POLITECHNIKA LUBELSKA

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

KATEDRA OPTOELEKTRONIKI

Temat: Odbiornik optoelektroniczny z przedwzmacniaczem optycznym.

Wykonał: data:

Rafał Sieńko 13.05.1998

Grupa: ED 8.3

Strukturę odbiornika optoelektronicznego z przedwzmacniaczem TW (z falą bieżącą) przedstawia rysunek:

Działanie układu przedstawia się następująco:

Sygnał świetlny transmitowany przez światłowód pada na wejście półprzewodnikowego wzmacniacza laserowego (TW), gdzie zostaje wzmocniony. Następnie przechodzi przez rotor polaryzacji (światłowód jednomodowy) pokryty warstwą antyrefleksyjną i posiadający sferyczną soczewkę wykonaną przez zwężenie światłowodu. Światłowodowy rotor polaryzacji daje redukcję efektów odbiciowych od czoła fotodiody. Eliminacja odbić jest bardzo ważna dla stałości wzmocnienia. Wyjście światłowodu jest także przestrzennym filtrem zmniejszającym efekt laserowej emisji spontanicznej występującej we wzmacniaczu (TW). Straty sygnału pomiędzy wyjściem wzmacniacza a fotodiodą wynoszą 3-5 dB. Po przejściu przez filtr optyczny sygnał jest kierowany do odbiornika optycznego. Zadaniem odbiornika optycznego jest przetworzenie sygnału promieniowania świetlnego dostarczonego przez światłowód na sygnał elektryczny. Parametry wyjściowe sygnału powinny pozwalać na jego dalszą obróbkę, a w końcowym efekcie na odczytanie danych przenoszonych przez światłowód z założoną stopą błędu.

Czułość odbiornika cyfrowego określana jest jako minimalna moc sygnału, przy której stopa błędu przyjmuje wymaganą wielkość. Stopa błędu w odbiorze cyfrowym jest funkcją stosunku sygnału do szumu. Jak wiadomo maksymalną czułość odbiornika określa ograniczenie kwantowe, czyli minimalny dopuszczalny poziom detekowanej mocy optycznej. W praktyce pozostałe szumy, poza szumem kwantowym, odgrywają daleko większą rolę w ograniczeniu czułości odbiornika. W przypadku odbiornika z przedwzmacniaczem optycznym pod uwagę należy wziąć następujące rodzaje szumów:

- szum śrutowy fotoprądu zależny od mocy sygnału wejściowego;

- szum śrutowy fotoprądu przedwzmacniacza optycznego (zależny od mocy optycznej P_in);

- szum śrutowy prądu ciemnego;

- szum zdudnienia składników emisji spontanicznej wzmacniacza optycznego;

- szum zdudnienia sygnału i składników emisji spontanicznej wzmacniacza

optycznego;

Wzmocniony we wzmacniaczu sygnał cyfrowy o mocy P = GP_in padając na fotodetektor wywołuje prąd sygnału użytecznego płynący przez fotodiodę. Wyraża się on wzorem:

I= R₀GP_in skąd napięcie: U= R₀GP_in

Jeżeli transmitowane światło jest zmodulowane sygnałem cyfrowym, to nadawana treść rozpoznawana jest w układzie detektora progowego.

Wskutek występowania szumu towarzyszącego sygnałowi, odtworzenie treści podlega błędom. Przy założeniu, że rozkład prawdopodobieństwa szumu jest normalny stopę błędu transmisji możemy następująco powiązać z poziomem sygnału i poziomem szumu:

gdzie:

<u
> wartość średniokwadratowa szumu przy nadaniu „1” logicznej;

<u
> wartość średniokwadratowa szumu przy nadaniu „0” logicznego;

Jeżeli oba nadawane symbole binarne są jednakowo prawdopodobne to próg decyzyjny powinien być tak ustawiony, że:

Q = Q₁ = Q₀

Poniższy rysunek przedstawia ustawienie progu decyzyjnego:

Postać warunku wyrażającego ustawienie progu decyzyjnego dla powyższego rysunku określają wzory:

i

Wyznaczając D:
otrzymujemy:

gdzie:

We wzorach tych r oznacza stosunek mocy impulsu dla „1” i dla „0”. Parametr Q związany jest ze stosunkiem sygnał-szum następującą zależnością:

Wszystkie elementy odbiornika wprowadzają do układu szum powodujący powstawanie błędów przy detekcji. Zakładając brak wzajemnej korelacji pomiędzy poszczególnymi składnikami szumu, średniokwadratową moc szumu układu możemy określić za pomocą wzoru:

1) <u²(0)>_ukł - szum śrutowy fotoprądu zależny od mocy sygnału wejściowego;

2) <u
>_ukl - szum śrutowy fotoprądu przedwzmacniacza optycznego (zależny od

mocy optycznej P_in;

3) <u
>_ukl -szum śrutowy prądu ciemnego;

4) <u
>_ukl - szum zdudnienia składników emisji spontanicznej wzmacniacza

optycznego;

5) <u
>_ukl - szum zdudnienia sygnału i składników emisji spontanicznej

wzmacniacza optycznego;

W półprzewodnikowych wzmacniaczach laserowych możemy rozróżnić następujące składniki wprowadzanych szumów:

- szum zdudnienia sygnału i emisji spontanicznej;

- szum zdudnienia składników emisji spontanicznej;

- szumy śrutowe towarzyszące wzmacnianemu sygnałowi;

- szumy śrutowe towarzyszące emisji spontanicznej;

- szum termiczny;

Szum zdudnienia składników emisji spontanicznej jest wynikiem interferencji poszczególnych składników emisji spontanicznych. Zróżnicowanie składników emisji spontanicznej jest wynikiem występowania nośników posiadających różne wartości energetyczne oraz fazy.

Szum zdudnienia sygnału i emisji spontanicznej powstaje przez interferencję sygnału świetlnego i zachodzącej w strukturze wzmacniacza (TW) emisji spontanicznej. Emisja spontaniczna występuje we wzmacniaczu półprzewodnikowym na skutek przejść niektórych nośników posiadających większą energię przez pasma energetyczne półprzewodnika.

Szumy śrutowe wynikają z przepływu prądu polaryzującego wzmacniacz przez złącze. Mają one jednak niewielki wpływ na całkowite szumy wzmacniacza. Dla małych wartości wzmocnień pasmo wzmacniacza jest ograniczone przez szum termiczny. Dla wyższych wartości wzmocnień szum zdudnienia sygnału i emisji spontanicznej oraz szum zdudnienia składników emisji spontanicznej staje się dominujący.

Aby wyznaczyć moc wyżej wymienionych składowych szumów należy przeprowadzić następujące rozumowanie:

Prąd optyczny i(t) generowany przez fotodetektor o jednostkowej sprawności kwantowej jest proporcjonalny do natężenia pola elektrycznego fali optycznej na wyjściu wzmacniacza.

Wynosi on:

Założenia: P_in = const (przypadek stacjonarny). Składnik
dąży do zera.

Trzy kolejne składniki reprezentują odpowiednio sygnał, szum zdudnienia sygnału i emisji spontanicznej, szum zdudnienia składników emisji spontanicznej.

Szum zdudnienia sygnału i emisji spontanicznej:

Prąd szumu zdudnienia sygnału i emisji spontanicznej wynosi:

Do powyższego wzoru zastosowano przekształcenie na iloczyn cosinusów, dla którego wartość średnia z cos(2ν_mt) dąży do zera ⇒ zostało pominięte. Dla każdej częstotliwości suma w nawiasach posiada dwa składniki lecz z losową fazą. Z tego powodu spektrum mocy i_s-sp(t) jest niezmienne w przedziale częstotliwości -0,5B_opt. do 0,5B_opt. i posiada gęstość:

Wartość średniokwadratowa szumu zdudnienia sygnału i emisji spontanicznej zawartego w paśmie B_opt. wynosi:

Na wyjściu wzmacniacza optoelektrycznego ( filtracja elektryczna ):

Z definicji:

B_opt> 2*pasmo filtru

Szum zdudnienia składników emisji spontanicznej:

Ze wzoru na prąd optyczny otrzymujemy:

gdzie:

Szum ten można zapisać również w postaci:

Składnik proporcjonalny do cos(β_k + β_j) posiada częstotliwość proporcjonalną do 2ν_m. i średnią dążącą do zera. Otrzymujemy wówczas:

Gęstość widmowa szumu zdudnienia składników emisji spontanicznej:

Wartość średniokwadratowa szumu zdudnienia składników emisji spontanicznej zawartego w paśmie B wynosi:

Na wyjściu odbiornika optoelektrycznego ( filtracja elektryczna ):

Otrzymujemy napięcie powodowane przez przepływ fotoprądu wynikającego z emisji spontanicznej.

