Устройства приема оптического амплитудно-модулированного сигнала

Рассмотрим сначала вообще проблему приема оптического излучения, естественно, осуществляемого именно полупроводниковыми приемниками, не отходя при этом, по возможности, от рассмотрения собственно тех полупроводниковых приборов - приемников оптического излучения, в основе работы которых лежит p-n-переход или контакт металла с полупроводником, образующийся на границе твердотельных структур с различными свойствами; а далее постепенно перейдем к рассмотрению работ, посвященных вопросу смешения частот на нелинейностях приборов, называемых оптоэлектронными смесителями, и преобразования модулированного оптического излучения фотоприемниками в режиме гетеродинного приема сигналов оптического диапазона.

Полупроводниковые фотоприемники излучения на основе p-n-перехода находят широкое применение во многих областях науки и техники /7/. Одним из направлений развития в области фотоэлектронных приборов является исследование, разработка и применение приемников оптического излучения с p-n-переходами. По данной тематике в настоящее время существует очень большой объем различных публикаций. К примеру, физике процессов, происходящих в подобных фотоприемниках, описанию характеристик, примерам использования их в конкретных схемах посвящены работы /7 - 13/.

Как известно /7,14/, принцип действия фотодиода основан на использовании обратно смещенного перехода /15/, когда ток диода определяется только не основными носителями, концентрация которых в полупроводнике при отсутствии излучения невелика, а вызванный ими ток называется темновым током диода. Под действием внешнего оптического воздействия в приборе возникают дополнительные электронно-дырочные пары, которые создают фототок. Фотодиоды могут быть изготовлены на основе гомоперехода, гетероперехода или контакта металла с полупроводником (барьер Шоттки) /14/. Частотные свойства фотодиодов определяются временем жизни не основных носителей, которое меньше времени жизни основных носителей в обычных фоторезисторах, поэтому быстродействие фотодиодов гораздо выше. Постоянная времени фотодиода определяется в основном временем пролета носителей от места их генерации под воздействием освещения до p-n-перехода, где происходит их рекомбинация /14/. Время пролета зависит от структуры фотодиода и механизма переноса не основных носителей, образующих фототок. Определяющим фактором при этом является толщина самого перехода и толщина базовой области, где происходит фотогенерация /16/. Для уменьшения постоянной времени и одновременного повышения чувствительности следует уменьшать толщину базы, чтобы генерируемые носители быстрее достигали p-n-перехода, и увеличивать толщину перехода для того, чтобы как можно большая часть излучения поглощалась в обедненном слое. Причем расширять переход можно подачей на фотодиод высокого обратного напряжения, а базу делать оптически прозрачной для поглощения излучения в p-n переходе. В настоящее время высокочастотные фотодиоды изготавливаются на основе гетеропереходов, барьеров Шоттки, p-i-n структур.

В p-i-n-фотодиодах между областями p и n типа находится довольно протяженный слой собственного полупроводника, обладающий высоким удельным сопротивлением по сравнению с соседними областями, это приводит к тому, что электрическое поле практически полностью сосредоточено в этом слое и обеспечивает быстрый дрейф носителей, образованных, ввиду тонкой (прозрачной) базы, прямо в обедненном слое /17,18/. За счет этого частотная характеристика таких приборов при соответствующей площади перехода может доходить до частот около 20 ГГц.

В приборах с барьером Шоттки используется контакт металла и полупроводника как n, так и p типа проводимости. Слой металла при этом делается полупрозрачным и под действием освещенности носители генерируются в непосредственной близости к потенциальному барьеру, где происходит их разделение, приводящее к появлению фототока. Фотодиоды с барьером Шоттки являются перспективными приборами, которые находят широкое применение в устройствах, требующих высокого быстродействия (до нескольких гигагерц).

При большом обратном напряжении происходит ускорение не основных носителей электрическим полем и при их столкновении с атомами кристаллической решетки происходит ионизация атомов и образование дополнительных электронно-дырочных пар, которые также разгоняются и участвуют в новых актах ионизации, т.е. происходит лавинное умножение носителей. Этот принцип заложен в основу работы очередного класса фотоприемников - лавинных фотодиодов.

Таким образом, в отличие от обычных фотодиодов с p-n-переходом, лавинным фотодиодам свойственен механизм внутреннего усиления. При одинаковой падающей мощности фотосигнал лавинного фотодиода превышает фотосигнал обычного фотодиода тех же размеров, изготовленного из того же самого полупроводникового материала.

