SiteHeart    SiteHeart




Региональные представители:

Подробнее...

Глава 29 : Устройство приемопередатчиков

« Предыдущая

 Открытие светодиодов и лазеров

Для сверх скоростной передачи данных не остаточно одних лишь световодов с малым затуханием, необходимы еще и быстродействующие излучатели света. При этом эти излучатели должны быть компактными и потреблять не много электроэнергии.

Сам принцип работы был разработан Олегом Владимировичем Лосевым в 1923 году. Ученый работал в Нижнем Новгороде в своей радиотехнической лаборатории, объектом исследований являлся кристадин. По ходу работы он увидел, что при прохождении тока по полупроводниковому детектору он начинает светиться. Самым большим свечением обладал карбид кремния. Изучая это явление методом шлифов и зондовой микроскопии, ученый пришел к выводу, что оно имеет фотоэлектродвижущую природу.

Еще в те далекие годы изобретение было по достоинству оценено промышленниками. Действительно, источники света, которые не требовали вакуума, быстродейственные и с низким напряжением, были весьма ценны в разоренной гражданской войной стране. В это время само явление электролюминесценции называли "светом Лосева" (Losev light, Lossew Licht). В 1938 году Лосев получил степень кандидата физико-математических наук именно за исследования свечения.

Укажем, что ученый всегда уделял особое внимание кремню и говорил, что его использование имеет большие перспективы. В самом начале 1941 года Лосев решил посвятить себя работе в несколько другом направлении - "Метод электролитных фотосопротивлений, фоточувствительность некоторых сплавов кремния". К великому сожалению, нам не известны итоги его работы.

В тех годах множество ученых занимались изысканиями в области полупроводников. К примеру, два ученых Я.И. Френкель и А.Ф. Иоффе разработали теорию выпрямления тока на контакте металл-полупроводник. Она была основана на явлении туннелирования. Я.И. Френкель ввел для широкого использования понятие "экситона" в полупроводниках. В 1939 году получила всенародную известность диффузионная теория выпрямляющего p-n-перехода Б.И. Давыдова. Данная теория легла в основу теории p-n-перехода В. Шокли.

В 1951 году K. Lehovec и его помощники показали опытным путем,  что детектирование и электролюминесценция имеют единую природу.

Вот таким образом появились и стали широко применяться светодиоды (Light Emitting Diodes). Безусловно, это изобретение было огромным шагом вперед в сравнении с нитью накаливания, но, тем не менее, они были пригодны не более чем световоды в виде стеклянных трубок. Следующий виток развития светодиодных технологий не заставил себя долго ждать, на этот раз на технологию обратили внимание радиофизики.

В 1954 году в апреле месяце два ученых Таунс и Гордон представили на суд общественности  квантовый генератор - мазер, работа которого была основана на парах аммиака. В 1954 г. уже отечественными учеными Прохоровым и Басовым была опубликована статья, в которой они обосновали работу данного прибора теоретическим путем. За эти разработки все указанные ученые получили Нобелевскую премию.

В мае 1956 года физик Роберт Дике применил данные разработки для оптической среды, и запатентовал результаты своей работы. Так появились первые лазеры. Само название "лазер" придумал Гордон Гулд аспирант Колумбийского университета. "Лазер" - это аббревиатура, и расшифровывается она как Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Основным отличием лазеров от прочих источников света является высокая степень когерентности излучения, направленность, низкий уровень шумов, концентрации энергии во времени и т.д.

Следующим этапом стало применение данного принципа для почти всех видов сред. В 1960 году Теодор Мейман запустил твердотельный рубиновый лазер. В последующие годы был изобретен целый ряд различных лазеров: лазеры на двуокиси углерода, лазер на неодимовом стекле, химические лазеры, полупроводниковые лазерные диоды, лазеры на органических красителях.

