Разработка фотоприемного устройства волоконно-оптической системы передачи информации (ВОСПИ)

искажения сигнала в зависимости от того, каким лазерным излучателем возбуждается какое оптическое волокно.

При возбуждении одномодовым излучателем одномодового волокна дополнительных нелинейных искажений при механических воздействиях на волокно не происходит (т.к. не происходит эффекта перемешивания мод) т.е. не появляются дополнительные ложные сигналы с частотами  f=(mf₁± nf₂), а также не изменяется уровень принимаемого сигнала (это явление отсутствует и при возбуждении многомодовым излучателем многомодового волокна). Таким образом, для исключения влияния механических воздействий, необходимо построение аналоговой ВОСПИ по структуре:

одномодовый излучатель - одномодовый ВОК.

Рекомендуемый вариант построения ВОСПИ имеет свои

достоинства и недостатки: одномодовый излучатель – одномодовый кабель, малое затухание, но требуется высокая точность настройки разъемов.

В нашем случае не требуется частых разъединений, а необходимо только первоначальное подключение. Поэтому ограничения на монтировку нас особо не стесняет.

1.2.2. Излучатели.

Выполнение требований технического задания по частотному диапазону (F_в ≤ 400 МГц) приводит к тому, что в качестве излучателя может быть использован излучатель ИЛПН – 206 с ОИ.

Источник оптического излучения должен излучать световой поток на длине волны, соответствующей одному из минимумов полных потерь в ОВ, обеспечивать эффективный ввод излучения в ОВ, иметь малые габариты, вес и потребляемую мощность, отличаться простотой, надежностью и высокой долговечностью.  Для возбуждения лазерного излучателя необходим усилитель – модулятор. К УМ предъявляются требования: отношение сигнал/шум на выходе, должно быть равным сигналу/шуму на его входе, динамический диапазон по оптическому, а тем более по электрическому сигналу должен быть

D ≥ 60 дБ.

 

1.2.3. Фотоприемные устройства (ФПУ).

 

Одним из главных функциональных элементов схемы среди блоков волоконно-оптической системы передачи является Фотоприемное устройство. Фотоприемник изготавливается из полупроводниковых материалов. Существуют определенные требования к его качеству и надежности, поскольку отказ любого элемента данного ФПУ приводит к нарушению правильной работы всего ствола линии.

Качество работы ФПУ характеризуется следующими основными параметрами:

·       Чувствительность

·       Динамический диапазон

·       Коэффициент ошибок

Фотодетектор должен вносить минимальные шумы в приемную систему, отличаться стабильностью рабочих характеристик, иметь небольшие размеры, быть высоконадежным и недорогим.

         Приемные оптические модули серии PD-155-ip и PROM-155 выпускаются на основе импортных InGaAs/InP PIN – фотодиодов, интегрированных с малошумящим трансимпедансным усилителем со встроенной системой АРУ и дифференциальным выходом. Модель PROM-155 дополнительно имеет встроенный усилитель-ограничитель и PECL – выход отсутствия сигнала в линии. Модули предназначены для работы в цифровых волоконно-оптических линиях связи со скоростью передачи информации 2..155 Мбит/c.

Технические характеристики оптических модулей приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4. Технические характеристики (Т = 25 ⁰С)

Параметр	PD-155-ip	PROM-155
Спектральный диапазон, нм	1100..1650	1100..1650
Скорость приема, Мбит/с	2..155	2..155
Мощность насыщения, дБм	+3	+3
Чувствительность, 155мБит/c	-36	-36
Тип оптического волокна	одномодовое	одномодовое
Тип разъема*	FC/PC	FC/PC
Тип корпуса	4-pin, DIL-8	DIL-14
Напряжение питания, В	4,5..5,5	4,75..5,25

 

^* - тип разъема может быть изменен по согласованию с заказчиком.

         В связи с тем, что ВОСПИ должна функционировать постоянно, а на приемной стороне будет использован автономный источник питания, для увеличенного непрерывного времени работы линии необходимо иметь ФПУ с возможно меньшим уровнем потребления мощности.

         Таким образом, целью настоящего дипломного проекта является разработка ФПУ для приема аналоговых оптических сигналов с длиной волны λ=1,3 мкм, удовлетворяющего всем вышеперечисленным требованиям, исходя из данных к дипломному проекту.

Как известно чувствительность любого усиливающего устройства потенциально ограничивается собственными шумами.

Усилитель разрабатываемого ФПУ не является исключением. Для того, чтобы была возможна устойчивая работа устройства, уровень сигнала должен превышать уровень шума в некоторое количество раз.

ФПУ должно обеспечивать заданное качество приема сигнала при минимально возможном уровне входной мощности. удовлетворение этого требования позволит увеличить длину участка связи при фиксированной мощности передатчика или при той же длине снизить необходимую мощность передатчика. Уменьшение мощности передатчика в свою очередь создает предпосылку для увеличения срока службы лазера – самого надежного и дорогостоящего элемента

ВОСПИ.