Лавинные фотодиоды называют полупроводниковыми аналогами фотоэлектронных умножителей, но при этом отмечается лучшее отношение сигнала к шуму. Коэффициент умножения темнового и светового тока зависит от прикладываемого к диоду обратного напряжения и может достигать в ряде приборов значений порядка десятков, а то и сотен тысяч единиц. В лавинных фотодиодах могут быть использованы как обычный p-n-переход, так и p-i-n-переход и барьер Шоттки. При этом, в отличие от обычных фотодиодов, где используется база в основном p типа (в связи с большей подвижностью электронов - не основных носителей), в лавинных фотодиодах определяющим становится значение коэффициента ударной ионизации, который имеет большую величину для дырок, что заставляет делать область базы n типа. Причем для создания совершенных малошумящих лавинных фотодиодов, используемых в современных оптических системах связи, необходимо использовать материалы со значительно отличающимися коэффициентами ударной ионизации для электронов и дырок /19/. При соответствующем подборе материалов, а также конструкции лавинных фотодиодов, они могут использоваться вплоть до частот 10 ГГц и более.

Основным назначением фотоприемников в оптических системах связи является прием слабых оптических сигналов. Минимальный уровень принимаемого сигнала полностью определяется уровнем шума системы. При конструировании фотодиода основной задачей является снижение шумовых характеристик.

Основной целью при проектировании лавинных фотодиодов является уменьшение составляющей темнового тока, который должен быть на порядок меньше фототока. При этом должны обеспечиваться высокое быстродействие и квантовая эффективность, близкая к 100 %.

Необходимо отметить существование таких специфических приборов, как фотодиоды с СВЧ смещением, которые применяются в устройствах с большой информационной емкостью /14,20/. В них сигнал формируется при взаимодействии свободных носителей, образовавшихся во время падения информационного потока излучения, в полупроводнике с полем СВЧ волны. При взаимодействии спектр модуляции информационного потока излучения переносится в СВЧ область на комбинационных частотах модуляции потока и СВЧ волны.

Перейдем к рассмотрению биполярных фототранзисторов, в дальнейшем - просто фототранзисторов. Фототранзистором называют полупроводниковый приемник излучения на основе использования внутреннего фотоэффекта с двумя переходами, совмещающий в себе свойства фотодиода и обычного усилительного транзистора. При этом фототранзистор работает в активном режиме: коллекторный переход закрыт, а эмиттерный - открыт. Причем наиболее часто фототранзистор используют в режиме, когда вывод базы отключен (режим с плавающей базой /21/). Входным сигналом для фототранзистора служит падающий поток излучения, который и управляет током в цепи. Когда фототранзистор не освещен, через него протекает ток, определяемый не основными носителями, инжектированными из эмиттера, прошедшими базу и достигшими коллектора. В транзисторе происходит усиление фототока за счет накопления в базе основных носителей и, в связи с этим, инжекции из эмиттера дополнительного количества не основных носителей.

Благодаря усилению фототока чувствительность фототранзисторов выше, чем у фотодиодов, но они уступают фотодиодам по постоянной времени и быстродействию, причем быстродействие в этом случае определяется не временем пролета носителей через область базы, а временем перезарядки областей коллектора и эмиттера. В работах /22-27/ предлагается целый ряд устройств с использованием фототранзисторов. В этих устройствах фототранзистор принимает излучение, а его усиленный фототок возбуждает светодиод или полупроводниковый лазер. К таким устройствам относятся оптический усилитель /23,24/, преобразователь изображения /25/, преобразователь спектра излучения /26/, оптический ключ /27/.

Новые возможности открывает использование в оптических системах лавинных фототранзисторов. Впервые биполярные транзисторы при лавинном пробое были рассмотрены в работе /28/. При этом лавинное умножение в коллекторном переходе может приводить к росту усиления тока, более мягкой вольт-амперной характеристике транзистора в области пробоя и др. В связи с бурным развитием оптоэлектроники и ее перспективности /29,30/ существенный интерес представляет предложенная в /31/ возможность оптического управления лавинными транзисторами. Лавинный фототранзистор имеет большое усиление фототока вследствие как лавинного умножения фототока, так и внутренней положительной обратной связи. При этом усиление, вызванное умножением, не приводит к потере быстродействия. Поэтому у лавинных фототранзисторов предельная частота усиления в линейном режиме может достигать нескольких гигагерц. Наряду с оптическим сохраняется возможность электрического управления. Возможны различные варианты использования фототранзисторов в сочетании с другими приборами. При этом уменьшается быстродействие, но появляется возможность увеличения чувствительности к управлению, получения различных спектральных характеристик и т.д.

