Пристрої узгодження активних елементів з оптичним кабелем.

В СИД, излучающем через боковую поверхность, размер этой по­верхности достаточно велик. При этом лишь малая часть излучения передается волокну. Выходная мощность полупроводникового кристалла и мощность, передаваемая оптическому во­локну, могут существенно различаться.

Модернизация структуры полупроводникового кристалла (использование диодов, излучающих через узкую боковую грань, или лазеров) приводит к улучшению выходной картины излучения, и крайне важным является хороший контакт источника с оптическим волокном

Используются источники с микролинзами, приклеенными с помощью эпок­сидного клея непосредственно к кристаллу. Линза фокусирует свет в практи­чески однородное пятно на выходе источника. Обычно размер этого пятна превосходит размер волокна. Волокно может помещаться в любом месте све­тового пятна, принимая при этом одну и ту же оптическую мощность.

Линза может также размещаться на некотором расстоянии от поверхности кристалла и фокусировать свет. Линза на рис. 8.11 является компонентом приемной части источника и служит для подключения соединителя. При этом линза фокусирует свет непосредственно в волокно, закрепленное в корпусе соединителя.

Параболическая форма приемной части источника и линза позволяют коллимировать пучок света, сужая размер излучающего пятна и угловую диа­грамму излучения. При коллимации световые лучи становятся однонаправ­ленными и перестают расходиться.

В устройствах, называемых пигтейлами (pigtail), используется короткий от­резок оптического волокна, В светодиоде Барра волокно клеевым способом за­крепляется непосредственно на полированной поверхности кристалла. Преимущество данного способа заключается в максимальном приближении волокна к поверхности активной среды кристалла. В других устройствах ус­танавливают пигтейл в непосредственной близости от поверхности кристалла. закрепление пигтейла вблизи кристалла позволяет вводить свет в волокно до того, как пучок света успеет расшириться.

Источники очень часто укомплектовываются выходными разъемами в виде приемных частей для разного типа оптических соединителей. К каждому виду распространенных оптических соединителей могут быть подобраны соответствующие приемные части.

53. Характеристики инжекционных(светоизлучающих) лазеров

К недостаткам излучающих диодов можно отнести сравнительно малую мощность излучения (порядка 10 мВт) и большую спектральную ширину полосы излучения (100-500 А). Этих недостатков лишены инжекционные лазеры. Инжекционным или полупроводниковым лазером называется генератор когерентного во времени и в пространстве рекомбинационного излучения, которое возникает в базе диода при плотности тока, протекающего через р – n переход, превышающей некоторое пороговое значение.

В настоящее время инжекционные лазеры изготавливаются на основе ряда прямозонных полупроводниковых соединений (GaAs, PbTe, PbSe и др.) и твердых растворов, и они перекрывают диапазон длин волн когерентного излучения от 0,9 до 28 мкм. Инжекционные лазеры позволяют получать монохроматическое излучение (ширина спектральной линии 0,1-1 А) большой мощности. Лазеры такого типа имеют высокие значения КПД преобразования электрической энергии в энергию излучения. КПД может достигать 50-80%.

Кроме того, имеется возможность управления длиной волны излучения лазера за счет изменения тока, протекающего через р - n переход, или изменения температуры теплоотвода, а также с помощью магнитного поля или давления. Все эти достоинства полупроводниковых лазеров открывают широкие перспективы их применения в промышленности и в научных исследованиях. Благодаря малым размерам и возможности высокочастотной модуляции излучаемой мощности полупроводниковый лазер представляет собой один из перспективных источников излучения для волоконно-оптических систем связи.

ИЛ - это лазеры, выполненные на основе светодиодов (p-n переходов). Величина дисперсии определяется полосой излучения. Отличие лазера от светодиода - наличие внешнего стабилизирующего резонатора. В ИЛ обеспечивается преобладание вынужденного излучения над поглоще­нием света за счет резонансного контура — резонатора.