ФПУ должно сохранить требуемое качество приема при изменении уровня входного сигнала (ФПУ должно иметь необходимый динамический диапазон работы).

Динамический диапазон – отношение максимальной средней мощности оптического сигнала на входе приемного оптического модуля, при котором характеристики модуля не выходят за допустимые пределы.

В разрабатываемом фотоприемном устройстве задано значение динамического диапазона по электросигналу ≥ 50 дБ.

Таким образом, Фотоприемное устройство характеризуется системой параметров, важнейшими из которых являются:

·       Рабочая длина волны, для которой нормированы параметры премного оптического модуля.

·       Полоса пропускания, то есть интервал частот, в котором модуль коэффициента передачи больше или равен половине его максимального значения.

·       Напряжение шума, то есть среднеквадратичного значения флуктуации выходного напряжения в заданной полосе частот в отсутствие оптического сигнала на его входном оптическом торце.

·       Отношение сигнал/шум – отношение амплитуды переменной составляющей выходного напряжения при заданных характеристиках принимаемого оптического сигнала к среднеквадратичному значению флуктуаций выходного напряжения при приеме немодулированного оптического излучения той же средней мощности.

·       Порог чувствительности – минимальная средняя мощность оптического сигнала на входе при заданных характеристиках этого сигнала, при котором обеспечивается заданное отношение сигнал/шум или заданный коэффициент ошибок. Усреднение обычно производится в течении интервала времени во много раз превышающего период модулирующей частоты или длительности светового импульса.

Фотоприемные устройства также должны позволить осуществить стыковку с каналообразующей или другой оконечной аппаратурой.

Вместе с тем, в ВОСПИ возникают специфические помехи, связанные с распространением сигналов по световодам.

Режимы работы ФПУ ВОСПИ существенно отличаются от режимов ФПУ, применяемых в атмосферной связи или оптической локации. Главное отличие состоит в стабилизации канала и отсутствии фоновой засветки.

Техника фотоприемных устройств развивается в направлениях повышения быстродействия, освоения новых спектральных диапазонов, совершенствования технологии изготовления, конструкции и улучшения основных параметров в соответствии с приведенными требованиями.

2. Выбор и обоснование структурной схемы ФПУ.

         ФПУ является составной частью линейного тракта и служит связующим звеном между ВОК и приемником.

         Фотодиоды изготавливаются из разных материалов. Рабочие диапазоны длин волн , в которых достигается максимальная эффективность фотодиодов для разных полупроводниковых материалов , приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Материал	Диапазон принимаемых длин волн λ,нм
Кремний	400-1000
Германий	600-1600
GaAs	800-1000
InGaAs	1000-1700
InCaAsP	1100-1600

         Рассмотрим более подробно этот важный узел ВОСПИ.

Фотоприемник служит для приема (детектирования) и преобразования оптических сигналов в электрические.

Фотоприемник имеет оптический вход (управляющая цепь) и электрический выход (сигнальная цепь). Параметры ФПУ должны быть согласованы с источником излучения и оптической линией связи , с одной стороны, и с электрической нагрузкой, включающей в себя любой требуемый преобразователь электрических сигналов :усилитель, модулятор, декодер, с другой стороны. Как элемент оптической цепи фотоприемник может работать как в аналоговом, так и в цифровом режимах, что определяется формой оптического сигнала, поступающего на его вход.

         Фотоэлектрическое преобразование позволяет получить параметры сигнала, при которых аппаратура, подключенная к выходу ФПУ, может нормально функционировать.

         Особенности ВОСПИ определяют выбор принципа оптического детектирования, его приборную и аппаратурную реализацию.

         Преимущественно распространен принцип прямого детектирования, основу которого составляют

полупроводниковые фотоприемники. Ему присущи простота реализации, схемная минимизация, возможность микроминиатюризации и  интеграции на уровне фотопреобразований, высокое быстродействие.

         Конструктивно ФПУ состоит из фотодиода и широкополосного высокочувствительного усилителя.

         Усилители ФПУ традиционно делятся на предварительный и оконечный усилитель. На рисунке 2.1 приведена схема ФПУ с прямым детектированием.

 

Рис. 2.1 Структурная схема ФПУ.

ФЭППИ - фотоэлектрический полупроводниковый приемник излучения.

ПУ - предварительный усилитель.

ОУ - оконечный усилитель.

ОС - цепь отрицательной обратной связи.

         Фотоэлектрический полупроводниковый приемник излучения преобразует оптический сигнал в электрический. В качестве приемника излучения чаще всего используют фотодиод или лавинный фотодиод.