Приведенное в литературе большое количество и разнообразие структур на основе фототранзисторов свидетельствует о широких возможностях их применения. По мере развития технологии изготовления материалов и приборов достижения в разработке дискретных фототранзисторов и интегральных схем на фототранзисторах будут еще более впечатляющими.

Перейдем теперь к рассмотрению процессов оптического управления СВЧ устройствами и нелинейного взаимодействия частот переменного электрического поля, действующего на приборе, и модуляции оптического сигнала, приводящим к эффектам преобразования. Воздействие оптического излучения на полупроводниковые СВЧ устройства и возможность оптического управления ими рассмотрены в /3/. В этой работе отмечается ряд преимуществ оптических методов управления по сравнению с другими методами. В качестве оптически управляемых полупроводниковых активных приборов СВЧ могут использоваться диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, биполярные транзисторы, полевые транзисторы с барьером Шоттки, различные структуры фотодиодов (p-i-n , лавинные фотодиоды и др.). Также исследуются и различные приборы, содержащие гетероструктуры. Как отмечается в /3/, процесс управления полупроводниковыми приборами состоит в генерации под действием излучения электронно-дырочных пар в активной области прибора при воздействии фотона, имеющего энергию, превышающую ширину запрещенной зоны (собственное поглощение). При этом происходящие в приборе процессы изменяют его параметры и характеристики, т.е. приводят к оптическому управлению данным прибором. Процесс управления может определяться явлениями фотопроводимости, влиянием на лавинное размножение носителей, фотодиодным эффектом и др. /32/. Важное место занимает оптическое управление генераторами, при котором возможны такие процессы, как оптическое переключение, настройка и синхронизация /4,5/. В процессе оптической синхронизации участвует оптический сигнал, который промодулирован по интенсивности колебаниями частоты, близкой к частоте колебаний автогенератора или к ее гармоникам. При этом важным является то, что в результате детектирования модулированного светового сигнала в активном приборе на его нелинейностях происходит образование колебаний комбинационных частот, которые и воздействуют на автоколебания генератора. Описанию воздействия оптического излучения на генераторы на лавинно-пролетных диодах, а также происходящих при этом процессов посвящен ряд источников /33/. А в /34/ рассмотрена оптическая синхронизация таких генераторов. В /35/ проводятся исследования оптического управления транзисторными генераторами СВЧ, где основное внимание уделяется оптическому переключению, оптической настройке, оптической синхронизации.

Обширная литература посвящена оптоэлектронным смесителям. Оптоэлектронными смесителями называются приборы, находящиеся под воздействием оптического и электрического сигналов. При этом оптический сигнал промодулирован по амплитуде, а на выходе смесителя образуются колебания промежуточной частоты, причем в смесителях такого рода сильным сигналом является оптический, промодулированный по амплитуде частотой гетеродина, а слабым информационным сигналом является электрический сигнал /3/. Такой смеситель эквивалентен устройству, состоящему отдельно из фотодетектора и обычного СВЧ смесителя, однако оптоэлектронное устройство, совмещающее функции детектора и смесителя, обладает определенными преимуществами: цепи сигнала и гетеродина разделены и не оказывают влияния друг на друга, отпадает проблема согласования фотодетектора и смесителя, конструкция такого прибора оказывается значительно проще. В качестве основных нелинейных элементов в оптоэлектронных смесителях могут использоваться обычные диоды, лавинные фотодиоды, диоды с барьером Шоттки и даже туннельные диоды /6,7,8/. Диодные смесители могут работать и с прямым, и с обратным смещением, при этом выбор режима определяется получением необходимой для преобразования нелинейностью. В работах /8,9/ развита теория, проведено моделирование и экспериментальные исследования оптоэлектронных смесителей на лавинном фотодиоде. В /10/ исследован оптоэлектронный смеситель на туннельном диоде с барьером Шоттки. Рассмотренные приборы могут найти применение в волоконно-оптических системах передачи.

