Интегральные приемники для оптического волокна. Обзор конструкций оптоволоконных приемников

4.3 Интегральные приемники для оптического волокна.

В оптических системах связи необходимо использовать электронные схемы для быстродействующей обработке сигналов. Дешевым решением для систем передачи по оптическому волокну, имеющих высокую пропускную способность, является конструирование высокоскоростных электронных передатчиков и приемников на одном кристалле (в виде чипа) или сборке кристаллов (гибридные схемы). Эти схемы должны обрабатывать сигналы изменяющимися со скоростями Гбит/с. Блок схем приемника приведена на рисунке 1.2

 

7

5

4

3

 

 

Рис 1.2 результаты разработок оптоволоконных приемников при сигналах, не имеющих нулевого уровня (по публикациям до 1993)

1-  предварительный усилитель,

2-  последовательный усилитель,

3-  решающая схема,

4-  разделительное устройство,

5-  ***

6-  выделение тактовой частоты,

7-  вспомогательные схемы для выделения тактовой частоты.

Хотя большинство этих схем может вести обработку сигналов на скоростях больше 10Гбит/с, другие еще в состоянии работать даже на скоростях 20Гбит/с, но мало сообщается о полностью интегрированных схемах выделения тактовой частоты, работающих  даже со скоростью 2 и 3 Гбит/сек. Последние результаты 8Гбит/сек. продемонстрированы в лабораторных условиях.

Будут рассмотрены новые принципы построения схем выделения тактовой частоты на уровне схем с дискретными транзисторами, которые позволяют сконструировать интегральную схему оптоволоконного приемника, работающего в мегабитном диапозоне скоростей. Используются технологии интегральных схем и максимальная скорость будет зависеть от  области применения.

Большая часть технологии CMOS (схемы металл - окись-полупроводник) может быть использована со скоростями 0,622 до 2,5Гбит/сек.

Таблица 1скорости в битах, соответствующие аппаратуре SONET (Сев. Америка) и SDH (Европа).

Скорость Мбит/сек	SONET	SDH
51.84	ОС -01
155.52	ОС-03	STM-1
622.08	ОС  -12	STM-4
1244.16	ОС –24	STM-8
1866.24	ОС-36	STM-12
2488.32	ОС-48	STM-16

SONET  включает в себя иерархические системы и в настоящее время ведется разработка схем, соответствующих стандарту ОС-192 со скоростью 9953Мбит/сек (10Гбит/сек.). Эти схемы могут использовать биполярные технологии, полевые транзисторы (FET) на GaAs, BiGMOS  или SOJ-CMOS (кремний на изоляторе CMOS)

Для более высоких скоростей используются приборы с гетер переходами HBT(биполярные транзисторы с гетер переходами).

1.3.1 Технологии изготовления высокоскоростных интегральных схем.

Большая часть схем в выполненных исследованиях изготовлена на полупроводниках AlGaAs/GaAs на транзисторах НВТ методом TRW f_макс=40ГГц, с которыми неизменно достигали уровень интеграции свыше 1000 приборов в кристалле. Другие более простые схемы были реализованы по методу TRW на элементах JnP  с гетер переходом (НВТ) f_макс=80ГГц. Другого рода материалы были использованы в транзисторах НВТ для образования гетер перехода так, чтобы энергетический уровень на эмиттерной стороне перехода был больше чем в базе. Это различие дает конструктору дополнительный параметр для управления поведением прибора. В частности эффективность эмиттерной инжекции в основном определяется разностью энергетических уровней и не зависит уже от отношения степени легирования. Это позволяет оптимизировать степень легирования для высокоскоростных характеристик не будучи связаны в соображениях усилительных свойствах. Не является необычным иметь в базе более высокую концентрацию примесей чем в эмиттере , в результате чего уменьшается сопротивление базы  и емкость эмиттерного перехода  и таким образом скоростные свойства становятся выше. Регулировка упомянутой установки энергетических уровней, НВТ может обеспечить выигрыш в скорости от 20 до 100% по сравнению с однородными.

1.4 Обзор конструкций оптоволоконных приемников.

Упрощенная блок схема оптоволоконного приемника приведена на рис 1.3. Она содержит высокоимпедансный детектор на входе. Детектор представляет собой либо pin либо ЛФД.

 

Сигнал низкого уровня после детектора усиливается малошумящим предварительным усилителем, за которым следует основной усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ). Схема выделения тактовой частоты и регенерации сигналов получает информацию для синхронизации из случайных сигналов передаваемой информации, стробирует поток информационных данных в определенные моменты времени. В конце конвертор преобразует последовательно поступающие кодовые комбинации в параллельные, понижет скорость следования и разделяет (демультиплексирует) импульсы. Далее следует краткое описание каждого из этих блоков и проблемы, которые должны быть решены для успешного изготовления интегральной схемы приемника.

1.4.1 Фотодетектор.

Когда световые импульсы, передаваемые по оптическому волокну, приходят к месту назначения, они фокусируются на диод фотодетектора, который поглощает световую энергию и генерирует пары электрон – дырка. Эти пары быстро переходят через обедненную область р – п перехода диода создавая ток, пропорциональный соответствующей световой мощности. Механизмы поглощения одномодового стекловолокна имеют три окна прозрачности, соответствующих минимальному ослаблению световых импульсов. Эти окна соответствуют длинам волн 0,82 ; 1,3 и 1,55 микрон. Для волокна с малым количеством примесей превалирующим механизмом потерь в этих окнах является Релеевское рассеяние.

Длина световой волны, поглощаемая фотодетекторами на AlGaAs, примерно соответствует 0,8 микрон. Это хорошо согласуется с коротковолновым окном малых потерь в стекловолокне. Однако ослабление на этой длине волны на 10 дБ больше чем на 1,55мк. Три разных варианта использования фотодетектора может быть реализованы, когда применяются транзисторы с гетер переходами (НВТ) на AlGaAs.

1)  Использовать (интегрировать в ИМС) pin фотодиод на AlGaAs в интегральную схему приемника, чтобы создать световую систему связи на длине волны 0,8мк. Такая система может обеспечить высокую скорость передачи сигналов, но потери  рассеяния в волокне ограничивают расстояние между усилительными пунктами до 10-20 км, что применимо для магистралей небольшой протяженностью