Разработка фотоприемного устройства ВОЛС

Разработка фотоприемного устройства ВОЛС

Курсовая работа

Разработка фотоприемного устройства ВОЛС

Содержание

Введение. Исходные данные к проекту

Требования к линейным сигналам оптических систем передачи

Определение минимально необходимого соотношения сигнал-шум

Выбор фотоприемника

Выбор схемы входного каскада фотоприемника

Расчет минимальной мощности оптического излучения на входе фотоприемника

Способы улучшения чувствительности фотоприемника

Список литературы

Введение. Исходные данные к проекту

Цель проекта: провести разработку схемы и расчет основных параметров фотоприемного устройства ВОЛС в диапазоне скоростей передачи 1-10 Гбит/с, длина волны 1.55 мкм.

Исходные данные:

1. Скорость передачи информации В 1.2 Гбит/с;

2.       Допустимый коэффициент ошибок (BER) 10^-9;

.        Тип кодирования сигнала NRZ;

4.       Тип усилителя фотоприемного устройства - трансимпедансный.

Требования к линейным сигналам оптических систем передачи

1. Спектр сигнала в полосе пропускания должен быть узким и не должен иметь постоянной составляющей, т.е. должен быть ограничен сверху и снизу;

2. Желательно, чтобы основная доля энергии непрерывной составляющей энергетического спектра была сосредоточена в относительно узкой части спектра, так как при прочих равных условиях, чем уже спектр, тем меньше искажается сигнал за счет ограничения полосы линейного тракта;

. Линейный код должен содержать информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала. В приемнике эта информация используется для восстановления фазы и частоты хронирующего колебания, необходимого для принятия решения пороговыми устройствами приемника и регенератора;

. Непрерывная часть энергетического спектра должна иметь низкий уровень в области тактовой (либо кратной ей) частоты, используемой для синхронизации приема, так как чем меньше уровень непрерывной составляющей в области, выделяемой дискретной составляющей, тем меньше помехи для устройств выделения тактовой частоты;

. Код передачи должен отображать любую двоичную последовательность. Процесс линейного кодирования не должен зависеть от статистики сигналов источника информации, и наоборот, код не должен налагать какие либо ограничения на передаваемое сообщение и должен обеспечивать однозначную передачу сигналов с любой статистикой;

. Алгоритм формирования сигнала должен позволять надежно контролировать качество (достоверность) передачи в процессе автоматической эксплуатации ВОСП путем контроля ошибок;

. Устройство кодирования, декодирования и контроля ошибок должны быть простыми, надежными и малоэнергоемкими с возможностью интеграции схемы;

. Желательно, чтобы линейный код имел малую избыточность для снижения соотношения между скоростью передачи в линии и скоростью исходных двоичных сигналов и повышения эффективности ВОСП;

. Линейный код не должен приводить к существенному размножению ошибок при декодировании;

Поскольку импульсы излучаемой оптической мощности, разумеется, могут быть только положительными или нулевыми, мы не можем непосредственно использовать биполярные коды, которые применяются при передаче информации по проводным линиям.

Применяемые коды на ВОСП

Правила кодирования (рис.1)и распределения спектральной плотности различных кодов передачи (рис.2) представлены на графиках:

1-NRZ; 2-RZ; 3-BI-L; 4-BI-S; 5-Код с «обращением»; 6-электронно-фотонный код1; 7-электронно-фотонный код 2.

Как видно из рисунка, NRZ обладает узкой шириной спектра. Сигналы NRZ и RZ имеют максимум спектральной плотности в узкой полосе частот.

NRZ (без возвращения к нулю на тактовом интервале - абсолютный) - точно повторяет информационную последовательность. Сигнал RZ можно рассматривать как код 1В2В. Единицам в исходной последовательности соответствуют комбинации 10, нулям- комбинации 00. Возвращение к нулю после передачи каждой единицы повышает качество синхронизации при повторении большого числа единиц. Коды BI-L и BI-S называются биимпульсными. В абсолютном биимпульсном сигнале BI-L единицам в исходной последовательности соответствует блок 10, нулям- 01. В относительном биимпульсном сигнале BI-S изменение уровня или фазы происходит лишь при появлении символа 1, а при появления символа 0 сохраняется значение уровня или фазы предыдущего элемента. Применение блочных кодов mBnB вызывают увеличение тактовой частоты линии в n/m раз. Коды 1В2В применяются только в системах с относительно низкой скоростью передачи.

