодах з показником заломлення, що періодично змінюється;
— підсилення лазерноговипромінювання внаслідок примусового комбінаційного розсіювання (ПКР).
При розповсюдженніоптичного імпульсу по світловоду, в якому створена поступальна низькочастотнахвиля змінення коефіцієнта заломлення, потужність імпульсу світла можезбільшитись у декілька разів, за умови, що групова швидкість імпульсу, щорозповсюджується, співпадає з фазовою швидкістю хвилі показника заломлення.Крім підсилення цього разу виникає також звуження оптичного імпульсу, щозменшує дисперсію у волоконному світловоді.
В останні роки практичновирішена проблема підсилення оптичних імпульсів з використанням ПКР у другомута третьому вікнах прозорості. Для забезпечення підсилення у волокно одночасноз сигналом, що підсилюється вводиться випромінювання накачування з меншоюдовжиною хвилі. При цьому для підсилення світлових імпульсів з довжиною хвиліоптичної несучої, що дорівнює1,35 мкм, потрібно джерело випромінювання здовжиною хвилі, що приблизно дорівнює 1,24 мкм. Для волоконних підсилювачіввикористовуються волокна, що легіруються ербієм. В наведені дані про волоконнийПКР підсилювач, що забезпечує підсилення 45 дБ, при цьому потужністьнакачування дорівнює 750 мВт, а також про підсилювач з коефіцієнтом підсилення24 дБ при потужності накачування 400 мВт. У волоконних підсилювачах на основіефекту ПКР може здійснюватись як побіжне, так і зустрічне накачування. Схемаволоконного підсилювача наведена на рис. 1.
Волоконні підсилювачі наоснові ПКР можуть бути примінені тільки для ліній зв’язку з одномодовимисвітловодами та з випромінювачами когерентного світла, ширина спектравипромінювання яких не перевищує декількох нанометрів. Використання волоконнихпідсилювачів дозволяє збільшити довжину регенераційної дільниці до 100-150 км.
Незважаючи на те, щонайбільшу чутливість забезпечують приймальні пристрої з оптичним підсилюваннямта з гетеродинним прийомом, на практиці найбільш поширеним є безпосереднє(пряме) детектування оптичних сигналів. Цього разу вхідний оптичний сигнал можебути як когерентним, так і некогерентним, що дозволяє використовувати як лазерні випромінювачі, так і світлодіоди.
При оптичномугетеродинному прийомі на фотодетектор подається сумісно з сигнальним світловимпотоком опорна світлова хвиля лазера, що діє як гетеродин (рис. 3).
Фотострум єпрямопропорційним оптичній потужності, що падає на фотодетектор, або він єпропорційним амплітуді світлової хвилі. Тому що характеристика ФД квадратична,при накладенні двох хвиль – сигнальної з частотою fC, та опорної з частотою f0 виникають биття з від’ємною частотою між хвилею опорногооптичного сигналу та хвилею гетеродина. На цю проміжну частоту настроюєтьсяпідсилювач проміжної частоти, який підсилює сигнал, далі призводитьсяфільтрація сигналу та подальша його обробка.
/>
/>
При гетеродинному прийоміпотрібне точне та стабільне перенесення гетеродином сигнальної хвилі напроміжну частоту. Крім того, фазові фронти сигнальної та опорної хвиль потрібнібути паралельними, щоб при їх накладанні струми від усіх дільниць апертурифотодетектора складались у фазі. На рис. 3 зображено накладання хвиль сигналута гетеродина з кутом qміж ними. Доведено, що при q=0, коли фазові фронти обох хвиль співпадають, струм проміжної частотимає найбільше значення, а межі кута q досить вузькі, вони не перевищують декількох градусів. Крімцього, накладаються вимоги на ступінь спотворень фазових фронтів обох хвиль.Існує оптимальна потужність гетеродина, яка не збільшує шумів при детектуванні.
При оптичному змішуваннізміна частоти та фази сигнального випромінювання безпосередньо переноситься напроміжну частоту, тому гетеродинний прийом може бути застосований для прийманнясигналів, що модулюються не тільки за інтенсивністю, але й за фазою тачастотою.
Фотодетектор длягетеродинного прийому повинен мати високий квантовий вихід та високу швидкодію,що відповідає діапазону проміжних частот. Якщо гетеродин має досить високупотужність, то підсилювання фотоструму у фотодетекторі непотрібне, більш того,застосування лавинного фотодетектора призведе до значного збільшення шумів.