 

История создания полупроводникового лазера

Началом развития отрасли полупроводниковой электроники можно считать 50-е года прошлого века. Уже в 60-х годах большую часть крупных военных заказов относились именно к этой отрасли. В октябре 1958 года на подводных лодках Советского Союза уже были установлены германиевые вентили. Их разработал, на тот момент младший научный сотрудник, Ж.И.Алфёров.

Самым главным направлением развития науки того времени было исследование монокристаллических структур на основе германия, кремния, полупроводниковых соединений типа АIIIBV (элементов 3 и 5 групп таблицы Менделеева). В области p-n-переходов так же проводилась масса исследований  и опытов. Была повышена рабочая температура приборов за счет замены германия кремнием, были созданы высоковольтные диоды и тиристоры. Широко известные сегодня полупроводниковые лазеры, светодиоды и фотоэлементы появились в результате экспериментов с арсенидом галлия. С этого момента электровакуумные ламы стали считаться безнадежно устаревшими.

Тем не менее, вопрос с мощным быстродействующим источником излучения оставался открытым. Свежеизобретенные лазеры на гомопереходах арсенида галлия не могли хорошо функционировать в условиях реальных условий при комнатной температуре. Связано это было с тем, что GaAs имели очень высокие пороговые и рабочие токи (примерно 50 000 А/см2). В результате операция осуществлялась с очень медленной скоростью.

В 1963 году Жорес Алферов в своей кандидатской диссертации доказал, что p-n-переход в гомогенном по составу полупроводнике не дает нужного результата при работе в разном оборудовании. Он предложил заменить их гетероструктурами - это был настоящий прорыв и следующий шаг на пути возникновения оптоволоконных технологий. Уже тогда родилось предположение, что лазеры, основанные на такой технологии, позволят оборудованию работать на много эффективнее.

Но и в данном случае, как это бывает часто, теоретические прогнозы сильно опередили реальное положение дел в области технической реализации. Мешало развитию этого направление и общественное мнение, которое отрицало возможность создания "идеального" гетероперехода. На этом поприще предпринималось множество попыток, но все они оканчивались одинаково неудачно. Это было связано с тем, что оба материала должны были иметь практически одинаковые тепловые, электрические, кристаллохимические свойства. Кроме того, они еще должны были иметь равные размеры ячеек кристаллических решёток.

Для создания таких проводников предпринималась попытка формировать гетеропереход путём эпитаксиального выращивания. При таком вращении пленка одного монокристалла наращивалась на поверхности другого монокристалла послойно. Были определены два соединения, максимально подходящие для создания совершенного гетероперехода. Ими стали арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия (AlAs), использование последнего было затруднено из-за того, что он мгновенно окислялся на воздухе.

Алферов пытался создать двойную гетероструктуру GaP0,15As0,85-GaAs и она увенчалась успехом. Ее создали путем газофазной эпитаксии, и уже на ней был сформирован лазер. Тем не менее, температурой, при которой они могли работать, была температура жидкого азота. Такой температурный коридор объясняется несоответствием постоянных величин молекулярной решётки. Ученый сделал вывод, что избранный путь ошибочен, и он не приведет его к желаемой реализации потенциальных преимуществ.

Решить возникшую проблему удалось чисто случайно. Дмитрий Третьяков, помощник Алферова, заметил, что арсенид алюминия совершенно стабилен в твердом растворе. В итоге, годом рождения классической гетеропары GaAs-AlGaAs принято считать 1967 год. Обратим внимание на тот факт, что примерно через месяц после открытия отечественных ученых, американской компанией IBM, независимо от советских ученых, была получена гетероструктура AlxGa1-xAs-GaAs.

В 1968 году был запущен первый в мире гетеролазер. Этот лазер работал при комнатной температуре и являлся низкопороговым. Ж.И.Алфёров поделился со всем миром результатами своих исследований в августе 1969 года на Международной конференции по люминесценции. Его доклад произвел сильное впечатление на коллег.

Схема первого полупроводникового гетеролазера.

Схема первого полупроводникового гетеролазера.