На больших скоростях обычно применяются коды типа NRZ. Достоинствами этих кодов являются простота реализации, относительная узость спектра и высокая энергетическая эффективность. Но такие коды характеризуются такими существенными недостатками, как высокий уровень низкочастотных составляющих, невозможность контроля ошибок, отсутствие дискретных составляющих в энергетическом спектре. Для улучшения статистических свойств сигналов используют скремблирование исходного двоичного сигнала для превращения его в сигнал, близкий к случайному. Данная операция устраняет длинные последовательности нулей и единиц, а также упрощает процесс выделения тактовой частоты из принимаемого сигнала.

Определяющим параметром для расчета потребной ширины полосы частот занимаемой сигналом является избыточность кода, а также относительная скорость передачи, характеризующая увеличение тактовой частоты при применении данного блочного кода.

Очевидно, что чем меньше избыточность кода, тем меньше разница между скоростями.

Необходимая длительность тактового интервала определяется из формулы:  =>  [1, 1, 70, 2.4.22]¹ В-скорость передачи, 1.2Гбит/с.

Ширина полосы частот для кода NRZ, согласно таблице кодирования

Ширина спектра сигнала :

 [2, 1, 57, 2.2.42]

Здесь и далее формулы нумеруются следующим образом: [№ формулы в курсовой работе] - [№ используемого источника из списка литературы], [страница с формулой],[№ формулы в источнике]

Определение минимально необходимого соотношения сигнал-шум

Искажения сигнала, в особенности шумом, приводит к принятию ошибочных решений и поступлению к получателю некоторого числа ложных сигналов в двоичной форме. Качество восстановленного сообщения характеризуется коэффициентом ошибок, под которым понимаю отношение числа ложных битов на входе приемника к общему числу принятых битов.

 Найдем зависимость коэффициента ошибок от величины сигнала и шума до принятия решения. Предположим, что напряжение сигнала- это случайная величина с гауссовым законом распределения и стандартным отклонением . Она центрирована на u, когда излучается символ “1”, и на нуле при передаче “0”. Поэтому условная вероятность приема символа “0” при передаче символа “1” будет равна вероятности того, что напряжение на выходе приемника будет ниже порога . Следовательно, выражение для этой вероятности имеет вид

 [3, 3, 375]

Аналогично, условная вероятность приема символа “1”, когда передается символ “0”, будет равна

Простая замена переменной приводит к следующим формулам:

,

где -дополнительная функция ошибок, равная

Символы “1” и “0” априори считаются равновероятными, а потому полная вероятность ошибки равна

И если учесть, что вероятность ошибок одинакова для каждого символа

Это выражение дает следующее значение порога

Выражение для вероятности ошибки (в случае длинной последовательности импульсов, равной наблюдаемому коэффициенту ошибок) примет вид:

 [4, 3, 375, 15.4]

где

Коэффициент ошибок зависит от отношения сигнал-шум на выходе приемного устройства. Связь между ними определяется через дополнительную функцию ошибок, значения которой табулированы, а также представлены на графике (рис.3):

Рис.3 [2, 28]

Исходя из требуемого коэффициента ошибок BER=10^-9 по графику определяем, что для достижения такого качества принятия сигнала необходимо, чтобы Q=6. Q пропорциональна отношению сигнал к шуму (S/B), определяемых обычно для цифровых систем связи как отношение максимального отношения напряжения к действующему значению напряжения шума:

Q=1/2 SNR [5, 3, 376, 15.6]

Выбор фотоприемника

В фотоприемных устройствах (ФПУ) ВОСП происходит преобразование оптических сигналов в электрические и первичная обработка электрических сигналов. К характеристикам ФПУ предъявляют следующие основные требования:

·   высокая эффективность преобразования оптических сигналов в электрические (высокая чувствительность на рабочей длине волны),

·   высокое быстродействие,

·   низкий уровень шумов,

·   стабильность характеристик при изменении параметров окружающей среды (температуры, влажности, давления и пр.),

·   высокая надежность, большой срок службы,

·   низкая стоимость.