Основные разновидности резонаторов, используемых в ИЛ:

- плоский резонатор (Фабри — Пе­ро) и его простые модификации, включая составные резонаторы и внешние резо­наторы. Обычно плоский резонатор образован сколотыми торцами лазерной структуры.

- резонаторы с распределенной обратной связью (РОС-резонатор) и рас­пределенным брэгговским отражателем (РБО-резонатор).

Иногда используют комбинацию резонаторов.

РОС- и РБО-резонаторы основаны на принципе когерентного отражения при дифракции на периодических неоднородностях среды. Распределенные отра­жатели имеют вид диэлектрического волновода с гофрированной границей, так что периодической неоднородностью служит вариация толщины волновода. РБО- резонатор в отличие от плоского резонатора характеризуется только одним резонан­сом в полосе усиления, что обеспечивает его более высокую спектральную селек­тивность.

В ИЛ используют пространственную и спектральную селекцию типов колеба­ний. Пространственная селекция — по­давление поперечных типов колебаний и получения одномодового излучения, спектральная — подавление продоль­ных мод и получение «одночастотного» излучения. Оптимизированный излуча­тель использует оба вида селекции. Одномодовые лазеры, обладающие одночастотным излучением, подразделяют по принципу создания селекции типов колебаний на:

- лазеры с составным резо­натором: для лазеров с составным резонатором усиливаются лишь те колебания, кото­рые настроены на резонанс с внутреннимтипом колебаний основного и одного (или более) дополнительного резонатора.;

- с РОС или РБО: в ИЛ с РОС и РБО гофрированная поверхность волновода играет роль частотно-селективного зеркала.

- с «запертой» инжекцией: структура с «запертой» инжекцией использует внешний источник излучения на одной длине волны.

- с управляемой геометрией: лазеры с управляемой геометри­ей представляют собой одномодовые приборы с коротким (50 мкм) резонатором.

Излучение ИЛ для ВОЛС с большой скоростью передачи данных должно быть одномодовым. Это, кроме наилучшей частотной характеристики и широкой по­лосы частот, облегчает стыковку источ­ника с волокном.

В обычных ИЛ с по­мощью различных структурных реше­ний можно обеспечить одномодовую ге­нерацию при относительно невысоких частотах модуляции. Однако, если часто­та модуляции близка к f_c спектр лазер­ного излучения стремится к многомодовости или многочастотности, что вызы­вает уширение спектра, характеризуемое динамической шириной спектральной линии — . Величина существенно возрастает на частотах более 500 МГц и достигает 5...10 нм. Срок службы ИЛ составляет в среднем порядка 3*10⁴ ч.

Недостатки ИЛ: низкая температурная стабильность(будет перемещаться резонансная частота). Решили использовать РОС-лазеры.

В ИЛ обеспечивается преобладание вынужденного излучения над поглоще­нием света за счет резонансного контура — резонатора. Основные разновидности резонаторов, используемых в ИЛ — плоский резонатор (Фабри — Пе­ро) и его простые модификации, включая составные резонаторы и внешние резо­наторы; резонаторы с распределенной обратной связью (РОС-резонатор) и рас­пределенным брэгговским отражателем (РБО-резонатор). Иногда используют комбинацию резонаторов,

Обычно плоский резонатор образован сколотыми торцами лазерной структуры. РОС- и РБО-резонаторы основаны на принципе когерентного отражения при дифракции на периодических неоднородностях среды. Распределенные отра­жатели имеют вид диэлектрического волновода с гофрированной границей, так что периодической неоднородностью служит вариация толщины волновода. При этом период модуляции А должен удовлетворять условию Брэгга:

,где т — порядок брэгговского отраже­ния; — эффективный показатель пре­ломления волновода. РБО-резонатор в отличие от резонатора Фабри — Перо характеризуется только одним резонан­сом в полосе усиления, что обеспечивает его более высокую спектральную селек­тивность.

