Приемники оптического излучения для ВОСПИ

Для усиления фототока в ВОСПИ требуется предварительный усилитель с низким уровнем шума. Быстродействующие фотодиоды вместе с малошумящими усилителями называются оптическими приемниками. Такие приемники характеризуются чувствительностью и динамическим диапазоном.

Чувствительность приемника определяется минимальным по мощности оптическим сигналом, который может быть обработан. Уровень этого сигнала определяется интенсивностью шумов на входе в приемник. Чувствительность выражается в микроваттах или дБм. Значения чувствительности, равные 1мкВт или –30дБм, являются идентичными. Чувствительность определяется такой минимальной оптической мощностью, которая попадает на фотодиод и формирует на выходе приемника необходимое отношение сигнал/шум.

Динамический диапазон – это разность между минимальным и максимальным уровнями допустимой мощности. Минимальный уровень мощности определяется порогом чувствительности и ограничивается детектором. Максимальный уровень определяется как детектором, так и усилителем. Уровень мощности, превосходящий максимальный, будет приводить к искажению сигнала и насыщению приемника. Динамический диапазон определяет изменение оптической мощности, которая не вызывает увеличения искажений в аналоговом приемнике или ошибки на разряд в цифровом приемнике. Вообще, чем больше чувствительность приемника, тем меньше динамический диапазон.

В настоящее время разработаны схемы приемников с трансимпедансным (рис. 4,18а) и с высокоимпедансным (рис. 4.18б) усилителями.

Рис. 4.18

Трансимпедансный усилитель – это преобразователь тока в напряжение, охваченный глубокой ООС. Высокоимпедансный усилитель – это по сути интегрирующий усилитель.

Усилитель с высоким импедансом обеспечивает наиболее низкий уровень шума и, следовательно, максимальную чувствительность. Однако вследствие высокого нагрузочного импеданса, частотная характеристика приемника ограничивается постоянной времени входной цепи: t = RC,

где R - сопротивление, состоящее из параллельно включенных сопротивлений, фотодиода и входного сопротивления усилителя;

С – емкость, состоящая из параллельно включенных емкости фотодиода и входной емкости усилителя.

Из-за значительной постоянной времени RC приемник с высоким сопротивлением интегрирует регистрируемый сигнал. Поэтому после приемника необходимо включать корректирующие устройства для расширения ширины полосы пропускания. Основными недостатками этого приемника являются как ограниченный динамический диапазон, так и сложность индивидуальной настройки. Как правило, динамический диапазон составляет от 15 до 25 дБ по оптическому сигналу. Если минимальный уровень оптической мощности приемника составляет –30 дБм, а максимальный равен –10 дБм, то динамический диапазон приемника равен 20дБм. Такой приемник может работать в диапазоне оптических мощностей от 1 до 100 мкВт.

Для трансимпедансного усилителя характерен большой динамический диапазон вплоть до 40дБ, и широкая полоса частот, обеспечиваемая отрицательной обратной связью. Однако у него большой порог срабатывания. Напряжение на выходе приемника равно: U_вых = – I_д R_ос, где I_д – ток фотодиода; R_ос – сопротивление обратной связи.

Известно, что ширина частотной полосы и тепловой шум уменьшаются с ростом сопротивления. Поэтому чувствительность приемника увеличивается с ростом сопротивления, но за счет уменьшения ширины полосы пропускания. В результате усилитель с большим сопротивлением имеет более узкую полосу, но большую чувствительность. Ширина полосы приемника с трансимпедансным усилителем зависит от коэффициента усиления. Для достижения ширины полосы пропускания, сравнимой с полосой усилителя с высоким сопротивлением, трансимпедансный усилитель должен иметь низкое значение входного сопротивления.

Следует отметить, что в широкополосных трансимпедансных усилителях наилучшие шумовые характеристики достигаются при использовании биполярных транзисторов.

Оптические приемники для ВОСПИ выполняются в виде квантово – электронных модулей (КЭМ). Они представляют собой микросборку с оптическим разъемом. В состав КЭМ также входит предварительный усилитель с системой АРУ.

36.Принцип действия световодов

Огромные потенциальные возможности оптической связи по высокоскоростной передаче информации стали реализовываться на практике только при создании волоконно-оптических световодов.

Простейший световод представляет собой круглый или прямоугольный диэлектрический стержень, называемый сердечником (сердцевина), окруженный диэлектрической оболочкой. Показатель преломления материала сердечника , а оболочки - , где e₁, e₂ – относительные диэлектрические проницаемости стержня и оболочки. Относительная магнитная проницаемость материалов обычно постоянна и равна единице. Разность показателей преломления на границе “сердечник-оболочка” обычно составляет 1%. Показатель преломления оболочки постоянен, а показатель преломления сердечника в общем случае является функцией поперечной координаты. Эту функцию называют профилем показателя преломления.