Большой интерес для разработки оптически управляемых СВЧ устройств, в том числе и смесителей, получают транзисторные структуры. В /11,12,13,14/ проведены экспериментальные исследования оптоэлектронных смесителей на транзисторах. А в /36/ исследовались и сопоставлялись параметры различных типов транзисторов, в том числе и на основе гетероструктур.

На основе оптоэлектронных смесителей разрабатывается и исследуется ряд вариантов схем волоконно-оптических систем передачи информации миллиметрового диапазона. В качестве примера можно отметить структуру одной из таких схем, в которой на передающем конце луч полупроводникового лазера модулируется по амплитуде информационным сигналом и поступает по волоконной линии на оптоэлектронный смеситель, на который также подается электрический сигнал частоты гетеродина. На нелинейностях смесителя происходит преобразование частот и выделяется промежуточная частота, содержащая полезный сигнал. Гетеродинный режим приема в этом случае может иметь определенные преимущества по сравнению с обычными режимами детектирования оптических сигналов.

В /15/ описана возможность приема оптического излучения, модулированного СВЧ сигналом, с помощью преобразования частоты в фотоэлектронном умножителе при взаимодействии фотоэлектронов с полем гетеродина. Решена задача преобразования частоты модуляции оптического излучения в фотоумножителе при взаимодействии фотоэлектронов с электрическим полем гетеродина в широком диапазоне углов пролета при произвольном сигнале гетеродина; получены зависимости составляющей тока разностной частоты от параметров системы, в которой в общем случае имеют место такие специфические для приборов с внешним фотоэффектом процессы, как группировка потока фотоэлектронов по плотности и отсечка тока. Вообще, метод гетеродинного приема оптических сигналов широко используется в последнее время в системах такого класса. Такой способ приема применяется, например /15/, в схемах оптической связи с поднесущей частотой, на что в основном и ориентирована диссертационная работа, в доплеровских измерителях скорости с СВЧ-модуляцией оптического излучения, в высокоточных СВЧ-светодальномерах. Метод гетеродинирования в фотоэлектронном умножителе при использовании стандартных приборов позволяет принимать оптическое излучение, промодулированное сигналом с частотой до 1-2 ГГц. При введении в стандартный фотоэлектронный умножитель специфических элементов, в частности, дополнительной сетки вблизи поверхности фотокатода, получен прием оптических сигналов с частотой модуляции 10 ГГц. Описанные выше процессы гетеродинирования в фотоэлектронных умножителях приведены не зря, так как аналогичные процессы могут быть осуществлены и на полупроводниковых приборах, тем более, что лавинные фотодиоды являются полупроводниковыми аналогами фотоумножителей /14/.

В работе /16/ отмечается использование лавинного фотодиода в качестве широкополосного фазового детектора СВЧ диапазона с оптическим входом. В этом случае на фотодиод поступают световое излучение, модулированное по амплитуде СВЧ сигналом и опорный сигнал такой же частоты, а с сопротивления нагрузки снимается сигнал, однозначно определяемый сдвигом фаз между опорным и модулирующим сигналами. В работе проведен анализ режимов детектирования и определены диапазоны рабочих частот фазового детектора на лавинном фотодиоде с оптическим и электрическим входами; описана физическая модель прибора, схема, определяющая принцип действия и получены аналитические соотношения, в частности, получены выражения, определяющее величину тока лавинного фотодиода, а также напряжение на выходе фазового детектора при отсутствии и при наличии переменных полей в активной области прибора. Эти соотношения рассчитаны на ЭВМ и позволяют выбрать оптимальный режим работы детектора. Предпосылкой к исследованиям, проведенным в данной работе явилась серия публикаций некоторых зарубежных ученых в области такого рода приборов.

Продолжая тему использования гетеродинирования при приеме оптических сигналов, можно отметить работу /17/, где проводится исследование преобразования частоты оптических сигналов на нелинейном элементе, в качестве которого используется диод с барьером Шоттки. В работе показано, что используемые в настоящее время фотоприемники на основе тройных соединений, германия, а также пироприемники и некоторые другие, практически непригодны для применения в гетеродинных или импульсных устройствах. От этих недостатков вроде бы свободен диод со структурой металл-окисел-металл, но он не обладает достаточной надежностью и стабильностью, а также имеет характеристики, не всегда легко воспроизводимые и поэтому его применение в качестве эффективного преобразователя ограничено /17/. Наряду с этим в последние несколько лет предпринимаются небезуспешные попытки исследования и применения диодов с барьером Шоттки в различных фотоприемниках от дальнего инфракрасного до видимого диапазонов. При этом диоды могут быть использованы как в детекторном, так и в смесительном режимах, причем при преобразовании на активную область прибора поступают два оптических сигнала и один электрический от генератора миллиметрового диапазона; в этом случае на выходе преобразователя образуется промежуточная частота, соответствующая разности этих трех частот. В работе отмечена зависимость эффективности преобразования смесителя от типа используемых конструкций приборов, а также от их параметров, поэтому важна оптимизация параметров диода с барьером Шоттки для достижения высокой эффективности преобразования при работе в инфракрасном диапазоне длин волн.