Необхідність точногоспівпадання фазових фронтів сигналу та гетеродина, вимоги щодо малих викривленьцих фронтів потребують когерентності хвиль сигналу та гетеродина. Цей засіб підвищуєчутливість прийому на 15-20 дБп, він застосовується у когерентних оптичних системах. Вже проводяться розробкикогерентних ВОСП, довжина дільниці регенерації в яких сягає 120-200 км. Безпосередній оптичний прийом аналогічний прийому з прямим підсиленням високочастотнихсигналів. На рис. 4 наведена структурна схема безпосереднього оптичногоприйому.
/>
Згідно з рис. 3 світлова хвиля падає безпосередньо на світлочутливу площадку фотодетектора, де перетворюється в електричний сигнал, який підсилюється високочутливим підсилювачем, далі вирівнюється (якщо це цифровий сигнал) та фільтрується. Слід відзначити особливості підсилювача. Перший його каскад повинен мати високу чутливість та виконувати функціїузгоджуючого пристрою, тобто це перетворювач типу «струм-напруга», він узгоджує опір генератора струму, яким є фотодетектор з вхідним опором наступного каскаду. Приймальним пристроям безпосереднього детектування властиві такі важливіособливості: простота виготовлення, налагодження та експлуатації, високанадійність та стабільність параметрів і характеристик, малі габарити та маса,низька енергоємність. Більшість сучасних ВОСП використовують пристроїбезпосереднього детектування, детектором оптичного випромінювання є фотодіодабо лавинний фотодіод, на вході попереднього підсилювача з малим рівнем шуміввикористовуються польові або біполярні транзистори. Чутливість широкополосних(або високошвидкісних) приймальних пристроїв обмежена чутливістю фотодетекторайого шумами та шумами першого каскаду підсилювача. Підвищення чутливостіфотоприймального пристрою досягається використанням лавинних фотодіодів. Якістьприйому сигналів цифровим приймачем оцінюється коефіцієнтом помилок при заданійшвидкості передачі, а для аналогових пристроїв – відношенням«сигнал/шум» (потужності сигналу до потужності шуму, різницею рівнівпотужності сигналу та шуму).
2. Квантова межа чутливості
Для приймальнихпристроїв оптичного діапазону існує фундаментальна межа, що зветься квантовоюмежею чутливості. Вона зумовлена статистичним характером оптичноговипромінювання: випадковими є не тільки моменти приходу квантів, а й їхкількість протягом одиниці часу. Після детектування статистичні властивостістають надбанням і фотоелектронів, які генеруються приймачем випромінювання.
/>
Квантову межучутливості можна встановити, користуючись поняттям ідеального квантовогодетектора, яким є приймач випромінювання, в котрому відсутні власні джерелашуму (немає темнового, теплового, дробового струмів) та який підключено донавантаження, що не має шуму. Цей детектор здатен зареєструвати навітьодноелектронний імпульс струму, що викликаний прийомом одного кванта (ідеальнийквантовий лічильник).
В разі передачіцифрових сигналів вважаємо, що бінарний сигнал є послідовністю одиниць танулів. В разі передачі одиниць на вході приймача випромінювання утворюєтьсяімпульс з енергією Е, тривалістю Т (рис.5). Коли передається нуль, передавальний пристрій відключено,оптичне випромінювання відсутнє. Фотоелектрони підлягають статистиці Пуассона. Якщо середня кількістьфотоелектронів на імпульс дорівнює />, то згідно розподілу Пуассона,ймовірність того, що з’явиться точно /> фотоелектронів на імпульс, дорівнює
/>. (1)
/>
Оптичний імпульс зенергією Е складається з /> фотонівз енергією кожний, тобто
/>, (2)
/>де — постійнаПланка, n – частота оптичного коливання.
Приймачвипромінювання перетворює фотони в електрони з квантовою ефективністю
/>. (3)
Отже, середнякількість фотоелектронів, що виникли при прийомі оптичного імпульсу з енергієюЕ, дорівнює
/>. (4)
Згідно прийнятихприпущень, при генерації навіть одного електрона в ідеальному квантовомудетекторі його можна зареєструвати та уявити як наявність оптичного імпульсу(поріг вирішувального пристрою настроєно на появу одного електрона). Єдинаможливість помилки – відсутність генерації ідеальним квантовим детекторомелектронів при наявності оптичного імпульсу, який випромінює передавальнийпристрій. Ймовірність такої події можна визначити, якщо припустити у (1) Ne=0
/> (5)
Енергія тасередня потужність оптичного сигналу (рис. 5) пов’язані співвідношенням Е=2Р0Т,оскільки тривалість посилань та пауз однакова і вони слідкують з однаковою ймовірністю.Враховуючи, що смуга пропускання тракту прийому F, при тривалості посилання Т дорівнює1/Т, з (5) маємо
/>(6)
Вирази (6)визначають квантову межу чутливості цифрового приймального пристрою, щодозволяє розрахувати середнє значення оптичної потужності, необхідної длязабезпечення заданої ймовірності помилки РПОМ. Наприклад, для забезпеченняРПОМ=10-9 потрібна середня потужністьприблизно в 10 квантів на 1 Гц смуги пропускання.
