Передающие оптоэлектронные модули, их применение. Построение зависимости выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока. Определение зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения.
Аннотация к работе
Основные требования, которым должен удовлетворять источник излучения, применяемый в ВОЛС: 1) излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна (меньшие потери света при распространении: 850, 1300, 1550нм); 5) источник излучения должен иметь большую мощность, чтоб передавать сигнал на большие расстояния (но чтоб излучение не приводило к нелинейным искажениям и не повредило волокно или оптический приемник) В основе работы фотоприемника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Из фотоприемников, применяемых в ВОЛС получили распространение : лавинные фотодиоды, фототранзисторы, p-i-n фотодиоды.
Введение
Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконнооптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в волокно с минимальными потерями.
Главным элементом ПОМ является источник излучения. Основные требования, которым должен удовлетворять источник излучения, применяемый в ВОЛС: 1) излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна (меньшие потери света при распространении: 850, 1300, 1550нм);
2) источник излучения должен выдерживать необходимую модуляцию для обеспечения передачи информации на требуемой скорости;
3) источник излучения должен быть эффективным (чтоб большая часть излучения попадало в волокно с минимальными потерями);
4) стоимость производства источника излучения должна быть относительно невысокой;
5) источник излучения должен иметь большую мощность, чтоб передавать сигнал на большие расстояния (но чтоб излучение не приводило к нелинейным искажениям и не повредило волокно или оптический приемник)
Два основных типа источника, удовлетворяющие требованиям, используются в настоящее время - светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные диоды (LD).
Основным элементом ПРОМ является фотоприемник, изготавливаемый из полупроводникового материала. В основе работы фотоприемника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых в полупроводнике электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения заряда носителей. Для этого используется конструкция с p-n переходом - фотодиод. Из фотоприемников, применяемых в ВОЛС получили распространение : лавинные фотодиоды, фототранзисторы, p-i-n фотодиоды. оптический излучение ток
Исходные данные: Т а б л и ц а 1 - Исходные данные
I, МА 28
Р1, МКВТ 280
Т а б л и ц а 2 - Исходные данные
Параметр Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
Длина волны l,мкм 0,85 1,0 1,1 1,2 1,31 1,42 1,55 1,62 1,7 1,75
Т а б л и ц а 4 - Исходные данные
Мощность излучения Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
4
Pu, МКВТ 2,5
Т а б л и ц а 5 - Исходные данные
Длина волны Последняя цифра номера зачетной книжки
8 l , нм 910
Задание 1
По данным таблицы 1 построить зависимость выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока, протекающего через него. Для заданных (по варианту) тока смещения и амплитуды модулирующих однополярных импульсов (см.таблицу 2) определить графически изменение выходной модуляционной мощности Рмакс и Рмин и определить глубину модуляции h . По построенной характеристике указать вид источника.
Ток смещения I, МА=14
Амплитуда тока модуляции Im, МА=6
Рисунок 1 - Зависимость выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока
Увеличим требуемый промежуток для более наглядного отображения: Согласно графику (рисунок 2): Pmax = 55 МКВТ
Pmin = 2,5 МКВТ.
Для определения глубины модуляции используем соотношение:
(1.1)
Что соответствует 90%
Задание 2
Построить график зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения по данным таблицы 3. Используя график и данные таблиц 4-5, определить величину фототока на выходе p-i-n фотодиода. По графику определить длинноволновую границу чувствительности фотодетектора. Определить материал для изготовления прибора.
Рисунок 3 - Зависимость чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения
По построенному графику зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения учесть соотношения:
, (2.1)
, (2.2)
, (2.3) где: ЕФ - энергия фотона, е - заряд электрона = 1,6.10-9 Кл, ?ВН - внутренняя квантовая эффективность фотодиода = 0,5, h - постоянная Планка= 6,26.10-34 Дж.с, С - скорость света = 3.108 м/с.
По графику определяем, что материал для изготовления прибора - германий.
Возьмем h ВН равной 0,5
Энергия фотона:
Ток фотодиода:
Чувствительность фотодиода:
.
Величина фототока при заданных ? и ?ен определяется только мощностью излучения. При отсутствии излучения через запертый диод течет обратный ток, называемый темновым. Этот ток вызывается электронами, перешедшими под влиянием температурных изменений из валентной зоны в зону проводимости.
Фототок может существовать лишь при выполнении условия: . (2.4)
Это означает, что фотодиод, выполненный из данного вещества, может регистрировать излучение лишь до некоторой граничной длины волны называемой длинноволновой границей чувствительности.
Длинноволновая граница чувствительности фотодетектора определяется соотношением: , (2.5) где Eg - ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, из которого сделан фотодиод.
Пусть фотодиод сделан из германия. Тогда Eg=0,661 ЭВ. Следовательно:
Заключение
Зависимость мощности излучения от тока накачки описывается ватт-амперной характеристикой диода (рисунок). Где 1 - лазерный диод, 2 - светодиод.
Исходя из зависимости выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока (рисунок 1) можно сделать вывод, что источником оптического излучения был светодиод. Благодаря своей простоте и низкой стоимости, светодиоды распространены шире, чем лазерные диоды.
Принцип работы светодиода основан на излучательной рекомбинации носителей заряда в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока. Носители заряда - электроны и дырки - проникают в активный слой (гетеропереход) из прилегающих пассивных слоев и затем испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света.
Длина волны излучения связана с шириной запрещенной зоны активного слоя и законом сохранения энергии .
Факторы, влияющие на технические характеристики фотоприемников : токовая чувствительность; квантовая эффективность; темновой ток; время нарастания и спада; эквивалентная мощность шума; насыщение ПРОМ; максимально допустимое обратное напряжние; рабочий диапазон температур; наработка и отказ.
Список литературы
1 Убайдуллаев Р.Р. Волоконнооптические сети. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998. - 267 с.
2 Иванов А.Б. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения. - М.: SYRUS SYSTEMS, 1999. - 671 с.
3 Гауэр Дж. Оптические системы передачи. Пер с англ. - М.: Радио и связь, 1989. - 501 с.
4 Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи (АТМ, PDH, SDH, SONET и WDM). - М.: Радио и связь, 2000. - 468 с.
5 Волоконнооптические системы передачи и кабели. Справочник под ред. Гроднева И.И., Мурадяна Р.М. и др. - М.: Радио и связь, 1993. - 264 с.
6 Фокин В.Г. Волоконнооптические системы передачи с подвесными кабелями на воздушных линиях электропередачи и контактной сети железных дорог. - Новосибирск, СИБГУТИ, 2000. - 94 с.
7 Фокин В.Г. Аппаратура и сети доступа. - Новосибирск, СИБГУТИ, 2000. - 114 с.
8 Фокин В.Г. Аппаратура систем синхронной цифровой иерархии. Издание 2-е, исправленное и дополненное. - Новосибирск, СИБГУТИ, 2001. - 60 с.