Важной характеристикой фотодиодов является спектральная характеристика, т.е. зависимость эффективности работы фотодиода от длины волны передаваемого сигнала, где эффективность работы фотодиода определяется отношением тока на выходе к мощности принимаемого сигнала. Эта характеристика определяет диапазон использования различных фотодиодов в приборах. На рис.4 представлены характеристики для трех основных типов фотодиодов: кремниевого (Si), германиевого (Ge) и на основе сплава арсенида галлия (InGaAs).

Рис.4. Характеристики зависимости выходного сигнала фотодиода от длины волны принимаемого сигнала

Из рисунка видно, что кремниевый фотодиод может с успехом использоваться при измерениях оптического сигнала от 800 до 900 нм. На практике, оптические измерители мощности, использующие этот тип детектора, калиброваны на более широкий диапазон - от 400-450 до 1000 нм. Для измерений в одномодовых волоконных кабелях 1310 и 1550 нм, получивших наибольшее распространение в современных системах связи, обычно используются германиевые детекторы или фотодиоды на основе сплава InGaAs. Они работают во всех трех окнах прозрачности, но детекторы на основе InGaAs имеют более широкий спектр измерения, большую температурную стабильность и стоимость. Кроме того, InGaAs-фотодиоды при отсутствии светового сигнала имеют низкий уровень остаточного тока, который, к тому же, практически не зависит от изменения температуры. Это позволяет снизить уровень шума и увеличить динамический диапазон измерений.

PIN-диод является полупроводниковой структурой, которая включает область положительных зарядов (positive), область отрицательных зарядов (negative) и разделяющую их нейтральную область (intrinsic), обедненную носителями зарядов. Обедненная область создается обратным смещением перехода, при котором через прибор течет очень слабый обратный ток. При обратном смещении электроны стремятся выйти из n-области во внешнюю цепь и образовать дырки в р-области, обедняя носителями заряда область перехода.

В идеальном PIN-диоде каждый фотон создает одну электронно-дырочную пару. Если на диод падает слабый световой поток, то производимый электрический ток может быть недостаточным, чтобы детектировать его на фоне внутреннего шума самого pin-диода и внешней цепи.

PIN-диод обладает следующими характеристиками:

• относительно простая структура по сравнению с лавинными диодами;

• относительно слабая чувствительность к изменению температуры прибора;

• квантовая эффективность обычно менее или равна 1;

• ограниченный динамический диапазон;

• высокая прочность и длительное время эксплуатации;

• небольшая стоимость;

• по сравнению с лавинными диодами низкая чувствительность при данном отношении сигнал/шум.

Когда свет падает на поверхность диода, поглощаемые фотоны создают электронно-дырочные пары в обедненной области. Затем электроны и дырки разделяются под действием обратного смещения перехода и текут в направлении своих областей. Каждая электронно-дырочная пара производит ток в один электрон во внешней цепи.

рис.5 Структура PIN-диода

Лавинный фотодиод или APD (Avalanche Photo Diode) является альтернативой фотодетектору на основе PIN-диода. По сравнению с последним он имеет ряд преимуществ. Если на поверхность PIN-диода падает слабый световой поток, то выходной сигнал детектора также слаб, поэтому хотелось бы повысить его уровень перед дальнейшей его обработкой и усилением в электронной части фотоприемника. Это и обеспечивает структура, названная APD, которая показана на рис. 6.

Внутри части обедненной области лавинного диода создается сильное электрическое поле. Основные носители зарядов, порожденные падающими на диод фотонами (как и в pin-диодах), при попадании в это сильное поле способны усиливать выходную энергию на несколько электрон-вольт. Сталкиваясь с кристаллической решеткой, основной носитель отдает достаточно энергии для продвижения электрона из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс называется ударной ионизацией. Вследствие этого неосновные носители могут создавать еще больше носителей заряда. В результате происходит явление, известное как лавинный пробой, которым и объясняется внутреннее усиление в диоде.

Количество электронов, образующих ток во внешней цепи диода, равно произведению числа падающих фотонов и коэффициента лавинного умножения прибора.

Поэтому APD имеют квантовую эффективность около 4 (т.е. больше 100 %), хотя это может приводить также и к усилению шума на выходе прибора.