Обобщая вышесказанное, отметим, что проблема приема оптических сигналов в режиме гетеродинирования является перспективным направлением в электронике и, в частности, в оптоэлектронике. Поэтому исследования в этой области должны продолжаться при рассмотрении новых методов и подходов, опираясь на физические явления, происходящие в полупроводниках, попытка чего и предпринята в данной работе.

2. Фотоприемные элементы и методы построения избирательных фотоприемников

Фоторезистор (ФР) - это фотоприемник, принцип действия которого основан на эффекте фотопроводимости - свойстве вещества изменять свою электропроводность под действием оптического излучения. Фоторезисторы изготавливают из полупроводников с собственной фотопроводимостью, обусловленной генерацией пар: электрон проводимости - дырка проводимости, и с примесной фотопроводимостью, обусловленной ионизацией атомов донорной и акцепторной примесей, возникающих под действием оптического излучения.

Фоторезисторы неполярны и одинаково проводят электрический ток в любом направлении, что позволяет их включать в цепи постоянного и переменного тока. Наибольшее распространение получили фоторезисторы с собственной фотопроводимостью, так как они не требуют охлаждения.

Пути увеличения фотопроводимости фоторезисторов при поглощении излучения следующие:

переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (увеличивается собственная проводимость);

переход электронов с примесных донорных уровней в запрещенной зоне в зону проводимости (увеличивается электронная проводимость);

переходы электронов из валентной зоны на акцепторный уровень (увеличивается дырочная проводимость).

2.1.2 Фотодиоды

Вопросы, касающиеся теории обычного приема, детектирования и преобразования частоты, как и общего раздела регенеративного (сверхрегенеративного) гетеродинного и супергетеродинного радиоприема достаточно полно изложены в литературе и в основном общеизвестны.

Поскольку для получения высокого быстродействия фотоприемных устройств следует использовать СВЧ либо КВЧ поднесущие, то отметим некоторые особенности построения приемных устройств этих диапазонов длин волн.

В случае широкополосного фотоприема, или при приеме достаточно мощных оптических сигналов (т.е. при невысоких требованиях чувствительности) используют приемники прямого усиления, которые содержат входные устройства, фотодетектор и усилитель модуляционных частот и широко используются на практике. Основным достоинством такого фотоприема является простота конструкций и схем, малые габариты и небольшое потребление питающего напряжения. Недостатки - низкая чувствительность и избирательность. Указанные характеристики полностью совпадают со случаем широкополосного сигнала.

Сверхгенеративные фотоприемники, как будет показано ниже, также просты и экономичны, удобны в переносных вариантах, но обладают основными, указанными выше недостатками фотоприемников прямого детектирования и сегодня практически не исследованы и не используются, хотя обладают реальной избирательностью и могут работать в многоканальных системах связи.

В состав фотопреобразования МП входят поглощение оптического излучения и генерация носителей заряда, механизм внутреннего усиления, обусловленный размножением носителей, если такой предусмотрен, взаимодействие модулированных по интенсивности (при АМ модуляции МП) концентраций носителей с переменным электрическим полем в объеме полупроводника, либо в пространстве p-n-перехода (обедненного слоя) или контакта металл-полупроводник, а также этап формирования выходного сигнала, что определяет условие согласования ФП с нагрузкой, включая входные цепи усилительных звеньев в случае внешнего усиления сигнала.

Следует отметить, что каждому этапу процесса соответствуют свои параметры, уровень и характер шумов, ограничивающих для ФП (различного типа и различных комбинаций приемников с усилителем) добротность, пороговую чувствительность, надежность, достоверность считывания оптической информации.

Известно, что чувствительность ФП и ее спектральное распределение определяется (для метода прямого детектирования) в общем случае соотношением:

,

где в мкм; в А./Вт; экстремальна и обусловлена спектральной зависимостью коэффициента поглощения излучения в данном материале. Для ФП с антиотражающими покрытиями ; без такового .

