Helpos.com - Архив от реферати и дипломни работи

Helpos.com >> Архив >> Електроника >> Тема преглед >> HTML преглед на файла
топ търсения

ДИПЛОМНА РАБОТА

на тема:

Активни оптични компоненти

2008 г.

СЪДЪРЖАНИЕ:

 

Увод. 3

1. Структурна схема на оптична съобщителна система. 4

2. Активни оптични компоненти. 7

2.1. Електронно – оптични преобразуватели. 7

2.2. Опто – електронни преобразуватели. 19

3. Активните оптични компоненти като съставна част на оптични предаватели и оптични приемници. 26

4. Изчислителна част. 37

Заключение. 43

Използвана литература. 44

Приложение. 45

 

Увод

През последните няколко години бяха направени значителни   крачки за модернизация на далекосъобщителната мрежа в  България.  Това стана възможно поради приоритетната роля на телекомуникациите за развитие на националната икономика в новите  условия.

Инвестиционният  план  за  развитие  на  телекомуникациите  предвижда цялостна модернизация на мрежата, подобряване на  качеството  и  разширяване  на  номенклатурата  на  предлаганите услуги на абонатите в дългосрочен аспект, като крайната цел е пълната цифровизация на мрежата при използуването на  най-нови  и  перспективни технологии – цифровата комутационна и преносна техника. Това от своя страна изисква изграждането на основната  преносна далекосъобщителна мрежа изцяло с оптични кабелни, цифрови радиорелейни линии и преносни системи от синхронната  цифрова  йерархия  (SDH).

Оптичните   методи   за   пренасяне  на   информация  са  били използувани широко от древността, но едва в края на двадесети век  когато човечеството навлезе в т.нар. ”ера на информационните технологии”, далекосъобщенията отново се връщат към  използуването на оптичния обхват за предаване на импулсни  сигнали по кварцови оптични влакна.

Предимствата на оптичните линии  са, че оптичният  сигнал  се разпространява по световодна система с минимални загуби и осигурява висок информационен капацитет на съобщителния  канал. Икономията на цветни метали, високата шумозащитеност, устойчивостта към външни влияния, малките размери и накрая  дискретността на  предаваната  информация  в близка  перспектива създават възможности за принципно качествени изменения в  изграждането на преносните  съобщителни системи.

Съгласно предмета на дипломната работа, а именно “ Активни  оптични  компоненти”, по-надолу се разглеждат видовете активни оптични компоненти, техните характеристики и параметри, като съставна част на  оптични предаватели и оптични приемници.

Актуалността на настоящата дипломна работа се състои в това, че в нея са разгледани и решени въпроси, важни от гледна точка на развитието на съвременните съобщителни системи.

1. Структурна схема на оптична съобщителна система.

В оптичните предавателни системи се използват принципно  същите методи на  преобразуване на  многоканалните връзки, както и в обикновените предавателни системи и електрически кабели. Използуват се честотни и временни методи за разделяне на  каналите. Като правило електрическият сигнал, създаван по честотен или временен метод, модулира оптичната  носеща честота и в модулиран вид светлинният сигнал се предава по оптичния кабел.

Във влакнесто оптичните системи най-разпространена е цифровата система с временно разделение на каналите и импулсно-кодова модулация ( ИКМ ).Връзката се осъществява по две оптични влакна,всяко от които е предназначено за предаване на информация в едната посока.

В оптичните съобщителни системи се използуват цифрови предавателни системи с  ИКМ  със скорост  на предаване  2, 8, 34, -140 (155) и 565 (622) Мbis/s, т.е. уплътняване с 30, 120, 480, 1920, 7680 канала./2/

Основни елементи  на оптичната съобщителна система са оптичният кабел, оптичният предавател в началото и оптичният приемник в края на системата.

Предавателят изпълнява роля и на преобразувател на електрическия  сигнал  в оптичен, а приемникът осигурява  обратно преобразуване на оптичния сигнал в електрически.

Структурна схема на оптична съобщителна система с ИКМ е показана на фиг. 1.