Лавинные диоды чувствительны к изменению температуры, поэтому обычно в структуру фотодетектора на основе APD включена схема АРУ (автоматического контроля усиления), которая поддерживает стабильное напряжение смещения. Лавинные диоды обладают следующими характеристиками:

• более сложная структура по сравнению с PIN-диодами;

• чувствительность прибора зависит от его температуры;

• квантовая эффективность составляет от 3 до 4;

• более широкий динамический диапазон;

• высокая прочность и длительное время эксплуатации;

• более высокая стоимость по сравнению с PIN-диодами;

• чувствительность обычно на 5 - 6 дБ выше, чем у PIN-диодов.

Рис.6 Структура ЛФД

Для выбора необходимого типа фотоприменика произведем сравнение нескольких PIN- фотодиодов и нескольких ЛФД, выпускаемых промышленностью

ЛФД Deschutes BS обладает лучшими характеристиками по сравнению с SU200-01A-TO, имеет небольшой темновой ток, малую емкость и невысокий фактор шума.

Среди PIN фотодиодов выбираем G6854-01, поскольку у него выше чувствительность и меньше темновой ток.

Окончательный выбор диода будет сделан далее.

Выбор схемы входного каскада фотоприемника

В качестве входных усилителей чаще всего применяют три типа усилительных схем:

1. усилители с низким входным сопротивлением;

2.       усилители с высоким входным сопротивлением;

.        трансимпедансные усилители.

Каждая из этих схем имеет свои особенности усиления полезного сигнала и шумовых составляющих.

Усилитель с низким входным сопротивлением требует согласования сопротивления нагрузки фотодетектора с малыми значениями входного сопротивления усилителя. На высоких скоростях величина этого сопротивления выбирается порядка нескольких десятков Ом, что в значительной степени ограничивает чувствительность приемника.

Такие схемы усилителей широко применялись в 80-е гг. прошлого столетия совместно с германиевыми фотодиодами (диапазон 1,3 мкм), лавинными фотодиодами, а также с другими типами фотодетекторов. Преимуществом этих схем является простота их реализации на «россыпных» элементах, на платах печатного монтажа, методом монтажа на поверхность (на скоростях до 150 Мбит/с) и др.

Усилитель с высоким входным сопротивлением позволяет повысить чувствительность за счет возможности применения высокоомной нагрузки фотодетектора и низкого уровня шумов, но этот тип усилителя не обладает широким динамическим диапазоном, что существенно ограничивает область применения таких схем.

Трансимпедансный усилитель (ТрУ) имеет по отношению к усилителю с высоким входным сопротивлением несколько больший уровень собственных шумов, но обеспечивает существенное расширение динамического диапазона, что делает этот тип усилительных схем наиболее часто применяемым в настоящее время в приемных модулях систем связи совместно с InGaAs/InP фотодиодами. Трансимпедансный усилитель с GaAs полевым СВЧ-транзистором на входе является наиболее типичной усилительной схемой, применяемой в диапазоне скоростей 2-500 Мбит/с, позволяющей получить вполне приемлемые для современных условий значения порога чувствительности. Это достигается благодаря низким значениям входной емкости и возможностью работы с высокими значениями сопротивления нагрузки фотодетектора.

Трансимпедансный усилитель - это усилитель с глубокой отрицательной обратной связью, позволяющей варьировать в широких пределах входное сопротивление за счет изменения сопротивления в цепи обратной связи. Входная цепь приемника строится таким образом, что входное сопротивление усилителя является нагрузочным сопротивлением фотодетектора. Величина этого сопротивления выбирается в соответствии с требованиями к максимальной ширине полосы пропускания входной цепи, определяемой скоростью передачи и типом применяемого линейного кода. Термин «трансимпедансный» означает «трансформирующий импеданс», т.е. преобразующий высокое входное сопротивление (сотни килоом) с низкой емкостной составляющей (от долей пикофарада до единиц пикофарад) к низкому (^50-200 Ом) выходному сопротивлению.

Обычно предпочитают использовать усилитель с обратной связью. Его основное преимущество- отсутствие необходимости осуществлять какую-либо коррекцию. Шумы такого усилителя могут быть много меньше, чем у обычного усилителя напряжения без коррекции.