Затем началось самое настоящее соревнование между лабораториями корпораций Bell Telephone, IBM и RCA. Но и тут группа советских ученых опередила специалистов из Bell Telephone. Именно Ж.И.Алфёров с сотрудниками в 1970 году достигли непрерывного режима работы лазера при комнатной температуре. Новая технология позволяла уменьшить пороговые плотности тока до 500-1000 А/см2. Как следствие, на свет появились компактные лазеры, которые могли функционировать в бесперебойном режиме, они обладали высокой яркостью большой выходной мощностью. Мощность такого лазера могла быть промодулирована с частотой до сотен и тысяч мегагерц, не меняя, при этом, полупроводниковый элемент.

Теперь к делу подключились технологи, инженеры и бизнесмены. Благодаря их изысканиям уже в 1975 году увидел свет первый коммерческий полупроводниковый лазер, который мог эффективно работать при комнатной температуре. В 1976 году уже работала первая оптическая линия, а срок службы такого оборудования доходил 10 лет. Еще через год этот срок вырос до 100 лет.

 

Светодиоды (Light-Emitting Diode, LED)

Для начала дадим определение термину "светодиод". Светодиодом называют полупроводниковый прибор, излучающий кванты света при протекании через него прямого тока. По другому светодиод еще называют излучающим диодом.

Если кратко, то принцип работы светодиода основан на излучательной рекомбинации носителей заряда в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока. Это значит, что носители заряда проникают в активный слой из прилегающих пассивных слоев благодаря подаче напряжения на р-n структуру. После этого электроны испытывают спонтанную рекомбинацию, которая сопровождается излучением света.

Принцип действия светодиодаПринцип действия светодиода


Для нужд оптических линий связи используют инфракрасные светодиоды, принцип их работы основан на GaAs. Светодиоду характерна большая эффективность электролюминесценции, к тому же он прекрасно освоен технически. Если сравнить лазер и светодиод, то преимуществом второго будет большая спектральная ширина излучения. У лазеров она составляет 1-4 нм, а у диодов 20-50 нм. Чтобы скомпенсировать данный недостаток, цена на лазеры значительно ниже.

Светодиоды, используемые в  оптоволоконных технологиях, принято делить на две группы: 1. светодиоды с излучающей гранью; 2. светодиоды с излучающей поверхностью. Другими словами поверхностные и торцевые.

Виды светодиодов

 

В светодиодах поверхностного типа чтобы вывести излучение в один направленный поток, в оболочке вытравливают специальное круглое отверстие. Полученная в итоге конструкция получила название "диод Барраса". Существует еще ряд моделей поверхностных светодиодов, у которых выход излучения происходит через подложку. Подложка изготовляется из InP, а само соединение является четырехкомпонентным GaInAsP.

В торцевых светодиодах излучение выводится так же, как и в "классических" лазерных диодах. Оптическое излучение направляется вдоль перехода, происходит это благодаря внутреннему отражению. Лазерную генерацию можно обойти путем ограничения активной области. Такое ограничение накладывает полосковая конструкция нижнего омического контакта.

Сферой применения таких передатчиков являются мультимодовые низкоскоростные системы, транслирующие сигнал на маленькие расстояния. К недостаткам светодиодов относят: низкую скорость, малую мощность, большую ширину полосы спектра, сильную расходимость излучения. В этой связи лазерные диоды занимают лидирующие позиции в одномодовых сетях.

 

Полупроводниковые лазеры (Laser Diode, LD)

Между большими и полупроводниковыми лазерами существует множество отличий, основными из них являются:
 Зонная структура материала полупроводниковых лазеров диктует квантовые переходы в них
 Полупроводниковые лазеры не большого размера (примерно 0,1 мм в длину) в связи с этим и их активная область очень маленькая – примерно 1 мкм и меньше. В результате расхождение луча гораздо больше, чем у обычных больших лазеров.
 Основные характеристики полупроводникового лазера (пространственные и спектральные) находятся в сильной зависимости от свойств того материала, из которого изготовлен переход (структура запрещенной зоны и коэффициент преломления).
 Система, созданная на основе полупроводникового лазера, весьма эффективна, так как модуляция излучения происходит за счет модуляции тока. Происходит это из-за того, что лазерное излучение появляется от воздействия тока, проходящего через прямосмещенный диод.