Квантова межаіснує і для аналогових приймальних пристроїв. Критерієм якості аналоговихсистем є відношення сигналу до шуму, а точніше, відношеннясередньоквадратичного значення струму сигналу /> досередньоквадратичного значення струму шуму />
/>.(7)
Єдиним джереломшуму в ідеальному квантовому детекторі є квантовий шум внаслідок флуктуаціїпостійної складової сигналу. Наведено повний виклад для квантової межічутливості приймальних пристроїв аналогових сигналів
/>.(8)
Вираз (8)аналогічний виразу (6), відрізняється тільки значеннями числових коефіцієнтів,та параметрами, що визначають якість прийому. Слід зазначити, що вираз (8) євірним для випадку 100% модуляції. Вираз (8) можна навести у вигляді
/>. (9)
Цей вираз дозволяєпідрахувати кількість фотонів Nф, що припадає на 1 Гц смуги пропускання, необхідних для досягненняпотрібного відношення сигналу до шуму. Наприклад, для досягнення y=1 в ідеальному випадкунеобхідно 4 кванти на 1 Гц смуги пропускання. В реальних приймальних пристроях,крім квантових ефектів присутні також й інші фактори, які обмежують чутливість.Це, перш за все, темновий струм фотодетектора, що протікає через навантаження увідсутності оптичного сигналу внаслідок теплової генерації електронів уфотодетекторі. Темновий струм має досить велике чисельне значення удовгохвильовому діапазоні, що змушує збільшувати рівень оптичного сигналу длязабезпечення необхідної якості прийому на декілька порядків відносно квантовоїмежі. Для зниження темнового струму іноді використовують охолодженняфотодетектора до температури рідкого азоту. Другим фактором, що обмежуєчутливість, є шуми навантаження фотодетектора та підсилювача, який підключенодо цього навантаження. В реальних приймальних пристроях вихідний відкликпідсилювача на одноелектронний імпульс фотодетектора на декілька порядків (неменш трьох) нижче середньоквадратичного значення теплового шуму самогопідсилювача. Внаслідок перелічених факторів реальні приймальні пристрої, щовикористовують довжину хвилі близько 1 мкм, потребують на 15-20 дБп більшупотужність, що приймається, ніж необхідно для ідеального квантового детектора.
3. Розрахунок шумів попередніхкаскадів підсилювачів
Активними елементами вхіднихкаскадів оптичних приймальних пристроїв є як польові, так і біполярнітранзистори. Частіше використовуються польові транзистори, вони мають великийвхідний опір, тому узгоджуються з великим опором фотодетектора без застосуваннядодаткових узгоджуючих кіл. При використанні біполярних транзисторівнеобхідне узгодження великого опору фотодетектора з вхідним опором наступнихкаскадів, тому в цьому разі транзистор включається за схемою із загальнимемітером, що має великий вхідний та малий вихідний опори, тобто є узгоджуючимколом. Вхідний каскад на польовому транзисторі. Знайдемовирази для спектральної щільності шумів вхідного каскаду підсилювача напольовому транзисторі, що включений за схемою з загальним витоком, принциповасхема якого наведена на рис. 6 а.На наведеній схемі резистори RHта RC навантаження фотодіода та транзистора відповідно. На еквівалентнійшумовій схемі (рис. 6 б) наведені джерела шумових струмів польовоготранзистора. Польовий транзистор має крутизну g у робочій точці, міжелектродніємності Сзв, Сзс та Ссв, резистор rc враховує опір каналу, Ic – джерелофотоструму, -qмUзв – джерело струму сигналу, що управляється напругою. Сдмскладається з ємності фотодіода та монтажної. В польовому транзисторі є триосновних джерела струму, що характеризуються спектральними щільностями:тепловий – каналу Niк, дробовий – струму витікання заслону Nіз, та наведений назатвір шум каналу Nізн внаслідок зв’язку через ємність виток-заслін. Спектральніщільності потужності струмів та напруг визначаються формулами: -дробовийшум витікання затвору
/>,(10)
-де q – заряделектрона;
-тепловий шумканалу
/>,(11)
де G1=0,7 для кремнієвогопольового транзистора, та G1=1,1 для арсенід-галієвого польового транзистора,крутизна вольт-амперної характеристики транзистора у робочій точці;
-шум каналунаведений на затвір
/>,(12)
де G2=0,3 длякремнієвого польового транзистора, та G2=1 для арсенід-галієвого польовоготранзистора,gm – крутизна характеристики у робочій точці.