Достоинства схемы ФПУ с интегрирующим (еще называемым высокоимпедансным) усилителем состоят в следующем:

· может быть получена благодаря коррекции любая полоса пропускания;

·              малые шумы;

·              простота схемы для реализации;

·              интегрируемость схемы фотодиода и усилителя.

Недостатки этой схемы связаны с ограниченным динамическим диапазоном сигнала и необходимостью индивидуального корректирования полосы частот усиления.

Достоинствами ФПУ с ТИУ являются:

· большой динамический диапазон входных сигналов;

·              простота регулировки полосы частот усиления без дополнительных корректоров;

·              простота настройки схемы.

Недостатками следует считать:

· возможную неустойчивость работы усилителя при разной глубине обратной связи в широкой полосе частот;

·              уменьшенное соотношение сигнал/шум на выходе усилителя из-за дополнительно шумящего сопротивления R_ОС.

В соответствии с исходными данными необходимо использовать ТрУ.

Примеры подходящих усилителей различных производителей

Выберем усилитель THS3201, так как у него самая маленькая емкость, высокое входное сопротивление и сопротивление обратной связи, а так же относительно низкий шум тока.

Расчет минимальной мощности оптического излучения на входе фотоприемника

Фотодиод преобразует принимаемый оптический сигнал в электрический ток, пропорциональный мощности оптического сигнала. Следующий за фотодиодом усилитель усиливает полученный токовый сигнал и преобразует его в напряжение. Как и в любой системе связи, отношение сигнал-шум на выходе оптической системы и ее характеристики определяются тем звеном оптического приемника, где принятый сигнал имеет наименьший уровень. Следовательно, характеристики этого звена являются основными при проектировании всей системы связи.

Шум обусловлен теми случайными флуктуациями тока, которые возникают в любой электронной схеме или ее элементе в силу самой природы электричества и над которыми разработчик схемы не имеет никакого контроля. Эти флуктуации накладываются на любые сигналы, проходящие через цепь, и, таким образом, маскируют их. Следует различать шумы и радиопомехи, под которыми понимают те нежелательные сигналы, которые попадают в схему от внешних источников или от других частей системы и чье воздействие всегда можно свести к минимуму хорошей компоновкой схемы и надлежащей экранировкой элементов, подверженных влиянию помех.

Электрический сигнал содержит в себе дробовый шум, поскольку он порождается в результате случайного квантового процесса детектирования оптического сигнала в фотодиоде.

Всякий рассеивающий энергию элемент системы вносит шум. Таким образом, любое сопротивление в электронной цепи приводит к появлению теплового шума (шума Джонсона), обусловленного случайным тепловым движением носителей заряда. Это движение носителей заряда можно наблюдать в виде флуктуации тока в резисторе или соответствующих ему флуктуации напряжения на его выводах.

Эквивалентная шумовая схема для фотодиода и усилителя напряжения приведена на рис.7

рис.7

На ней изображены следующие источники шума: I*дш- учитывает умноженный дробовый шум фотодиода; I*тш- учитывает тепловой шум резистивных элементов; I*вх- учитывает эквивалентный токовый источник шума усилителя; U*вх- учитывает эквивалентный шумовой источник напряжения усилителя.

Выражение для отношения сигнал-шум на выходе усилителя:

Слагаемые

;

; ;

;

Для удобства последующего анализа каждая из пяти составляющих шума в знаменателе обозначена буквами а ... д. Величина SNR определяет качество канала связи и при проектировании системы связи минимально допустимое значение отношения сигнал-шум всегда оговаривается особо.

Отношение сигнал-шум может быть увеличено за счет увеличения коэффициента умножения М до тех пор, пока учитывающее дробовой шум слагаемое в, не станет преобладать над другими слагаемыми. Поэтому здесь всегда существует оптимальное значение М.

Увеличение сопротивления высокочастотного тракта R улучшает отношение сигнал-шум, пока слагаемые а и г значительны по величине.

При наличии коррекции на высоких частотах слагаемое б становится преобладающим и шум начинает возрастать пропорционально квадрату значения входной емкости. Поэтому весьма важно минимизировать значение С.

Наличие слагаемого дробового шума в приводит к тому, что общий уровень шума на выходе усилителя будет зависеть от уровня принимаемого сигнала. Эта характерная особенность отличает оптические системы связи от других и означает, что выражение квадратично по отношению к I.