Режим индуцированного излучения можно получить только благодаря оптическому резонатору, который встроен в лазерный диод (LD). Этому режиму характерна высокая степень когерентности.

Ниже на рисунке представлена энергетическая зонная диаграмма лазера в присутствии внешнего напряжения U:

Энергетическая зонная диаграмма лазера


Чтобы достичь нужный лазерный эффект, ток должен иметь строго определенные пороговые значения. Эти параметры позволяют спектральной полосе сузиться. Чтобы снизить температуру нагрева и уменьшить рабочие токи, уменьшают рабочий слой. Этот слой сокращается до 5-20 мкм и выглядит в виде полоски, которая идет от одной отражающей поверхности к другой. Отсюда лазеры, основанные на этом принципе, получили название "полосковые". Рисунок вверху иллюстрирует каким образом это достигается (используется узкий металлический электрод). В связи с малой  ёмкостью переходов у устройств данной конструкции снижается до 100 мА пороговый ток и инерционность.

Непрерывно работающий лазер способен давать мощность излучения в размере 0.1 Вт. Если нагрев будет ослаблен (импульсное возбуждение), то мощность сильно увеличится. Основными показателями инжекционных лазеров будут: инерционность = 1 - 10-9 c; КПД = 50%; напряжение питания не более 3В. При этом размер самого устройства составляет несколько миллиметров. Изменяя напряжение тока можно управлять модуляцией светового потока.

Чаще всего в качестве оптического резонатора используют такие системы:

1.Лазер с резонатором Фабри-Перо (FP лазер), Fabry-Perot laser (FP laser). В данном виде лазера используются два плоских зеркала, выполняющие функцию резонаторов. Он может работать в двух режимах излучения: одномодовом и многомодовом.

Лазер с резонатором Фабри-Перо

 

Его применяют только в системах связи, в которых скорость передачи данных не превышает 2,5 Гбит/с. Динамические свойства лазерных диодов, в данном случае, раскрываются благодаря зависимости спектральной характеристики от скорости передачи при непосредственной модуляции мощности излучения. Модуляция происходит путем изменения тока накачки. У данного вида лазера в одномодовой конструкции увеличение скорости передачи данных сопровождается изменением модового состава. Изменение модового состава представляет собой расширением спектра до 10 нм при модуляции с частотой порядка 1-2 Ггц.


2.Лазер с распределенной обратной связью (РОС-резонатор), Distributed feedback laser (DFB laser). Рабочей считается длина волны 1550 нм. Может работать со стандартом CWDM с шагом 20 нм в диапазоне длин от 1310 до 1610 нм. Данный вид лазера возникает в связи с  периодической пространственной модуляцией параметров структуры, которые оказывают непосредственное влияние на условия распространения излучения.

Лазер с распределенной обратной связью

 

Данный вид лазера применяется в системах, со скоростью передачи данных от 2,5 Гбит/с, в отдельных случаях применим для систем со скоростью более 10 Гбит/с. Если модуляция происходит в диапазоне 0,25-2 Ггц, то сдвиг очень небольшой (примерно 0,2 нм), при этом прекрасно сохраняется подавление побочных мод. В этой связи, данный вид лазеров называют динамически одномодовыми.


3.Инжекционный лазерный диод с отражательной брэгговской решеткой, (РБО-резонатор), Distributed Bragg Reflector. В целом этот вид можно охарактеризовать как разновидность лазера с распределенной обратной связью.

 Инжекционный лазерный диод с отражательной брэгговской решеткой Инжекционный лазерный диод с отражательной брэгговской решеткой

 

Лазерные диоды с внешними резонаторами служат для минимизации ширины спектра. Ширина эта находится в пределах от 1 до 1500 кГц и зависит от типа резонатора.

