Разработка оптического приемного устройства

Введение

Современное состояние сетей связи характеризуется широким внедрением дополнительных мультимедийных услуг, бурным развитием сетей Интернет первого и второго поколения (видеотелефон, видеоконференции, телемедицина, телеобразование, электоронная почта, электронная коммерция и  т.д.), массовым внедрением передовых технологий высокоскоростной передачи с коммутацией пакетов. Для реализации этих тенденций необходимо резкое увеличение пропускной способности транспортных сетей.

С точки зрения динамического увеличения пропускной способности очевидны преимущества оптической среды передачи. Современные одномодовые оптические волокна при временном разделении позволяют увеличивать скорость передачи со 155Мбит/с до 10 (STM-64)  и даже до 40ГБит/с (STM-256), т. е. Более чем на два порядка. Есть достаточно оснований предполагать, что наиболее распространенным методом последовательного увеличения пропускной способности ВОЛС станет комбинированный метод, при котором на первом этапе применяется временное разделение сигналов, а на втором – спектральное уплотнение ОВ.

  В 2005 году нагрузка на транспортной сети связи будет определяться потоками Интернета. Поскольку основные базы данных находятся в США, Европе, Японии и Азии, эти потоки пойдут в двух направлениях: на запад и на восток. Поэтому магистральные соединительные линии должны иметь пропускную способность 100…200 Гбит/сек.  

Есть достаточно оснований полагать, что за период, сопоставимый со сроком службы оптического кабеля пропускная способность ВОЛС возрастет на один – два порядка и достигнет 20Тбит/сек. Такая величина может быть получена только в результате спектрального уплотнения. При этом в кабеле с 40 ОВ необходимо обеспечить организацию по каждому волокну до 100 каналов со скоростью передачи 10Гбит/сек .

  Постоянное  повышение скорости передачи информации по линии связи и совершенствование характеристик  среды передачи приводит к необходимости рассмотрения конструкций приемных оптических модулей (ПРОМ) для высокоскоростных систем передачи. Назначение оптических приемников - преобразовать оптический сигнал в электрическую форму и извлечь передаваемую через световую систему высокоскоростную цифровую информацию. Его основной блок - фотодетектор, который преобразует свет в электричество, используя фотоэлектрический эффект. Он должен иметь высокую чувствительность, быстрый отклик (безынерционность), низкий шум, низкую стоимость и высокую надежность.

В настоящее время все фотоприемные устройства для волоконно-оптических систем передачи выпускаются в интегральном виде. Использование  же приемных устройств в данном виде не позволяет в процессе обучения студента раскрыть современные принципы построения таких  устройств. Однако знание принципов построения фотоприемных устройств является обязательным для выпускников СибГУТИ. В данном дипломном проекте рассматриваются принципы конструирования приемных устройств согласно техническому заданию, используя структурную схему приемника для цифровой оптической системы связи, которая приведена на рисунке 1.

Входной оптический сигнал поступает на фотодетектор. Так как значения детектируемого фототока малы и составляют примерно  десятки мкА, то данный фототок необходимо усилить. В приемнике цифровой системы связи за трактом линейного усиления следует регенератор цифрового сигнала. В состав линейного усилителя включено устройство коррекции или фильтрации, которое может быть реализовано, а в регенераторе сигнала помещено решающее устройство .

 

Рисунок 1 - Структурная схема приемника  цифровой оптической системы связи

Согласно техническому заданию необходимо разработать приемное устройство для скорости передачи 2,5Гбит/сек. Выбор именно этой скорости передачи сигналов связано с  широким применением STM-16.

Учитывая особенности построения курса ВОСП, задачей данного дипломного проекта кроме самой разработки оптического приемного устройства  является подбор материала для  постановки курсового проекта.

1 Основные типы оптических  детекторов, применяемых в ВОСП

В большинстве случаев используется два основных типа фотодиодов –     p-i-n и лавинные фотодиоды (ЛФД). Последний хотя и позволяет выиграть в пороге чувствительности в М раз (при ограничении шумами схемы), но имеет ряд недостатков:

1)  работает в меньшем диапазоне температур,

2)   часто требует повышенного напряжения смещения (80…400В), тогда как p-i-n фотодиоды можно питать от источников, используемых для обычных полупроводниковых микросхем,

3)  требует стабилизации режима, так как коэффициент лавинного умножения и многие другие параметры резко зависят от температуры.

4)  Уступает ЛФД p-i-n – диоду и в пределах линейности характеристики детектирования.

Рассмотрим основные конструкции, используемые при высоких скоростях. Оценим параметры фотодетекторов, на которые особенно влияет  увеличение скорости.

1.1 Р-i-n - детекторы

Простой способ увеличить ширину обедненной области состоит во введении слоя беспримесного или малолегированного полупроводникового материала между слоями р и п (р-п перехода). Так как средний слой представляет собой почти диэлектрик, такую структуру называют pin - фотодиодом. Рисунок 1.1 показывает структуру прибора вместе с распределением электрического поля при работе с обратным смещением . Большая часть напряжения смещения падает на среднем слое, имеющем большое сопротивление беспримесного полупроводника (область i). В результате сильное электрическое поле существует в слое «i». По существу обедненная область включает область «i» и ее ширину можно изменять, изменяя толщину i слоя. Основное отличие от фотодиода с р-п переходом в том, что составляющая фототока, обусловленная перемещением носителей под воздействием поля преобладает над диффузионной составляющей, просто потому, что большая часть поступающего света поглощается в области «i» p-i-n фотодиода.

 

Рисунок 1.1 - Структура p-i-n- фотодетектора и распределение электрического

поля вдоль нее

Так как ширину обедненного слоя w можно контролировать при изготовлении, стоит вопрос: насколько большой она должна быть? Оптимальная величина w зависит от компромисса между скоростью установления и чувствительностью. Чувствительность фотодетектора можно увеличить, увеличивая w, так что квантовая эффективность приближается к 100%. Однако, время установления также увеличивается, так как большее время требуется носителям, чтобы пересечь обедненную область. Для полупроводников с непрямой разностью энергетических уровней, таких как Si и Ge типичная величина w должна быть порядка 20-50 мкм, чтобы обеспечить приемлемую квантовую эффективность. Ширина полосы таких фотодиодов при этом ограничивается относительно большим временем прохождения (t_tr>200 псек). В противоположность этому w может быть такой малой, как 3-5 мкм для фотодиодов, которые использую полупроводники с прямой разностью энергетических уровней, как, например InGaAs. Время прохождения для таких фотодиодов t_tr=30-50 псек, если использовать v_g=1×10⁵ м/сек как скорость насыщения.