В ИЛ используют пространственную и спектральную селекцию типов колеба­ний. Пространственная селекция — по­давление поперечных типов колебаний и получения одномодового излучения, спектральная — подавление продоль­ных мод и получение «одночастотного» излучения. Оптимизированный излуча­тель использует оба вида селекции.Одномодовые лазеры, обладающие одночастотным излучением, подразделяют по принципу создания селекции типов колебаний на лазеры с составным резо­натором; с РОС или РБО; с «запертой» инжекцяей и с управляемой геометрией.

Для лазеров с составным резонатором усиливаются лишь те колебания, кото­рые настроены на резонанс с внутренним типом колебаний основного и одного (или более) дополнительного резонатора.В ИЛ с РОС и РБО гофрированная поверхность волновода играет роль частотно-селективного зеркала. Структура с «запертой» инжекцией использует внешний источник излучения на одной длиневолны. Лазеры с управляемой геометри­ей представляют собой одномодовые приборы с коротким (50 мкм) резонатором.

Базовой структурой ДГ лазеров является полосковая, характеризующаяся относительно малыми Iпор, возможностью реализации одномодового режима, отсутствием параллельных пространственных каналов генерации. Для придания структуре лазера полосковой конфягурации применяют механические и химические методы, селективное травление, технику фотолитографии, протонную бомбардировку и другие методы.

Излучение ИЛ для ВОЛС с большой скоростью передачи данных должно быть одномодовым. Это, кроме наилучшей частотной характеристики и широкой по­лосы частот, облегчает стыковку источ­ника е волокном, В обычных ИЛ с по­мощью различных структурных реше­ний можно обеспечить одномодовую ге­нерацию при относительно невысоких частотах модуляции. Однако, если часто­та модуляции близка кfc спектр лазер­ного излучения стремится к многомодо-вости или многочастоткости, что вызы­вает уширение спектра, характеризуемое динамической шириной спектральной линии — . Величина существенно возрастает на частотах более 500 МГц и достигает 5...10 нм. Срок службы ИЛ составляет в среднем порядка 3*10⁴ ч

 

 

54. Лазери з періодичною структурою зворотнього зв'язку.

К лазерам с периодической модуля­цией оптических характеристик относят­ся РОС- и РБО-лазеры (с распределенной обратной связью и рас­пределенным брэгговским отражателем). Про­странственной периодической модуля­ции могут быть подвергнуты любые па­раметры этих лазеров, влияющие на ус­ловие распространения в них электро­магнитной волны: полупроводниковые среды, коэффициент затухания или уси­ления, размеры сечения волновода, фор­ма граничной поверхности и т. д. В ИЛ периодическая структура может быть или совмещена с усиливающим слоем, или расположена за его пределами, вы­полняя по существу роль селективных по частоте многослойных концевых зеркал обычного резонатора. В первом случае — это РОС-лазеры, во втором — РБО-лазе­ры. Лазерные структуры с периодиче­ской модуляцией оптических характе­ристик различаются порядком дифрак­ции, равным целому числу полуволн ла­зерного излучения, укладывающихся на периоде неоднородности. Наиболее удоб­ным методом осуществления РОС явля­ется создание на границе соответствую­щих монокристаллических слоев ди­фракционных решеток с необходимыми параметрами.

В одномодовых лазерах с резонатором Фабри — Перо при изменении темпера­туры всего на несколько градусов длина волны лазерной генерации скачкообраз­но меняется, причем величина скачка равна межмодовому интервалу (1 — 1,5 нм). Лазеры с периодической струк­турой обратной связи характеризуются более слабой (по сравнению с резонато­ром Фабри — Перо) температурной за­висимостью длины волны излучения. При изменении температуры в РБО-лазерах генерируемая мода скачком смеща­ется в другую РБО-моду, а в РОС — из­лучающая мода остается той же.

Важнейшим преимуществом РОС- и РВО-лазеров является способность со­хранять одномодовость и одночастот-ность излучения при высокоскоростной модуляции (f>1 ГГц) и практически 100 %-ную глубину модуляции — такие ИЛ называются «динамически- одномодовыми», что делает их перспек­тивными для высокоинформативных ВОЛС.