 

 

 

Фиг. 1. Структурна схема на  влакнесто – оптична  линия с ИКМ

В качеството на оптичен предавател се използува  полупроводников лазер (ПЛ) или светоизлъчващ диод (СД), а в  качеството на оптичен приемник – фотодиод (ФД).Освен това за преобразуване  на  кода и съгласуване на елементите на схемата се използува  преобразуватели на кода (ПК) и съгласуващи устройства (СУ). Преобразувателят на кода формира необходимата  последователност на импулсите и осъществява съгласуване на нивото по мощност  между  електрическите ИКМ и оптичните (ПЛ, СД, ФД) елементи на схемата, тъй  като на изхода на  ИКМ  нивото е високо, а за СД е необходимо ниско ниво. Приемните и предавателни съгласуващи устройства формират и съгласуват диаграмите на насоченост и апертурата между приемно – предавателните  устройства и оптичния  кабел.      

Предаваният сигнал от  ИКМ след преобразувателя на кода ПК постъпва в електрооптичния  преобразувател  ЕОП. Тук ИКМ сигналът модулира  оптичната  носеща  честота, създавана от ПЛ или  СД и след предаващото съгласуващо устройство СУ постъпва в оптичния кабел.

В приемният край оптичния сигнал след приемното съгласуващо устройство СУ постъпва във фотодиода на оптоелектрическия преобразувател ОЕП. Там  той  се  преобразува  в електрически  сигнал и след преобразувателя  на  кода  ПК  постъпва в приемника на ИКМ.

По този начин в предаващата страна от  ИКМ до  ЕОП , както и в приемната страна от ОЕП  до  ИКМ действуват електрически сигнали, а от ЕОП  до ОЕП по оптичния кабел преминават светлинни сигнали.

В  реални  условия  се  оказва  целесъобразно и  практично всички  елементи  на  оптичния  предавател, както и на оптичния  приемник, да се изготвят във вид на  компактно устройство  квантово - електронен модул КЕМ. Такъв модул включва в себе си  ЕОП  на предаване или приемане, преобразувател на кода (кодер или декодер) и съгласуващо устройство. Този модул има размерите на кибритена кутия и позволява да  се  включи  от  едната  страна непосредствено към апаратурата за ИКМ, а от друга към оптичния кабел.    

2. Активни оптични компоненти.      

Като  активни  оптични  компоненти  се  разглеждат оптичните излъчватели и преобразувателите на оптично лъчение в ток, наричани още фотодетектори. Схематичното изобразяване на тези компоненти  е показано  на  фиг. 2.(а) и (б) .

Оптичните излъчватели са електро - оптични преобразуватели, защото тяхната входна величина е електрически ток, а изходната мощност на оптично лъчение. Фотодетекторите са опто - електронни преобразуватели, тъй  като  при  тях входната величина е мощност на оптично лъчение, а изходната електрически ток.

 

 

 

Фиг. 2. Активни оптични преобразуватели

На фиг. 2. (в) са показани схематично физичните явления, които лежат в основата  на активните оптични компоненти.

2.1. Електронно – оптични преобразуватели.

Както знаем оптичното лъчение има електромагнитен характер, т.е. представлява електромагнитни вълни. В оптичните системи оптичните лъчи, които пренасят информация, се генерират от електронно - оптични преобразуватели, които най-често са оптични  полупроводникови излъчващи прибори. Това са светодиоди LED (Light emiting diodes) и лазерни диоди LD ( Laser diodes). Наименованието светодиод  произтича  от  приложението  на  термина светлина  в по-широк смисъл на думата т.е. когато този термин обхваща видимата светлина и инфрачервената (също и ултравиолетовата) области на спектъра. Името лазер  произхожда от първите букви  на  light  amplitication   by stimulated  emission  of  ratiation, усилване на светлината при стимулирано  излъчване. Малките  размери на тези  прибори са сравними с размерите на влакната. Твърдотелната им структура и малката консумация на  електрическа мощност пък ги правят подходящи за  вграждане  в  електрониката  на предавателите.

Най-важните характеристики на един електронно - оптичен преобразувател са: дължина на вълната на излъчените електромагнитни вълни l ширината на спектъра Dl; изходната  мощност Р; коефициента на преобразуване; пространствените характеристики на излъчването; оптичният интерфейс; надеждността; масата и размерите; цената.