         Предварительный усилитель(ПУ) – усиливает сигнал, обеспечивая наибольшее отношение сигнал/шум. Главной задачей проектирования ФПУ является достижение минимального порога чувствительности. Чем меньше этот порог , тем больше длина регенерационного или усилительного участка. Поэтому ПУ должен быть хорошо согласован с ФЭПИ, обеспечивая эффективную передачу энергии сигнала и малый уровень шума. Входной каскад ПУ выполняется на биполярном транзисторе и имеет входное сопротивление, равное внутреннему сопротивлению ФЭППИ.

          Оконечный усилитель (ОУ) – осуществляет усиление, понижающее выходное сопротивление ФПУ, необходимое для работы устройства обработки сигнала.

         ФПУ, как правило , работает при уровнях входной мощности , превышающих порог чувствительности. Запас входной мощности необходим для обеспечения надежности связи, так как с течением времени, вследствие старения лазера, мощность передатчика уменьшается.

         Приемник излучения и его рабочий режим выбирается исходя из заданных спектрального диапазона порога чувствительности, быстродействия и требуемого динамического диапазона.

         В большинстве случаев приходится делать выбор между p-i-n – фотодиодом и лавинным фотодиодом. Последний, хотя и позволяет выиграть в пороге чувствительности, работает в меньшем диапазоне температур, часто требует повышенного напряжения питания, стабилизации режима. Надежность ЛФД, включенного в конкретную схему, может оказаться меньше надежности p-i-n – фотодиода. Уступает ЛФД, p-i-n – диоду и в пределах линейности характеристики детектирования. В качестве фотодиода в аналоговых ВОСПИ с большим динамическим диапазоном используется p-i-n – диод. ЛФД не используется, так как имеет малый динамический диапазон из-за сильной зависимости коэффициента умножения от сигнала.

         Следующим узлом ФПУ является предварительный усилитель (ПУ). Шумовые свойства предусилителя, зависят от многих факторов: схемы реализации, типа фотодетектора, рабочей полосы частот, типа используемых транзисторов, коэффициента шума транзистора, выбора его рабочей точки, технологии изготовления, наличия и вида корректируемого фильтра. Для требуемого частотного диапазона шумовые параметры биполярного и полевого транзистора соизмеримы.

         После выбора приемника излучения и типа транзистора входного каскада необходимо проектирование схемы предварительного усилителя. Предварительный усилитель (ПУ) усиливает электрический сигнал , обеспечивая наибольшее отношение сигнала к шуму. ПУ должен быть хорошо согласован с приемником излучения, обеспечивая одновременно эффективную передачу энергии сигнала и малый уровень шума.   Для получения малошумящего усиления применяются схемы самой различной структуры: усилители могут быть дифференциальными и недифференциальными, содержать или не содержать цепи обратной связи и согласующие цепи.

         Классификация схем осуществляется по нескольким направлениям. По способу преобразования сигнала во входной цепи различают усилители фотонапряжения, фототока , преобразователи токонапряжения и другие. По величине входного сопротивления усилители подразделяются на высокоимпендансные и низкоимпендансные. Усилители с глубокой обратной связью по напряжению называют трансимпендансными.

         Рассмотрим подробнее свойства каждой схемы. Основные преимущества дифференциальных усилителей – это низкие требования  к абсолютной величине номиналов элементов и высокая помехозащищенность. Вместе с тем , дифференциальные усилители уступают обычным по шумовым характеристикам : уровень шума в них на 3-5дБ выше. Дифференциальные усилители применяются в монолитных интегральных схемах и в тех случаях , когда весьма важным требованием может оказаться помехозащищенность, например в вычислительных (схемах) сетях.

         Среди схем без обратной связи наибольшее распространение получили высокоимпендансные усилители на полевых транзисторах. Низкоимпендансные усилители применяются главным образом на СВЧ.

         Низкоимпендансным усилителем принято называть усилитель с входным сопротивлением 50 Ом. Достоинством усилителя первого типа является возможность достижения минимального порога чувствительности , а недостатками : сравнительно низкий динамический диапазон , высокая чувствительность к действию электромагнитных помех, необходимость индивидуальной настройки. использование высокого входного сопротивления (единицы, десятки МОм) приводят к интегрированию сигнала во входной цепи, вызывает частотные искажения. При этом возрастает отношение сигнала к шуму первого каскада усилителя.

         Хотя использование большого входного сопротивления помогает максимизировать отношение сигнал/шум в приемнике оптических сигналов, однако оно одновременно порождает неудобства, вызванные необходимостью осуществлять значительную по величине коррекцию.

         Первое неудобство состоит в том, что коррекция должна быть индивидуально приспособлена для каждой схемы. Она не

может быть установлена заранее. Причина в том, что коэффициент усиления должен изменяться по закону: G(f) = G₀· (1+j·2p·f·С·R), а значения С_вх и R_вх изменяются от прибора к прибору от схемы к схеме и часто зависят от температуры.

         В результате каждая схема должна настраиваться индивидуально.

         Вторая проблема в том, что значительное изменение коэффициента усиления с частотой означает уменьшение динамического диапазона усилителя. Структурная схема этого типа предусилителя показана