В лавинном фотодиоде в отличие  от p-i-n диода используется умножение числа носителей заряда за счет увеличения напряжения Е_см до величины, близкой к пробойному.

     Когда на i-область направлено излучение, то, как и в случае p-i-n диода, в этой области образуются пары носителей заряда: электроны и дырки, которые в сильном электрическом поле в p-n – переходе приобретают избыточную энергию, достаточную для создания новых пар носителей зарядов за счет ударной ионизации. Из-за ударной ионизации фототок вблизи пика напряженности лавинообразно нарастает.

     3.8 Что  такое   длинноволновая  граница  чувствительности  фотодиода?

     Фотодиод, выполненный  из  данного  вещества, может  регистрировать  излучение  лишь  до  граничной  длины  волны, lгр=1,24/Еg называемой  длинноволновой  границей  чувствительности.

     3.9. Что  такое   внутренняя  и   внешняя  квантовые   эффективности  ФД?

     Квантовая  эффективность  η=Nс/Nph  определяется  отношением  количества  Nе  рожденных  в  единицу  времени  электронов  при  падении  на  активную  поверхность  диода  Nph  фотонов.

     3.10. Какие  типы  усилителей  применяют   в  ФПУ?

      В сборках фотоприёмных устройств в качестве предварительного усилителя применяются 2 типа усилителей: интегрирующий и трансимпедансный.

      Упрощённая  схема интегрирующего усилителя:

        
 
 

      Входная цепь интегрирующего усилителя выполняется  с использованием затвора полевого транзистора. Достоинства схемы с интегрирующим усилителем:

• Благодаря коррекции может быть получена любая полоса пропускания;
• Малые шумы;
• Простота схемы реализации;
• Интегрируемость схемы фотодиода и усилителя.

       Схема трансимпедансного усилителя  отличается наличием отрицательной обратной связи: 
 
 
 

      Достоинства:

• Большой динамический диапазон входных сигналов;
• Простота регулировки полосы частот усиления без дополнительных корректоров;
• Простота настройки схемы.

     3.11. Какие  шумы  создает  ФПУ?

     При  анализе  шумовых  свойств  ФПУ  обычно  учитывают следующие виды  шумов: квантовый (дробовый), тепловой  и  фоновый.

     Дробовый  шум- шум, возникающий  при  детектировании  светового  потока. Так  как  появившийся  при  этом  фототок  Iф  является  суммой  фототоков  от  отдельных  электронно-дырочных  пар, возникающих  в  случайные  моменты  времени.

     Тепловой  шум  вызван  случайным  тепловым  движением  электронов.

     Фоновый  шум  возникает  при  падении  на  фотодиод  светового  потока  от  постороннего  некогерентного  источника  света, создающего  некоторый  фоновый  ток.

     Темновой  ток  также  создает  дробовый  шум, мощность  которого  пропорциональна  току  Iт.

     Кроме  фотодиода  шумы  в  ФПУ  вносит  усилитель. Собственные  шумы  усилителя  содержат  следующие  составляющие:

     - тепловые  шумы;

     - дробовые  шумы;

     - полупроводниковые  шумы.

     3.12. Как  определить  напряжение  на  выходе  ФПУ?

     

где U_2(p) – напряжение на выходе фотоприемного устройства

U_1(p) – напряжение на нагрузке ФД т.е. на комплексном сопротивлении по переменному току, действующему между базой входного транзистора и общим проводом.

      К_(р) – общий коэффициент усиления всех каскадов ФПУ, кроме выходного.

      J_ф – фотопоток сигнала

      Z_вх,F – входное сопротивление ФПУ при действии общей ОС, охватывающей первых 2 каскада.

     3.13. Как  рассчитать  отношение  сигнал/помеха  на  выходе  ФПУ?

      Для вычисления основных шумов ФПУ, а это квантовый и тепловой шумы, воспользуемся соотношениями:

       ;

      

      Отношение сигнал/шум вычисляем из соотношения:

       ;

          

Задача  №5

      Определить  отношение сигнал / помеха на выходе ФПУ цифровой ВОСП, если в ФПУ  применен интегрирующий усилитель,   при    λ = 1,3 мкм,

Дано:

α_к = 0,8 дБ/км,

L_у = 60 км,

Р₀ = 0,8 мВт,

f_т = 270 МГц,    

R = 1000 кОм,

η = 0,65,

М = 75,

F_ш (м) = 7,

Т = 300,

D_ш = 5,

λ = 1,3 мкм

Тип ФД – ЛФД.

      Под действием мощности оптического  сигнала Р_пр на входе фотоприемника, на выходе фотодиода (ФД или ЛФД) появляется фототок

                                               I_ф = Р_пр(e ηМ / hf)

 Здесь   h – постоянная Планка, e – заряд электрона. 