Коефициентът на преобразуване на един електро-оптичен преобразувател се определя  като отношението на излъчената оптична мощност  към електрическия ток, който я поражда: /3/


 

където:

nq - броят на излъчените фотони,

h - константа на Планк (h = 6,626.10¯ ³¹ J.s),

f - честота на фотона,

ne - броят на електроните;

e - елементарният електрически товар - зарядът на електрона 1,6.10 кулона;                                            

h - коефициент, който показва каква част от токоносителите рекомбинират излъчвателно, нарича се квантов добив.

Зависимостта  на  излъчената  оптична  мощност се  нарича ват-амперна характеристика.        

Светодиодите  представляват полупроводникови PN преходи  които  излъчват фотони, когато през тях  протича  ток в права посока. Символичното изобразяване  в  принципните схеми е показано на фиг. 3.

 

 

 

                Фиг. 3. Символично изобразяване на електро-оптичен преобразувател и енергийни нива в полупроводников преход

Оптичната мощност, генерирана от светодиода е приблизително линейно пропорционална на тока.

Разликата между енергиите  на зоната на проводимостта и валентната зона се отбелязва като Wg  и се нарича ширина на забранената зона, като се измерва в eV.

Спонтанна  емисия  се  нарича излъчването на фотон при преминаването на електрон от по-външна на по-вътрешна орбита.

Стимулирана емисия се нарича излъчването на фотон при преминаването на  електрон от по-външна на по-вътрешна орбита, предизвикано от фотон. Стимулираният фотон се излъчва  във фаза със стимулиращият, който продължава да  се разпространява във веществото.

Според зонната теория двете разрешени зони (за електрони - горната и за дупки - долната) са разделени от забранената зона Wg  фиг. 3 (б). При рекомбинация на електрон и дупка се освобождава енергия. При положително преднапрежение потенциалната бариера U намалява  и  вероятността  за рекомбинация силно нараства.

Материалите от които са изградени полупроводниковите прибори са дву-, три- и четирикомпонентни. Работната  дължина на вълната се получава чрез изменение на пропорциите на атомите, от които са изградени слоевете на преходите.

Под централна дължина на вълната се разбира тази  дължина, за която излъчената мощност е максимална. Обикновено производителите посочват централната дължина на вълната заедно с производствения толеранс, като l = 830 ± 20 nm./3/.

Въпросите, отнасящи се до изходната мощност на излъчвателите и пространствените  характеристики на  излъчване се разглеждат паралелно, тъй като са взаимно свързани.

Ламбертов  източник  се  нарича  такъв  излъчвател, който има  равномерна излъчваща повърхност и емитира фотони по косинусов закон спрямо централната ос.

Ако  предположим, че  излъчващата  повърхност  е с малък диаметър в сравнение с разстоянието, означено с а на фиг. 4, на което се измерва оптичната мощност и с q отбележим, ъгълът който сключва да ден лъч с оста на главната  посока на излъчване (перпендикулярна на излъчващата повърхност), то плътността на мощността, наричана още облъченост можем  да  изразим  по следния начин:

 

М (q)  =  Мо . cosq  ,  W/m²

 

където:  Мо – плътност в главната посока на излъчване

 

 

Фиг. 4. Ламбертов източник

Интензитета на излъчване се дефинира чрез мощността на лъчението, съдържаща се в единица пространствен ъгъл:

I (q) = Io.cos q, W/sr

 

а яркостта се дефинира като

 

 

 

 

Общата мощност излъчена от Ламбертовия източник  фиг. 5:

 

 

Фиг.5. Пространствена характеристика на излъчване на Ламбертов източник

 

може да се определи чрез:

P = π.a2.M0 ,  W

При  използуването  на  излъчващите  прибори  във  влакнесто оптичните системи за връзка, важен параметър се явява коефициентът на  въвеждане, т.е. каква част от излъчената оптична мощност се въвежда  в оптичния вълновод под ъгли по-малки от критичния така, че въведените лъчи  да се поддържат и енергията да се предава с минимални загуби. Този коефициент е сравнително малък при едномодовите оптични вълноводи и е по-голям при високоапертурните многомодови вълноводи. Освен характеристиките на влакната е очевидно и влиянието на пространствената характеристика  на  излъчващия  елемент. Понякога този коефициент (когато се изразява в db) се нарича загуби при въвеждане.