Z definicji:

Wartość średniokwadratowa szumu półprzewodnikowego wzmacniacza optycznego:

Wpływ pasma na poszczególne składniki szumu półprzewodnikowego wzmacniacza optycznego przedstawia rysunek. Założono: B=0-10000MHz, ν_m.=1,938*10¹⁴Hz, P_in=2*10^-8W, G=25dB.

W całkowitej wartości średniokwadratowej szumu dominuje szum zdudnienia sygnału i emisji spontanicznej, który na zamieszczonym wykresie prawie pokrywa się z całkowitą wartością średniokwadratową szumu.

Z powyższych wzorów wynika, że moc wejściowa wpływa bezpośrednio wyłącznie na wartość średniokwadratową składowej szumu zdudnienia składników emisji spontanicznej z sygnałem. Zależność wartości średniokwadratowej szumu składowej szumu zdudnienia składników emisji spontanicznej z sygnałem od optycznej mocy wejściowej przedstawia poniższy rysunek:

Wartość średniokwadratowa szumu wzmacniacza bardzo silnie wzrasta wraz ze wzrostem mocy optycznej padającej na wejście wzmacniacza, a także wraz ze wzrostem częstotliwości promieniowania optycznego. Poziom tych szumów staje się znaczącym składnikiem całkowitej wartości średniokwadratowej szumu przy dużych mocach promieniowania optycznego.

Ostatecznie:

• całkowita wartość średniokwadratowa szumu układu:

gdzie: p_o=2P_in

• stosunek sygnału do szumu fotodetektora dla układu z przedwzmacniaczem optycznym po przeprowadzeniu normalizacji:

• stopa błędu BER:

Odbieranym sygnałom optycznym zawsze towarzyszą przypadkowe fluktuacje związane z szumem śrutowym. Dochodzi do tego szum cieplny powstający w rezystancji obciążenia fotodetektora oraz szum ( cieplny i śrutowy ) wytwarzany we wzmacniaczach. Jak wiadomo każdy wzmacniacz powoduje dodanie do sygnału wzmacnianego szumu własnego. Jeżeli poziom mocy odbieranego sygnału optycznego jest niski, wówczas szumy własne odbiornika optoelektronicznego dominują nad szumem fotoprądu i powodują ograniczenie jego czułości. Jest ona tutaj znacznie mniejsza, niż wynikająca z teoretycznej granicy przy założeniu jedynie szumu fotoprądu. Zastosowanie wzmacniacza optycznego pracującego jako przedwzmacniacz powoduje zwiększenie wartości fotoprądu tak, że w szumie całkowitym udział szumu fotoprądu jest porównywalny z udziałem szumu własnego odbiornika. Umożliwia to powiększenie czułości odbiornika.

Powiększenie czułości przez zastosowanie układu odbiornika z przedwzmacniaczem optycznym daje bardzo duże możliwości w budowaniu długich odcinków traktu światłowodowego bez konieczności regeneracji sygnału optycznego oraz lepszą jakość odbioru. Duży zakres dynamiki umożliwia pracę odbiornika nawet przy znacznych wahaniach odbieranej mocy optycznej ( np. w rozgałęzionych sieciach wielosystemowych).

1

10

Wzmacniacz

laserowy TW

Wejście sygnału

Kontroler polaryzacji

Soczewka sferyczna

Wzmacniacz niskoimpedancyjny

(50Ω)

Filtr optyczny

Fotodioda PIN

P_in

G

<
>

P_we= P_IN*G

<
>

I_L

<i²>

U_SYG

U

U

U_OH

U_OL

U_min U₀ U_max

σ₁

σ₀

K₁

D

K₀

sygnał

szum emisji spontanicznej

10^-12

10^-13

10^-14

<i²>

A²

10^-15

10^-16

10^-17

0 2*10⁹ 4*10⁹ 6*10⁹ 8*10⁹ 10¹⁰

B_el Hz

1;2

3

1 <
>

2 <
>

3 <i
>

B=1000MHz

B=5000MHz

B=10000MHz

8*10^-11

6,4*10^-11

4,8*10^-11

<i
>

A² 3,2*10^-11

1,6*10^-11

0

200 400 600 800 1000 P nW

---