Передача оптической энергии по волоконно-оптическому световоду обеспечивается с помощью эффекта полного внутреннего отражения. Рассмотрим, как проявляется этот эффект в цилиндрическом двухслойном световоде со ступенчатым профилем показателя преломления (рис. 2.1).

Пусть материал сердечника оптически более плотный, чем материал оболочки, т.е. . Для излучения, входящего в световод под малыми углами по отношению к оси, выполняется условие полного внутреннего отражения. В этом случае, при падении излучения на границу с оболочкой, вся энергия излучения отражается внутрь сердечника. То же самое происходит и при всех последующих отражениях. В результате излучение распространяется вдоль оси световода, не выходя из сердцевины.

Рис. 2.1

Максимальный угол отклонения от оси сердечника (апертурный угол), при котором еще имеется полное внутреннее отражение, определяется выражением (если ): .

Очевидно, что между углами полного внутреннего отражения и апертурными углами падения луча имеется взаимосвязь. Чем больше , тем меньше апертура световода. Следует стремиться к тому, чтобы угол падения луча на границу “сердечник-оболочка” был больше угла полного внутреннего отражения и находился в пределах от до 90^о, а угол ввода луча в торец световода укладывался в апертурный угол. Излучение, падающее на торец световода под углом, большим апертурного, при взаимодействии с оболочкой уходит из световода.

Излучение распространяется вдоль световода и в том случае, если уменьшение показателя преломления сердечника от центра к периферии происходит не ступенчато, а постепенно. Такие световоды называются градиентными световодами (рис. 2.2). В градиентном световоде происходит самофокусировка лучей вдоль осевой линии. При этом их траектория представляет собой синусоиды. Любой отрезок такого световода действует как короткофокусная линза.

Рис. 2.2

Наиболее изучены градиентные световоды, для которых профиль показателя преломления сердечника описывается функцией:

,

где - текущий радиус; - относительная разность показателей преломления; - наибольшее значение показателя преломления; - показатель степени, определяющий изменение ; - радиус сердечника.

Световоды с g=2 называются параболическими, т.к. профиль показателя преломления описывается параболой. Используя возможности неоднородных световодов в широких пределах изменять свои характеристики в зависимости от закона изменения диэлектрической проницаемости по поперечному сечению световода, можно для каждого конкретного применения подобрать световод с необходимыми параметрами.

Однако объяснение распространения оптического излучения в световоде, основанное только на законах геометрической оптики, не учитывает свойств оптического излучения как электромагнитной волны. Учет волновых свойств излучения позволяет установить, что из всей суммы световых лучей в пределах апертурного угла для данного световода только ограниченное число лучей может образовывать направляемые волны, которые называются волноводными модами. Эти волны характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений от границы “сердечник-оболочка” они должны быть в фазе. Если это условие не выполняется, то волны интерферируют так, что гасят друг друга и исчезают.

Волноводные моды, распространяющиеся в сердцевине, называются модами сердцевины или направляемыми модами. Часть лучей, покинувших сердцевину, начинает распространяться в оболочке за счет полного внутреннего отражения от соответствующих границ (сердцевина-оболочка, оболочка – внешняя среда). Они образуют так называемые моды оболочки. Другая часть уходит из оболочки наружу, образуя моды излучения. Таким образом, по световоду возможна передача большого числа различных типов волн – мод. Очевидно, что для устранения перекрестных помех между оптическими световодами (волокнами) в оптическом кабеле, их защитное покрытие должно быть выполнено из сильно поглощающего материала для мод излучения.

На рис. 2.3 показана одномодовая (m=1) и многомодовая (m=3) схемы передачи. Здесь же приведена лучевая схема, из которой видно, что одномодовой передаче соответствует один луч, а многомодовой – несколько лучей. Число мод зависит от соотношения диаметра сердечника световода d и длины волны . С увеличением d число передаваемых мод резко возрастает. В зависимости от числа распространяющихся на рабочей частоте мод, световоды подразделяются на одномодовые и многомодовые.

Рис. 2.3

Для обеспечения одномодового режима передачи необходимо иметь очень малый диаметр сердечника, соизмеримый с длиной волны (). Достоинствами одномодовых световодов являются малое искажение импульсных сигналов, высокая полоса пропускания, большая информационная способность и большая дальность передачи.

Как видно из рис. 2.4, при многомодовой передаче за счет дисперсии импульс расширяется и искажается. Это обусловлено тем, что различные моды (лучи) идут в световоде под разными углами, проходят различные пути и к концу линии приходят в разное время. При одномодовой передаче распространяется лишь один луч и нет модовых искажений.

Рис. 2.4

В табл. 2.1 приведены конструкции и параметры типичных волоконных световодов.