4.Лазеры с вертикальным объемным резонатором, (VCSEL лазер), Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL laser). Для данного лазера рабочей считается длина волны в 850 нм.

 Лазер с вертикальным объемным резонаторомЛазер с вертикальным объемным резонатором


Эти лазеры обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с поперечными излучателями: во-первых - это экономия электроэнергии, во-вторых, технологический процесс их изготовления значительно проще, т.к. на одной подложке можно обрабатывать большое количество элементов. К тому же им характерна высокоскоростная модуляция, что дает возможность передавать сигнал со скоростью выше 1 Gbps.

На сегодняшний день VCSEL производят из GaAs, а излучаемый ими свет находится в диапазоне от 750 до 1000 нм. Для передачи данных на длинные дистанции длины волн диапазона, в котором работает VCSEL, слишком коротки. В таких условиях данный вид лазеров используется только на мультимодовых кабелях, популярность которых в последние годы стремительно падает.

 

Способы модуляции

Полупроводниковым лазерам и светодиодам характерны два типа модуляции: внешняя и внутренняя (другими словами непосредственная модуляция).

Принципом работы внутренней модуляции является непосредственное воздействие электрического сигнала на излучение источника. В итоге обеспечивается выходная мощность и форма сигнала. Данный способ применим для всех систем, использующих частоты до 1 ГГц. Если используемые частоту превышают указанный порог, то возникает ряд затруднений: выходная мощность находится на очень низком уровне, модуляция осуществляется на низкой скорости, наблюдаются значительные нелинейные эффекты.

Для осуществления внешней модуляции применяется специальное модулирующее устройство. Это устройство оказывает непосредственное воздействие на непрерывно излучающий лазер. Такая технология применима для высокоскоростных передатчиков сигнала.

Указанными устройствами выступают интерферометры Маха-Цендера (MZI) и электроабсорбционные интерферометры (EA). Принцип работы MZI следующий: к материалу прикладывается электрическое поле, после чего происходит изменение показателя преломления. Другими словами, возникает электрооптический эффект, при котором  уменьшение n повышает скорость распространения света, а увеличение - снижает ее.

 интерферометр Маха–Цендераинтерферометр Маха–Цендера

 

Согласно данному рисунку в модуляторе в кристалле ниобата лития (LiNbO3) происходит разделение света под действием двух волноводов. Если технически необходимо послать единицу, то к ним обоим нужно приложить одинаковое напряжение. Если стоит задача послать ноль, то прилагаемое напряжение должно обеспечить смещение фаз на 180°, что подразумевает взаимное вычитание сигналов в выходном канале, который объединит оба луча.

Оборудование, которое может функционировать на частотах 20 ГГц и выше, пользуется популярностью. Самыми известными производителями являются фирмы Ramar и Laser2000.

Еще одним известным способом выступают EA-модуляторы. Данный способ основан на эффекте сдвига запрещенной зоны в полупроводнике. Сдвиг возникает под воздействием прикладываемого напряжения, в результате такого действия происходит поглощение генерируемого лазером излучения.

EA-модуляторы производят из сложных полупроводников с большим количеством квантовых ям. В ямах происходит расщепление спектральных линий атома под действием внешнего электрического поля (эффект Штарка) или же эффект электроабсорбции. К числу достоинств этого модулятора относят высокое быстродействие (до 40 ГГц) и совместимость с лазерными диодами на фосфиде индия.

Указанными видами модуляций ассортимент не ограничен, существует множество прочих способов управления световым потоком. В качестве примера можно указать на модулятор, основанный на эффекте Поккельса. Эффект проявляет себя при вращении плоскости поляризации входной световой волны, когда к ней приложено напряжение. Достичь поворота на 90 градусов можно, например, в кристалле ниобата лития и проч. (эти виды кристаллов называют "ячейкой Поккельса"). Для получения модулятора такой кристалл располагают между двумя поляризационными фильтрами.