/>
Можна вважати, щодля тих частот, при яких виконується нерівність wCBX/gm
Y11=jwCвх; Y12=gm.
При цьому йоговхідна статична провідність дорівнює
Y11=RH-1+jwC1; C1=Cдм+Сзс; Сдм=Сд+См,
де Сд та См –ємності фотодіода та монтажна відповідно.
Знайдемоспектральну щільність потужності шумового струму, приведеного до входупідсилювального каскаду, вважаючи, що складові шумів польового транзисторанекорельовані
/>, (13)
де модулькоефіцієнта підсилення по струму дорівнює
/>(14)
Тепер спектральнащільність еквівалентного шумового струму на вході польового транзистора зурахуванням (12) – (13) дорівнює
/>(15)
Еквівалентнийшумовий струм, приведений до входу попереднього каскаду підсилювача напольовому транзисторі, можна знайти, якщо провести інтегрування (14) по частотіна інтервалі [0./>].
/> (16)
де F – частота вМГц, J1 та J3 – інтегральні коефіцієнти, що залежать від виду нормованоїамплітудно-частотної характеристики H(jf) підсилювача.
Спектральнащільність шуму напруги вхідного каскаду на польовому транзисторі у колізворотного зв«язку в разі його наявності має вигляд
/>.
Аналізуючи (16),можна зробити висновок, що для зменшення шумів вхідного каскаду підсилювачанеобхідно вибирати транзистори з мінімальними значеннями струму витіканнязатвора, що створює дробовий шум цього каскаду, потрібна також максимальнакрутизна характеристики транзистора.
Вхідний каскад набіполярному транзисторі. Знайдемо вирази для спектральної щільності шуміввхідного каскаду підсилювача на біполярному транзисторі, що включений за схемоюз загальним емітером (рис. 7).
На наведенійсхемі RН та RК – резистори навантаження фотодіода та транзистора відповідно.Еквівалентна шумова схема каскаду має міжелектродні ємності Сбе та Сбк, опірбази r динамічні опори емітерного rбе таколекторного rбк переходів, а також джерело струму сигналу, яке управляєтьсянапругою –gmUбе, gm – крутизна характеристики транзистора в робочій точці.
/>
Основнимиджерелами струму біполярного транзистора є такі:
/>/>/> — дробовий струм бази, І2б тадробовий шум струму колектора I2к;
— />теплові шуми U2б опору бази rб.
Спектральніщільності цих шумів дорівнюють: дробовому шуму постійної складової струму бази
/>,(17)
дробовому шумупостійної складової струму колектора
/>,(18)
тепловому шумупослідовного опору бази (В2/Гц)
/>(19)
Спектральнащільність еквівалентного шумового струму вхідного каскаду підсилювача знаходитьсяприведенням усіх джерел шуму до його входу, при цьому береться до уваги те, щоджерела струму некорельовані
/>,(20)
де Y’1=j/>Cдм; Y1=rбе+j/>C1; C1=Cдм+Сбе+Сбк;
gm=qIk/kT; rбе=bkT/qIk; b=Ik/Iе,- коефіцієнт підсилення поструму;
Y21@gm.
Підставляючи у(20) відповідні значення його складових (16) – (19), перетворюючи (20), маємо
/>,(21)
де а0 = 2qIб; а2 =4кТ(С21/2gm+С2дмrб).
Еквівалентнийшумовий струм може бути знайдений інтегруванням (21) у смузі частот [0,Ґ]
/>,(22)
де b1 = а0, b2 =4p2а2,I1, I3 — інтегральні коефіцієнти,що залежать від вигляду нормованої амплітудно–частотної характеристикипідсилювача.
Існує оптимальнийструм колектора, при якому шуми біполярного транзистора є мінімальними, віндорівнює
/>.
Спектральнащільність напруги вхідного каскаду на біполярному транзисторі у колі зворотногов разі його наявності має вигляд
/>.
При швидкостяхпередачі, що не перевищують 50 Мбіт/с, або для смуги частот менше 20–50 Мгц увхідних каскадах оптичних приймальних пристроїв доцільно використовуватипольові транзистори, як такі, що мають високий вхідний опір та низькі рівнішумів. При більш високих швидкостях передачі та більш широких смугах частоткращі шумові характеристики мають попередні підсилювачі на біполярнихтранзисторах.