55. Р-i-n діоди, лавинно- пролітні діоди.

Благодаря своей относительной простоте и большому числу замечательных свойств полупроводниковые p-i-n структуры нашли применение в конструкциях многих разновидностей полупроводниковых диодов, начиная от высоковольтных выпрямительных до фотодиодов и гетеролазеров. Наиболее уверенно pin-диоды заняли свою нишу в ВЧ- и СВЧ-диапазонах для управления уровнем и (или) фазой СВЧ-сигналов, коммутации ВЧ- и СВЧ-мощности в линиях передач, для защиты радиотехнической аппаратуры от случайных СВЧ-импульсов, для стабилизации СВЧ-мощности, а также в аттенюаторах ВЧ-диапазона.

Структура типичного pin-диода характеризуется тем, что между двумя сильно легированными областями очень низкого сопротивления n+ и p+ находится активная базовая i-область с высоким удельным сопротивлением (типично ri > 100 омсм, и в ряде приборов вплоть до ri = 200–4000 омсм) и относительно большим временем жизни (электронов и дырок) заряда tэфф(~0,1–1,0 мкс). Толщина базы лежит в пределах wi=3–30 мкм, диаметр меза-структур ai=0,05–2,0 мм. В диодах pin-типа каждый поглощенный фотон в идеале приводит к об­разованию одной электронно-дырочной пары, которая в свою очередь при­водит к возбуждению тока в виде смещения одного электрона во внешнем контуре.

Слаболегированный промежуточный слой разделяет более сильно легированные слои n- и р- типа. Промежуточный слой легирован в такой степени, чтобы не относиться ни к полупроводникам n-типа с электронным видом проводимости, ни к полупроводникам р-типа с дырочной проводимостью. Поскольку внутренний слой не содержит свободных носителей заряда, то электрические силы в нем будут значительными. При этом образуется обед­ненная зона, сравнимая по ширине с размером диода. Принципиального раз­личия в работе диода p-i-n-типа и диода p-n-типа не существует. Широкий внутренний слой приводит к большей эффективности поглощения фотонов внутри обедненной зоны. В результате падающие фотоны возбуждают ток во внешнем контуре более эффективно и с меньшим запаздыванием. Носители, образующиеся внутри обедненной зоны, мгновенно сдвигаются в сильном электрическом поле к соответственно р- и n- областям диода.

Для более эф­фективного протекания процесса преобразования падающих фотонов в но­сители заряда требуется по возможности более широкий внутренний слой. С другой стороны, скорость срабатывания диода уменьшается с ростом ширины этого слоя, поскольку при этом увеличивается время смещения носителей к краям обедненной зоны. В устройстве диода учитывается баланс этих двух конфликтующих факторов для достижения большей эффективности с максимальной скоростью.

Лавинно-пролетный диод (ЛПД, IMPATT-диод) — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно-пролетные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Процессы, происходящие в полупроводниковой структуре диода, ведут к тому, что активная составляющая полного комплексного сопротивления на малом переменном сигнале в определенном диапазоне частот отрицательна. На вольт-амперной характеристике лавинно-пролетного диода, в отличие от туннельного диода, отсутствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Рабочей для лавинно-пролетного диода является область лавинного пробоя.

Для изготовления лавинно-пролетных диодов используют кремний и арсенид галлия. Такие диоды могут иметь различные полупроводниковые структуры: p+-n-n+, p+-n-i-n+, m-n-n+ (m-n — переход металл-полупроводник), n+-n-p-p+ и другие. Распределение концентраций примесей в переходах должно быть как можно ближе к ступенчатому, а сами переходы — максимально плоскими.

Принцип работы лавинно-пролетного диода рассмотрим на примере p+-n-n+ структуры. Центральная слаболегированная n-область называется базой.