Внутреннее усиление фототока зависит от механизма внутреннего усиления. Если оно - следствие лавинного размножения носителей (например, ЛПД или ЛФД), то определяется как среднестатистическая величина за время действия светового импульса. Если же оно обусловлено пролетным временем носителей (фоторезистор), то определяется средним временем жизни фотоносителей. Этот процесс в фоторезисторах может является и следствием баллистических эффектов, возникающих в тонких полупроводниковых слоях в сильных электрических слоях, что вносит особенности в расчет (для кремниевых ФД (p-n, p-i-n, Шоттки) значение А/Вт при =1;с; у кремниевых ЛФД с =102 чувствительность , с).

Приведенные значения являются типичными для ФД вне зависимости от полупроводникового материала, на основе которого он изготовлен (величина А/Вт характерны для фоторезисторов). У фоторезисторов на основе кремния, легированного цинком или золотом, чувствительность того же порядка, что и ЛФД. Быстродействие их в режиме прямого детектирования не превышает 10-4…10-5 с. Еще менее широкополосным при тех же значениях оказываются фоторезисторы на основе широкозонных материалов АпВv, у которых при с. Быстродействующие фотоприемники фоторезистивного типа созданы на основе гетероэпитаксиальных пленок AlGaAs/GaAs (=1,3 мкм). Их быстродействие достигает нескольких десятков (<100) пикосекунд при А/Вт и . Приведенные значения чувствительности фоторезисторов с учетом их частотных диапазонов являются типичными для данного класса ФП.

Мгновенное значение фототока в режиме прямого детектирования определяется как

.

При этом возможны два режима модуляции, задающих форму : амплитудный и импульсно-кодовый. Первый характерен для аналоговых фотоэлектрических преобразователей, второй для цифровых. Режимы отличаются структурой преобразователей и их параметрами и находят применение в ВОЛС.

Функционально построение ФП принято различать еще и по степени автономности элементов передачи и приема. Наиболее автономными являются некогерентные системы связи (прямого детектирования) с полностью независимыми передающим и приемным устройствами. Затем следуют регенеративные и сверхрегенеративные схемы, возбуждаемые принимаемым сигналом, а следующей ступенью развития являются когерентные системы, в которых самостоятельно работающие передатчики и приемник связаны каналом опорного сигнала (или специальных синхронизирующих импульсов), либо в приемнике формируется канал АПЧ либо ФАПЧ, поддерживаемый кварцевым опорным генератором.

Последние режимы могут быть реализованы и в автодинных системах фотоприема, однако их эффективность из-за несовпадения оптимальных режимов по минимуму шума и максимуму коэффициента передачи несколько ниже когерентных супергетеродинных.

Таким образом, практически для фотоприема используются и могут быть реализованы методы прямого детектирования (они и являются сегодня основными, при методах модуляции света по интенсивности), гетеродинного (при выделении смесителем непосредственно информационного сигнал НЧ) и супергетеродинного (аналогично радиоприему, с заменой входной цепи и УВЧ - фотопреобразователем, в нашем случае ФПМП).

Учитывая, что схемы предлагаемых избирательных фотоприемников - известные из радиотехники системы (что следует из единой электромагнитной природы информационных сигналов): приемники прямого усиления, регенеративного (сверхрегенеративного) и гетеродинного (супергетеродинного) или асинхронного детектирования, разовьем классические методы избирательного приема на оптический диапазон длин волн, введя модулирующие поднесущие света для реализации (как это сделано в телевизионном вещании, радиорелейных и телефонных каналах связи) многоканальности систем связи.

2.2.1 Супергетеродинные методы избирательного фотоприема

Начнем рассмотрение с супергетеродинного построения фотоприемников как наиболее перспективных и многофункциональных.

Известно, что супергетеродинные приемники обеспечивают наибольшую чувствительность и избирательность по сравнению с другими типами приемников: детекторными, прямого усиления и сверхрегенеративными. По этой причине все современные системы связи строятся на их базе и отличаются значительным разнообразием (двойное и даже тройное преобразование, с УВЧ и без, с системами АПЧ или ФАПЧ и т.п.), обусловленными широким кругом решаемых задач. Следует отметить, что применение предварительных УВЧ уменьшает коэффициент шума, и следовательно, увеличивает чувствительность приемника; повышает избирательность приемника в отношении симметричных мешающих станций (в схемах с двойным преобразованием этот параметр оказывается особенно высоким); уменьшает необходимое усиление по ПЧ.