Една опростена  зависимост за изчисляване на  въведената във влакното мощност за малки стойности на числената апертура, може да се представи чрез:

 

P = L.A.W = L.A.p.(NA)²

 

където:  L – яркостта на източника,

              А – излъчваща площ на светодиода     

При челно съединение  на  светодиода с  влакното няма смисъл да се прави излъчващата област по-голяма от площта на сърцевината на влакното, защото оптичното  лъчение ще се въвежда и в обвивката,  което  води до увеличаване на  загубите при въвеждане.

Гореизложеното се отнася за хомопреход, но в  действителност се използува хетеропреходи, които се образуват  от много  Р или  N  слоеве полупроводникови  материали. Причините за това са, че при хомопреходите токоносителите съществуват и рекомкомбинират  в сравнително  голямо пространство и родените фотони  имат  разнообразни  посоки. Чрез използуването на  хетеропреходите може да се уеднаквят  потенциалните бариери за електроните и дупките. Рекомбинацията се извършва в т.нар. активен слой, който има коефициент на пречупване по-висок отколкото на материалите и от двете му страни. По този начин се  формира вълновод. Ограничената зона на излъчване подобрява въвеждането на оптична мощност, особено във влакна с малки размери./4/

Излъчването от своя страна може да бъде от  повърхността или от страни - фиг. 6 и фиг. 7.

 

 

Фиг. 6. . Светодиод тип Burrus

 

 

 

Фиг. 7. Светодиод със странично излъчване

 

Числената  апертура  значително  намалява мощността, въведена и разпространяваща се във влакното. Обикновено светодиодите работят с ток 50 до 100 mA и напрежение 1,2 до 1,8 V. /3/

Важен параметър на излъчващите прибори е бързодействието.

Времето на  нарастване се Tr се дефинира като времето, за  което оптичната мощност нараства от 10%  до 90% от установената стойност т.е. от ниво 0,1 до ниво 0,9. Типични времена на нарастване на светодиодите са от няколко до стотици ns./3/

Лазерните  диоди  имат  конструкция  подобна  на  тази на светодиодите. Те обикновено са странично излъчващи и с двойна  хетероструктура .  фиг. 8.

 

 

                                                                                                                

                                                                                                                 Фиг. 8 Лазер с двойна хетероструктура

При  малки  токове лазерните доиди  работят като обикновени светодиоди. При значително увеличаване на инжекцията започва  стимулирано излъчване. То се наблюдава над определено ниво, наричано прагово.

Когато токът  в  права  посока  надвиши праговия, в активния слой на лазерния диод се получава инверсна населеност на токоносители, което се нарича “напомпване”. Това състояние се постига  с висока  плътност на  тока, за  което пък са  необходими малки размери на електрическите контакти на полупроводниковата структура. Усилването при стимулираното излъчване е пропорционално  на  плътността на тока.

Лазерните  диоди  могат да се разделят  според  начина на работа на импулсни и с постоянно  действие ( CW  type ). Според конструкцията се делят на тип Фабри - Перо (FP)  и  лазери с разпределена  обратна връзка (DFB).        

Първите  се  наричат  и  лазери с много  надлъжни модове (MLM), а вторите лазери с един надлъжен мод (SLM).

Импулсните лазерни диоди се характеризират с висока изходна мощност и могат да работят само в импулсен режим. Използуват се например в оптичните рефлектометри. При  тях преходът се образува от хетероструктура. Типични параметри на импулсните лазерни диоди са: /4/

-         изходна мощност                                                               3 W;

-         прагов ток                                                                        2- 5 А;

-         импулсен ток                                                                   5-10 А;

-         прагово напрежение                                                         1,8  V;

-         импулсно напрежение                                                       10  V;

-         максимална продължителност на импулса                 200  ns;

-         максимален коефициент на запълване             0,01-0,1  %;

-         време на нарастване                                                           1  ns;

-         ширина на спектъра                                                 5-10 nm;

При тези лазери  двете странични  повърхности са шлифовани по начин, че да получат полуотражателни свойства. Така получените фотони напускат диода, но се връщат  други. Те могат да възбудят неутрални атоми и да предизвикат изместване на орбитата на електрон (на по-високо ниво).