При напряжении, близком к пробивному, обедненный слой p+-n-перехода распространяется на всю базу. При этом напряжённость электрического поля растет от n-n+-перехода к p+-n переходу, вблизи которого можно выделить тонкую область, в котором напряжённость превышает пробивное значение, и происходит лавинное размножение носителей. Образующиеся при этом дырки утягиваются полем в p+-область, а электроны дрейфуют к n+-области. Эта область называется слоем лавинного размножения. За его пределами дополнительных электронов не возникает. Таким образом, слой лавинного размножения является поставщиком электронов.

При подаче на контакты диода переменного напряжения такого, что в течение положительного полупериода напряжение существенно больше, а в течение отрицательного — существенно меньше напряжения пробоя, ток в слое умножения приобретает вид коротких импульсов, максимум которых запаздывает по отношению к максимуму напряжения приблизительно на четверть периода (лавинное запаздывание). Из слоя умножения периодически выходят сгустки электронов, которые движутся через слой дрейфа в течение отрицательного полупериода, когда процесс генерации электронов в слое умножения прекращается. Движущиеся сгустки наводят во внешней цепи ток, почти постоянный в течение времени пролета. Таким образом, ток в диоде имеет вид прямоугольных импульсов. Этот режим работы диода называется пролетным. КПД этого режима не превышает 0,3.

Если амплитуда переменного напряжения на диоде достигает значения, примерно равного пробивному напряжению, то в лавинной области образуется столь плотный объёмный заряд электронов, что напряжённость поля со стороны p+-области понижается практически до нуля, а в области базы повышается до уровня, достаточного для развития процесса ударной ионизации. В результате этого процесса слой лавинного умножения смещается и формируется в области базы на фронте сгустка электронов. Таким образом, в области дрейфа образуется движущаяся в направлении n+-области лавина, которая оставляет за собой большое количество электронов и дырок. В области, заполненной этими носителями, напряжённость поля понижается почти до нуля. Это состояние принято называть компенсированной полупроводниковой плазмой, а режим работы лавинно-пролетного диода — режимом с захваченной плазмой.

В этом режимое можно выделить три фазы. Первая — образование лавинного ударного фронта, прохождение его через диод, оставляя его заполненным плазмой, захваченной слабым электрическим полем. Ток, текущий через диод в этой фазе, существенно увеличивается из-за дополнительного размножения носителей в базе, а напряжение на диоде за счет образования плазмы снижается почти до нуля. Вторая фаза — период восстановления. База диода в этой фазе наполнена электронно-дырочной плазмой. Дырки из области базы дрейфуют к p+-области, а электроны — к n+-области со скоростью значительно меньшей, чем дрейфовая скорость насыщения. Плазма постепенно рассасывается. Ток в этой фазе остается неизменным. Наступает третья фаза, характеризуемая высоким значением напряженности поля в диоде и предшествующая новому образованию лавинного ударного фронта. Наибольшую длительность имеет именно третья фаза.

Процессы режима с захваченной плазмой протекают заметно дольше, чем процессы пролетного режима. Поэтому при работе в режиме с захваченной плазмой контур настраивают на меньшую частоту. КПД режима с захваченной плазмой при этом заметно выше КПД пролетного режима и превышает 0,5.

Рассмотрим принципы работы фотоприемика на примере p-i-n фотодиода, для которо­го характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями р+-и п+-типа (+ означает сильное легирование), рис. 4.7 а. Также i-слой называют обедненным слоем, поскольку в нем нет свободных носителей. На p-i-n структуру подается напряжение с обратным смещением Uo (по сравнению со светоизлучающим диодом). Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальное значение электрического поля (гра­диент потенциала) создается в i-слое. Но поскольку нет свободных носителей в i-слое, нет и электрического тока, так что i-слой испытывает только поляризацию. При наличии падающего излучения на i-слой, в нем образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направле­ниях к своим электродам, образуя электрический ток. Эффективным является взаимодейст­вие излучения только с i-слоем, так как при попадании фотонов в р+- и п+-слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. По­этому при изготовлении фотодиодов стремятся делать р+- и п+-слои как можно тоньше, а обедненную область достаточно большой протяженности, чтобы она полностью поглощала весь падающий свет.