    Р_пр = 0,8*10^-3*10^-0,1(0,8*60) = 1,2*10^-8 Вт 

   I_ф = 1,2*10^-8* (1,6*10^-19*0,65*75 / 6,626*10^-34*270*10⁶) = 0,523А

Мощность  термического шума входной цепи ФПУ  определяется из равенства: 

                                           Р_тш= (4КТ₀ /R) ∆f D_ш ,

где К = 1,38*10^-23  Дж/К - постоянная Больцмана 

    Р_тш= (4*1,38*10^-23*300 / 1000*10³)*270*10⁶*5 = 2,24*10^-17 Вт 

Мощность  квантового шума рассчитывается по формуле: 

     Р_шкв= 2q I_фM² F_ш(M) ∆f = 2*1,6*10^-19*75²*0,523*270*10⁶*7 = 1,78*10^-6 Вт, 

т.е. величина Р_шкв пропорциональна полезному сигналу (фототоку). Суммарная мощность помех Р_п = Р_тш+ Р_шкв пропорциональна полосе пропускания фотоприемника ∆f. Обычно считают, что для применяемых в ВОСП линейных кодов ∆f = f_т , где   f_т – тактовая частота линейного сигнала.

                                          Р_п = 2,24*10^-17+1,78*10^-6 =  1,78*10^-6

      Отношение сигнал/помеха, приведенное ко входу  усилителя ФПУ вычисляется по формуле: 

             

q-заряд электрона (1,6*10 Кл);

Fш(M)=7;

Iф=0,523 А ;

К=1,38*10 - постоянная  Больцмана;

T=300;

R=1000 кОм;

М=75;

D_ш=5;

=270 МГц.

29425,7

     4. Линейный тракт  цифровых ВОСП.

4.1. Нарисовать структурную схему линейного тракта цифровой ВОСП, указать наименование узлов, входящих в ЛТ.

1. Мультиплексор – обеспечивает  объединение  нескольких  независимых   каналов  на  передаче  и  их  разделение  на  приеме.

2. Оптический  конвектор – преобразует    электрический  сигнал  в   оптический  и  наоборот.

3. В   состав  ВОСП  могут  входить   оптические  усилители которые   позволяют  увеличить  мощность  на  передающей  стороне  и   повысить  чувствительность  приемника.  Они  должны  иметь  хорошее  согласование  с  оптическим  передатчиком, приемником  и  оптическим  трактом.

     4.2. Какие требования  предъявляются к  линейному сигналу?

     Требования  к ЛС:

• возможность восстановления из ЛС регулярной последовательности импульсов тактовой частоты;
• число следующих друг за другом одноименных символов должно быть минимальным;
• в непрерывном спектре кода низкочастотные составляющие должны иметь минимально возможные амплитуды;
• межсимвольные помехи должны быть минимальны;
• аппаратурная реализация преобразователей кода должна быть простой по схемотехнике.

     4.3. Какие коды используются  в качестве линейных?

     Блочные коды mBnB: в этом случае вместо m двоичных символов импульсной случайной последовательности на входе преобразователя кода формируется n двоичных символов на его выходе; причем n>m. Код обладает избыточностью, т.е. содержит свободные импульсные позиции, на которые вводятся как балансные символы, так и символы сервисных сигналов.

     Коды  типа mB1C.

     Для скоростей В>140 Мбит/с применяются коды mB1C: m – размер блока группового сигнала, к блоку из m символов добавляется символ С, полярность которого противоположна полярности последнего информационного символа. Символ С ограничивает длинные последовательности одноименных символов, их число не превышает величины m.

     Код ПЗИ.

     Позиционные коды с защитными интервалами  позволяют уменьшить межсимвольные помехи, возникающие за счет дисперсионных искажений импульсов.

     Коды  AMI и CMI.

     Код AMI строится по алгоритму: символ +1 преобразуется в кодовое слово 11, символ –1 в кодовое слово 00, а символ 0 преобразуется либо в 01, либо в 10, но так, чтобы каждый 0 исходной последовательности начинался с перехода.

     Код CMI: +1 преобразуется в 11, –1 в 00, 0 в 01.

     4.4. Где возникают  потери в ЛТ  ВОСП?

     При стыковке строительных длин имеют место потери α ст. Потери возникают также при стыковке выхода источника излучения с оптическим волокном α п и оптического волокна с фотоприемником α пр. Кроме того, возникают потери при макроизгибах α мк и микроизгибах α мки ОК.

     4.5. Назвать основные  характеристики ЛТ  ВОСП?

     Коэффициент затухания, который определяет энергетические потери и дисперсия, которая определяет пропускную способность.

     4.6. От каких параметров  ЛТ зависит длина  регенерационного участка?

     Длина регенерационного участка зависит от затухания и дисперсии.

     4.7. Чем определяется  дальность действия  цифровых ВОСП?

Мощностью источника  излучения и потерями линии.

     4.8. Какие устройства  применяются для  восстановления сигнала  в ЛТ?

     Для увеличения чувствительности ФПУ при скоростях передачи более 200 Мбит/с применяются усилители, основой которых является активное оптическое волокно (ВОУ). В линейном тракте ЦВОСП оптические усилители включаются:

• на выходе ПОМ тракта передачи оконечной станции;
• на входе ФПУ в тракте приема ОС;
• между двумя обслуживаемыми регенерационными пунктами.