Модулируя амплитуду напряжения в ячейке Поккельса можно изменять интенсивность световой волны. При этом частота может превышать 10 ГГц, а глубина модуляции достигает 99,9%.

 

Оптические усилители

Функцией Optical amplifier (в переводе оптический усилитель) является усиление оптического сигнала и преобразование его обратно в оптический. Усиление сигнала происходит без перевода его в электрический.

Основой работы полупроводниковых оптических усилителей является возбуждаемая эмиссия, которая появляется за счет взаимодействию фотонов входного возбуждающего излучения с электронами на возбужденном уровне в зоне проводимости.

Энергия входного сигнала должна быть такой мощности, чтобы сбросить электроны с верхнего уровня на нижний, где электрон и дырка рекомбинируют, вызывая появление вторичных фотонов. Благодаря накачке (ввода тока в полупроводник) появляется инверсия.

Основа принципа работы этой технологии такая же, как и в лазерных диодах Фабри-Перо. Это означает то, что на входе и выходе усилителя устанавливается пара параллельных полупрозрачных зеркал, сигнал многократно отражается и возникает усиленный оптический сигнал. Таким образом, произошло преобразование энергии накачки в энергию сигнала.

Величина коэффициентов усиления равняется 22-25 дБ. Чтобы достигнуть максимума коэффициента усиления, нужно увеличить величину подаваемого тока в полупроводник. Он будет находится в интервале от 1520 до 1460 нм, при этом чем больше ток, тем короче будут волны.

Устройства рассматриваемого типа применяются в следующих качествах:

  •  коммутаторов для разделения по длинам волн;
  •  усилителей. Так называемых «предусилителей» для создания детектированного оптического сигнала. Эти устройства применяют так же для компенсации распределенных потерь в линии, что дает возможность увеличить длину регенерационного участка.
  •  компенсаторов дисперсии в оптоволокне. Связано это с тем, что они имеют свойство увеличивать крутизну переднего и уменьшать крутизну заднего фронтов импульсов, т.е. фактически способствовать изменению знака дисперсии.

 

Гораздо более распространенным в сфере сетевых технологий оказалось другое оборудование, основанное на эффекте Рамана. Оптические волокна этих усилителей созданы на основе  легированных редкоземельных элементов.

Примерна схема работы такого усилителя будет следующей:

 Упрощенный принцип действия оптического усилителяУпрощенный принцип действия оптического усилителя

 


При этом используются:

  •  неодим (Nd) и празеодим (Pr) - для усиления сигналов в окне 1300 нм;
  •  эрбий (Er) - для усиления сигналов в окне 1550 нм;
  •  иттербий (Yb), применяемый совместно с Er для расширения спектра поглощения в области 700-1100 нм, что позволяет использовать новые более мощные источники накачки.

 

Редкоземельное вещество вносят в малом количестве в центральный световод. Его добавляют на промежутке в несколько метров. Для предотвращения интерференции в оптическом волокне, вводимый световой пучок должен иметь меньшие длины волн.

Из-за взаимодействия с квантами светового пучка накачки в тот момент, когда ток проходит по легированному участку ослабленного сигнала, электроны в ионах редкоземельных элементов переходят на более высокий квазистационарный энергетический уровень. В результате появляется индуцированное излучение с такой же или максимально приближенной длиной волны.

Если оптическое волокно легировано неодимом и на нем расположен усилитель, то он сможет работать на волне, длиной примерно 1340 нм. В лабораторных условиях его рабочей длиной может стать волна в 1310 нм. Более совершенным в этом отношении считается празеодим. Усилители, работающие с данным диапазоном, отличают следующие качества: для легирования используется флюоритовое стекло (не кварцевое), накачку производят на низкой эффективности (до 4 дБм/мВт). Если мощность насыщения составляет примерно 200 мВт, то усиление будет равно примерно 34 дБм.