Таким образом, можно выделить четыре основных варианта схем построения супергетеродинных приемников, причем на выходе УПЧ (следующего за преобразователем) стоит детектор огибающей ПЧ и усилитель полезного сигнала (выделенного информационного) сигнала. При этом все варианты построения включают в себя основные, наиболее характерные, функциональные элементы и узлы приемников и кратко будут рассмотрены на примере прогрессивной (самой помехоустойчивой) импульсной (цифровой) схемы, широко используемой и в радиолокации с момента ее зарождения.

Отметим, что немаловажным является выбор величины ПЧ, который осуществляется исходя из функциональных соображений. Так, повышение ПЧ дает: увеличение ослабления сигналов симметричных станций во входной цепи и УВЧ; увеличение надежности работы схемы АПЧ гетеродина приемника (если она применяется); уменьшение вредного влияния шумов гетеродина на чувствительность приемника; упрощение защиты усилителя информационного сигнала (выходного УНЧ) от колебаний ПЧ.

Понижение ПЧ приводит к: снижению коэффициента шума УПЧ и, следовательно, коэффициента шума приемника, в котором нет УВЧ и первым каскадом является преобразователь; увеличению устойчивости резонансной характеристики УПЧ при изменении питающих напряжений; увеличение избирательности приемника в отношении близких по частоте мешающих станций; увеличению предельного устойчивого усиления каскадов УПЧ.

В супергетеродинном приемнике оптического диапазона основное усиление принимаемого сигнала до необходимого уровня производится в УПЧ, а в УВЧ, ввиду сложности и увеличения шумов не применяется. Поэтому наиболее сложная задача сводится в сущности, к тому, чтобы преобразовать принятый световой сигнал в сигнал промежуточной частоты. Поскольку фотоэлемент является входным устройством фотоприемника (его первым каскадом), то его коэффициент шума почти полностью определяет полный коэффициент шума и тем самым чувствительность. При этом полоса пропускания выбирается на основе оговоренных выше требований и, следовательно, однозначно определена. Поэтому для достижения максимальной чувствительности процесс преобразования должен происходить с минимальным ухудшением отношения сигнал/шум (с/ш) на выходе фотопреобразователя по сравнению с его величиной на выходе.

Фотопреобразователь характеризуется первичными и вторичными параметрами (проводимостью и крутизной преобразования, выходной или внутренней проводимостью смесителя, входной проводимостью и проводимостью обратного преобразования; коэффициентом передачи смесителя и его максимальным значением, оптимальной проводимостью выходной нагрузки и шумовыми параметрами - коэффициентом шума и относительной температурой шума).

Для преобразования модулированного светового сигнала к фотопреобразователю подводится мощность непрерывных колебаний от гетеродина, частота которых отличается от частоты модулирующей поднесущей на величину промежуточной частоты . Уровень подводимой мощности гетеродина во много раз (на 5-10 порядков) должен превосходить мощность преобразуемого оптического сигнала.

Для получения максимальной чувствительности супергетеродинного фотопреобразователя полоса пропускания УПЧ выбирается минимальной, с учетом условия воспроизведения спектра полезного сигнала. При этом несущая частота преобразованного сигнала должна совпадать со средней полосой пропускания УПЧ (). Последнее условие позволяет выполнять система АПЧ, так же как это реализуется в радиодиапазоне.

Известно, что основное требование к фотопреобразователям определяется их высоким быстродействием (10…100 пс) и большой широкополосностью (1010…1011 Гц для метода прямого детектирования) при низком пороге чувствительности и малом уровне шумов. Кроме того их спектральные характеристики должны быть коррелированны со спектральными характеристиками источников излучения.

Указанные требования значительно упрощаются в устройствах гетеродинного типа и супергетеродинного фотоприема модулирующей поднесущей, причем могут использоваться хорошо разработанные типы усилителей фототока: трансимпедансные и интегрирующие (ВУ и УПЧ).

Для выделения информационного сигнала, сформированный фотопреобразователем сигнал ПЧ после усиления подвергается демодуляции обычным полупроводниковым диодом (либо другой специальной схемой выделения огибающей промежуточной частоты).

Рассмотренные элементы схемы фотоприемника являются обязательными элементами оптических приемников импульсных и аналоговых сигналов.