На практике предпочитают использовать усилитель с обратной связью. Его основное преимущество - отсутствие необходимости осуществлять какую-либо коррекцию. Шумы такого усилителя могут быть много меньше, чем у обычного усилителя напряжения без коррекции.

Эквивалентная шумовая схема усилителя с обратной связью :

рис.8

Источник шумового тока I*t учитывает дробовой шум, шум тока усилителя и тепловой шум резисторов смещения и входного сопротивления усилителя. Шум обратной связи V*f представляет собой простое шумовое напряжение, генерируемое на резисторе обратной связи.

Выражение для отношения сигнал-шум:

 [7]

где -спектральная плотность шума входного напряжения усилителя,

- спектральная плотность шума входного тока усилителя,

М-коэффициент лавинного умножения ЛФД,

R-входное сопротивление усилителя,

-полоса частот информационного сигнала,

С- эквивалентная емкость(сумма входной емкости диода и усилителя),

e-заряд электрона,

ID- ток диода,

Id- темновой ток диода,

F-шумовой фактор,

-температура в градусах Кельвина,

k-постоянная Больцмана

Выражение идентично [6, 1, 353, 14.4.10],если в слагаемых а и г заменить (1/R) на (1/R + 1/Roc). Заметим, что можно увеличить значение R и Roc для уменьшения влияния соответствующих источников шума без осуществления последующей коррекции. Чтобы найти ток фотоприемника, подставим в формулу [7] соответствующие параметры, для ЛФД:

;

;

;

;

Т.к. слагаемое в на 3 порядка меньше слагаемого д, то им можно пренебречь

Делая необходимые преобразования и решая квадратное уравнение относительно тока диода получим:

Найдем минимальную мощность оптического излучения на входе фотоприемника:

 [8, 4, 271]

где S-чувствительность фотоприемника, P-оптическая мощность,

Тогда,

Переведем мощность из Вт в дБ:

,

где

Найдем ток PIN-фотодиода:

;

;

;

;

Т.к. слагаемое в на 5 порядков меньше слагаемого д, то им можно пренебречь

Делая необходимые преобразования и решая квадратное уравнение относительно тока диода получим:

Найдем минимальную мощность оптического излучения на входе фотоприемника:

где S-чувствительность фотоприемника, P-оптическая мощность,

Тогда,

Переведем мощность из Вт в дБ:

,

где

По результатам расчетов, фотоприемное устройство, состоящее из ЛФД и ТрУ является оптимальным с точки зрения чувствительности при заданном коэффициенте ошибок. Сравним полученные данные с параметрами доступных фотоприемников, имеющих аналогичные величины В=1.2 Гбит/с и BER=10^-9

APD-TIA-12/25 имеет чувствительность -34 дБм при BER=10^-10

а у FWDM-1629-XX S=-32дБм при BER=10^-9

Таким образом, разработанное фотоприемное устройство с S=-31.3 дБм и BER=10^-9 не превосходит существующие аналоги. При более детальном изучении рынка можно подобрать компоненты для ФПУ с лучшими характеристиками.

Способы улучшения чувствительности фотоприемника

Использование кодов с меньшей шириной спектра.

Большинство современных устройств для высокоскоростных систем волоконно-оптических систем связи проектируются под использование с кодом NRZ, поскольку он является основным на скорости свыше 200Мбит/c. Они строятся на основе лавинных фотодиодов в совокупности с трансимпедансным усилителем, а также состоят из современных высококачественных компонентов.

Найдем длину регенерационного участка ВОЛС с разработанным приемником. Примем мощность излучателя 0 дБм и затухание в кабеле 0.3 дБ/км.

Длина регенерационного участка будет равна:

сигнал диапазон скорость передача фотоприемник

Список литературы

1. Дж. Гауэр "Оптические системы связи" , М., Радио и связь, 1994 г.

. Э. А. Шевцов, М. Е. Белкин "Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи", М., Радио и связь, 1992г.

. А. Козанне, Ж. Флере, М. Руссо "Оптика и связь", М., Мир, 1984 г.

. М. Кауфман, А.Сидман "практическое руководство по расчетам схем в электронике", Справочник. т.2, М., Энергоатомиздат, 1993 г.