Так же высокую степень распространения получило оптическое волокно, легированное эрбием. Ионам эрбия характерна самая большая поглощающая сила в районе длин волн 980 и 1480 нм. Таким образом, получается, что в качестве источников накачки могут выступать распространенные виды лазеров, работающие на длине волны в 797/800, 980 и 1480 нм. К трехуровневой модели взаимодействия относятся лазеры на 800 и 980 нм, к двухуровневой - 1480 нм. Для самой высокой степени эффективности выгоднее всего применять трехуровневую

Тем не менее, менее эффективные, по сравнению с предыдущим видом, лазеры на 1480 нм пользуются еще большей популярностью. Принято считать, что они более надежные и при этом работают с низким показателем замусоренности эфира (шумов). Уровень шума соответствует примерно 5 дБ.

Иттербий может применяться как дополнительный легирующий элемент. В этом случае появляется возможность использовать лазерный диод накачки, функционирующий на длине волны 1053 нм. По другому такие лазеры называются "DPSS-лазеры". Такой подход способствует получению более мощного источника накачки, и, как результат, продлевается срок эксплуатации и возрастает усиление.

Существует деление усилителей по сфере применения:

  •  Бустеры (усилители мощности). Такой вид усилителей часто используется для передачи нисходящего трафика в гибридных волоконно-коаксиальных сетях кабельного телевидения. В данном случае усилители мощности устанавливаются перед оптическим разветвителем. Так же их применяют непосредственно после лазерных передатчиков. В такой ситуации их предназначение заключается в том, чтобы дополнительно усилить сигнал до такого уровня, который не достижим на основе лазерного диода.
  •  Предусилители (предварительные усилители). В основном их применяют для замены сложных и зачастую очень дорогих когерентных оптических приемников. Их располагают в непосредственной близости от приемника регенератора (перед ним). Данное действие позволяет снизить уровень шума и повысить силу сигнала на выходе электронного каскада усиления в оптоэлектронном приемнике.
  •  Линейные усилители. С помощью данного вида усилителей заменяют оптоэлектронные повторители и регенераторы, но только тогда, когда отсутствует необходимость в точном восстановлении сигнала. В основном их размещают в промежуточных точках протяженных линий связи между регенераторами или на выходе оптических разветвителей. Главной целью такого расположения является компенсация ослабления сигнала, которая происходит из-за затухания в оптическом волокне. В свою очередь затухание происходит из-за разветвления в оптических разветвителях, ответвителях, мультиплексорах WDM.

Детекторы света

Фотодетекторы выполняют функцию перевода оптического сигнала в электрический. Чаще всего основой этих фотодиодов служат p-i-n переходы или лавинные эффекты.

Чтобы p-i-n фотодиод функционировал между слоями с n- и p- проводимостью прокладывается специальный слой, который имеет собственную проводимость. На данный слой направляется обратного напряжения смещения, в результате которого он обедняется свободными носителями. В итоге создаются два перехода: типа p-i и типа n-i. Носители, которые появились в этом слое из-за поглощения света, под действием очень сильного электрического поля ускоряются. Приборы, основанные на таком принципе, обладают высокими показателями частотности (до 10 ГГц).

Основным отличием лавинного фотодиода является лавинное размножение носителей. Как следствие - во внешней цепи фотодиода очень сильно возрастает ток.

Ниже расположена схема сечения фотодетектора на световодах из SiGe. Сам слой расположен на вершине кремниевого наплыва световода.


Схема сечения фотодетектора
От материала, из которого изготовлен фотоприемник, зависит его спектральный диапазон. Для примера: для волн, длиной в 400-1100 нм, используют кремний и арсенид галлия. Что касается волн, которые используются в оптоволоконных устройствах, то для них кремний представляет собой очень плохой  детектор. Поэтому в таких системах в основном применяют германий.

Основными показателями фотодиодов, заслуживающими внимания, являются: уровень шумов, время отклика, линейность.

Следующая »