Принцип работы. Главным отличием лавинного фотодиода (ЛФД) от обычного фотодио­да является внутреннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала. Если структура слоев у обычного фотодиода имеет вид p+-i-n+, то у ЛФД добавляет­ся р-слой (p+-i-p-n+), рис. 4.7 б. Причем профиль распределения легирующих примесей вы­бирается так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряжен­ность электрического поля имел р-слой. При воздействии света на i-слой образуются элек­тронно-дырочные пары. Благодаря небольшому полю, происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам. При попадании свободных электронов из i-слоя в р-слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокого электрического поля в р-слое. Ускоряясь в зоне проводимости р-слоя, такие электроны накапливает энергию достаточную, чтобы выбить (возбудить) другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит название лавинного усиления или умножения первичного фототока. Коэффи­циент умножения составляет несколько десятков, поэтому токовая чувствительность ЛФД значительно выше токовой чувствительности p-i-n фотодиодов. Коэффициент умножения М определяется по эмпирической формуле М = l/(l-(U/Ub)n), где U - напряжение внешнего обратного смещения, Ub - напряжение обратного смещения, при котором наступает, электри­ческий пробой (breakdown) фотодиода - обычно это напряжение порядка 100 В, но может достигать в некоторых устройствах нескольких сот вольт, п -число в диапазоне от 3 до 6, рис. 4.11.

ЛФД имеют высокое быстродей­ствие, однако случайная природа ла­винного тока приводит к шуму. В отли­чие от полезного сигнала, который усиливается пропорционально М, шум усиливается быстрее (приблизительно как М21'). В результате этого выбира­ется оптимальное значение коэффици­ента умножения М, обычно в пределах от 30 до 100.

Особенностью работы ЛФД яв­ляются более высокое рабочее напря­жение по сравнению с p-i-n фотодио­дами и повышенная температурная чувствительность коэффициента умно­жения. Это требует использования специальной электрической цепи, вы­рабатывающей необходимое рабочее напряжение, а также системы термо­стабилизации.

 

56.Структури фотодетекторів

Детектор выполняет противоположную функцию по сравнению с источ­ником: он преобразует оптическую энергию в электрическую и является оптоэлектронным преобразователем. Существуют разнообразные детекторы. Наиболее известный тип детектора — фотодиод, вырабатывающий ток при попадании на него света. В волоконной оптике достаточно интенсивно ис­пользуются два вида фотодиодов: pin-типа и лавинный.

В фотодиоде происходит обратный процесс: свет, падающий на диод, приводит к генерации тока во внешнем контуре. Поглощение фотона приводит к появлению возбужденных электронов, переходящих из валентной зоны в зону проводимости. Данный процесс, в результате которого образуется пара электрон-дырка, получил название внутреннего поглощения. Эти носители тока при наличии приложенного смещающего напряжения дрейфуют вдоль вещества и возбуждают ток во внешнем контуре. В возникшей паре электрон-дырка в образовании тока во внешней цепи участвует электрон.

Простейшим видом фотодиода является р-n фотодиод, схематически изо­браженный на рис. 9.1. Данный вид фотодиода достаточно редко встречается в волоконной оптике.

Когда к нему приложено напряжение с обратным знаком (отрицательная клемма батареи подключена к участку проводника р-типа), через него начинает течь слабый ток. Приложенное электрическое поле создает обедненное пространство по обе стороны р-n перехода. Обедненная зона не имеет свободных носителей, поэтому ее сопротивление очень велико, и практически все падение напряжения приходится на зону контакта. В результате электрические силы очень велики в области контакта и пренебрежимо малы в других областях.

При поглощении падающего фотона связанному электрону передается до­статочное количество энергии для перехода из валентной зоны в зону про­водимости, при этом образуетя пара: свободный электрон + дырка. Если это происходит в обедненной зоне контакта, носители быстро разделяются и смещаются в противоположных направлениях. Это смещение возбуждает движение электронов и во внешнем контуре.