В отличие от супергетеродинных фотоприемников в гетеродинных приемниках оптического сигнала выделяется непосредственно частота полезного сигнала, которая формируется на выходе фотопреобразователя и проходит последовательно ФНЧ и УНЧ.

Из описанного выше следует, что выделение МП светового сигнала может быть выполнено всеми известными сегодня радиотехническими методами (т.е. гетеродинированием, супергетеродинированием, автодинным детектированием синхронным (для аналоговых сигналов) и асинхронным (для импульсных) и др.), а также можно утверждать, что они применимы как в системах ВОЛС, так и в открытых линиях передачи информации, причем в обоих случаях можно реализовать многоканальные режимы работы, необходимые для создания современных локальных оптических сетей.

2.2.2 Методы избирательного асинхронного фотоприема

Кроме рассмотренных выше методов фотоприема рассмотрим ещё один, потенциально реализуемый и эффективный метод - метод асинхронного фотоприема и детектирования.

Асинхронным фотодетектированием модулирующей поднесущей (АФМП) будем называть детектирование модулирующей поднесущей (выделение огибающей) импульсных оптических сигналов при наличии электрического поля с частотой, совпадающей с частотой МП оптического сигнала, но с произвольной разностью фаз. Поскольку при этом используется принцип избирательного фотодетектирования, но с нарушением условия синхронизации, то этот метод приема оптических сигналов, как и в радиотехнических применениях будем называть асинхронным.

Сложность в реализации когерентных методов связаны с синхронизацией гетеродина и принимаемого сигнала, что и ограничило применение его в технике связи и оптической связи в частности (гомодинный прием). При асинхронном методе фотоприема (используя повторяемость импульсных оптических сигналов, передаваемых модуляцией поднесущей) возможно полностью отказаться от трудно реализуемых цепей синхронизации, что существенно упрощает схему фотоприемника и делает метод фотоприема доступным.

Этот метод можно развить на случай приема оптического сигнала с модулирующими поднесущими (от радио до КВЧ диапазона) полезного сигнала импульсного или аналогового. Несмотря на то, что принцип избирательного фазового детектирования для радиосигналов известен давно, применение его в системах оптической связи, не рассматривается в литературе по фотоприему и, по-видимому, еще определенное время, из-за трудностей синхронизации по фазе принимаемых оптических сигналов и колебаний гетеродина, будет считаться неперспективным. Если отказаться от синхронизации то можно использовать свойства избирательного фотодетектирования и создавать приемные импульсные устройства оптического диапазона, которые по электрическим показателям незначительно уступают синхронному (гомодинному) фотоприему. Вместе с тем, асинхронный фотоприемник может обладать рядом заслуживающих внимание преимуществ по сравнению с описанными выше супергетеродинными фотоприемниками (по помехозащищенности и по избирательности как в случае светового гетеродинирования, так и при гетеродинировании модулирующих поднесущих), и реализуется в широком диапазоне частот, обладает простой конструкцией и имеет малый вес и габариты.

Так как в асинхронном фотоприемнике спектр импульсных сигналов из области модулирующей поднесущей света переносится в область нулевой частоты здесь в принципе исключается прием ложных сигналов по зеркальному каналу, что следует учитывать при разработке фотоприемника гетеродинного или супергетеродинного типов.

Блок схема асинхронного фотоприемника модулирующей поднесущей состоит из асинхронного фотодетектора (АФД), гетеродина (G), видеоусилителя (ВУ) и лишена основных элементов супергетеродинного фотоприемника: фотопреобразователя модулирующей поднесущей частоты (ФПМП), усилителя промежуточной частоты (УПЧ) и второго детектора (рис. 2.1.)

Рис. 2.1

Импульсы МП света без предварительного преобразования в ПЧ непосредственно преобразуется в импульсы постоянного тока с высокой эффективностью, при этом ФП не требует фильтрующих устройств, но обладает более высокой избирательностью, чем супергетеродинный фотоприемник. Другим вариантом АФП может служить фотоприемник, в котором асинхронное детектирование осуществляется на промежуточной частоте, что реализуется значительно сложнее, так как такая схема должна содержать: оптический преобразователь частоты, УПЧ, АФД с гетеродином и ВУ, что выдвигает требования, осложняющие широкое применение такого фотоприема.

Функционально асинхронный фотоприем можно пояснить следующим образом.