Две характеристики p-n-фотодиодов ограничивают их применение в боль­шинстве волоконно-оптических приложений. Во-первых, для генерации тока достаточной силы требуется мощный световой источник. Во-вторых, наличие медленного отклика, обусловленного медленной диффузией, замедляет работу диода, делая его не­пригодным для средне- и высокоскоростных применений. Это позволяет ис­пользовать диод только в килогерцовом диапазоне.

Приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) являются важными элементами волоконно-оптической системы. Их функция - преобразование оптического сигнала, принятого из волок­на, в электрический. Последний обрабатывается далее электронными устройствами.

Основными функциональными элементами ПРОМ являются:

• фотоприемник, преобразующий полученный оптический сигнал в электрическую форму;

• каскад электрических усилителей, усиливающих сигнал и преобразующих его в форму, пригодную к обработке;

• демодулятор, воспроизводящий первоначальную форму сигнала.

На практике функциональные элементы могут несколько отличаться у разных ПРОМ. На­пример, детектор типа лавинный фотодиод обеспечивает внутреннее усиление, в результате чего собственные шумы последующего электронного усилителя становятся не столь замет­ными по сравнению с уровнем полезного сигнала. В некоторых ПРОМ отсутствует демодуля­тор, или цепь принятия решения, поскольку электрический сигнал с выхода каскада усилите­лей приемлем для непосредственной обработки другими электронными устройствами. Иногда для более эффективной работы ПРОМ перед детектором устанавливается оптический усили­тель.

На рис. 4.6 приведены функцион элементы аналогового (а) и цифрового (б) ПРОМ. Аналоговые ПРОМ принимают аналоговый оптический сигнал и на выходе также вы­дают аналоговый электрический сигнал. К аналоговым приемникам предъявляются требова­ния высокой линейности преобразования и усиления сигнала при минимуме вносимых шумов - в противном случае возрастают искажения сигнала. На протяженных линиях с большим ко­личеством приемо-передающих узлов искажения и шумы накапливаются, что снижает эффек­тивность аналоговых многоретрансляционных линий связи.

При цифровой передаче не требуется очень точная ретрансляция форм импульсов. Цифровой приемник должен включать узел принятия решения или дискриминатор, имеющий установленные пороги на принятие сигналов 0 и 1, который распознает, какой сигнал пришел, устраняет шумы и восстанавливает необходимую амплитуду сигнала. Правильное выделение нужного сигнала может происходить при большом уровне шумов.

Принципы работы фотоприемника. Основным элементом ПРОМ является фотоприемник, изготавливаемый обычно 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 носителей заряда. Для этого используется конструкция с р-n переходом, которая называется фотодиодом. Из фотоприемников, применяемых ВОЛС, получили распространение p-i-n фотодиоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы.

Рассмотрим принципы работы фотоприемника на примере p-i-n фотодиода, для которо­го характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями р+-и п+-типа (+ означает сильное легирование), рис. 4.7 а. Также i-слой называют обедненным слоем, поскольку в нем нет свободных носителей. На p-i-n структуру подается напряжение с обратным смещением Uo (по сравнению со светоизлучающим диодом). Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальное значение электрического поля (гра­диент потенциала) создается в i-слое. Но поскольку нет свободных носителей в i-слое, нет и электрического тока, так что i-слой испытывает только поляризацию. При наличии падающего излучения на i-слой, в нем образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направле­ниях к своим электродам, образуя электрический ток. Эффективным является взаимодейст­вие излучения только с i-слоем, так как при попадании фотонов в р+- и п+-слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. По­этому при изготовлении фотодиодов стремятся делать р+- и п+-слои как можно тоньше, а обедненную область достаточно большой протяженности, чтобы она полностью поглощала весь падающий свет. Фотодиоды могут изготавливаться из разных материаловОднако часть падающего излучения испытывает френелевское от­ражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на гра­нице между этой поверхность и средой. Для уменьшения отражения приемную поверхность обедненного слоя покрывают антиотражающим слоем