Две успоредни огледала образуват резонансна кутия с много резонансни честоти. Това е т.нар. лазерен резонатор или резонатор на Фабри-Перо.

Коефициентът на отражение на предната и задната повърхност на  диода е от порядъка на 32%, което предизвиква достатъчно силна оптична обратна връзка. Типична дължина на  резонансната  кутия е около 100 mm, а височината – 2 mm. Поради големите размери на излъчващата повърхност загубите при въвеждане са значителни. Поради същата причина и броят  на надлъжните и напречните моди е голям  и ширината на спектъра е по-голяма  в сравнение с ширината на спектъра за SLM лазерите./3/

За  намаляване  на праговия  ток и получаване на възможност за работа в непрекъснат режим се използуват двойни  хетероструктури, при които активният слой се получава с малки размери например 5-10 mm широчина и 0,1-0,2 mm височина./3/


Разходимостта  на  лъчите при  такива размери  е различна в хоризонталната и вертикалните равнини. За моделиране на такова излъчване разпределението на плътността на мощността по ъгли се представя със следната зависимост:

С  увеличаването на  m  пространствената  характеристика става много по-насочена - фиг.9. Типични стойности на ъглите на разходимост са 35 във вертикална посока (0,2 mm) и 10° в хоризонтална (7 mm)./3/

 

 

 

Фиг. 9. Насоченост на характеристиката на излъчване

За постигане на едномодово излъчване, което има редица предимства при разширяване на честотната  лента на оптичните предаващи  устройства  и  на оптичните  системи за предаване на  информация като цяло,се използуват т.нар. лазери с ивична структура, наричани още лазери с  разпределена обратна връзка – DFB  лазери. Наричат  се още лазери с вълноводни свойства.

Насочването на вълните в активния  слой се постига с по-малък коефициент на пречупване на този слой  в сравнение с коефициента на пречупване  на  съседните слоеве. Отличителна особеност на този тип лазерни  диоди е периодичното изменение на коефициента  на пречупване в активната  зона по дължина на резонансната  област, при  което се образуват многократни отражения. При това последните потискат модите, които не съвпадът с периодичността  на  решетката и се достига до едномодов режим. Тъй като отраженията тук са разпределени  се  прилагат противоотражателни покрития за да се избегне конкуренцията  между  основния мод и тези моди,които биха се получили благодарение на резонатора на Фабри-Перо.

Типичните характеристики на CW лазерни диоди са:

- изходна мощност                                                  10 mW;

- импулсна мощност при продължителност на импулса 100  ns                                            500 mW;

- прагов ток                                                                30 mA;

- коефициент на преобразуване                     200 m W/mA;

- прагово напрежение                                                 1,8  V;

- динамично съпротивление                                          3 W;

- честотна лента                                                          1 GHz ;

Светодиодите и особено лазерните диоди се  характеризират с максимално допустима изходна оптична мощност Pmax. Превишаването и води до повреда  на  излъчвателя. Тази мощност  се дефинира за постоянно токов (CW) режим. При импулсен режим обикновено е по-висока и зависи от продължителността на импулсите и коефициента на запълване. С увеличаване на температурата тази мощност намалява.

За  стабилизиране  на  характеристиката  на преобразуване лазерните диоди често се стабилизират температурно чрез охлаждащи елементи.

При лазерните диоди се наблюдават няколко вида шум.

Шум поради модово преобразуване се наблюдава при многомодовите лазерни  диоди, поради  едновременно съществуване на няколко мода, които си взаимодействуват (интерферират) и се стига  до изменения  в спектъра  във  времето. Това  води до изменения  в сигнала  в приемната страна  поради свойствата на влакната  да  пренасят по различен  начин  сигналите и различни дължини на вълната (хроматична дисперсия).

Друг ефект, поради който нараства шумът на лазерните диоди е оптичната обратна връзка. Тя се предизвиква от  отражения, получени от началото на влакното и оптичните съединители.

При многомодовите влакна се наблюдава и т.нар.”петнист шум”, Получаващ се при интерференцията на различните модиподдържани от влакното.

За повишаване на бързодействието обикновено през лазерните диоди се пуска предток, който е близък до праговия. Така при лазерните диоди, работещи с импулсно модулиране на сигнала, отношението между мощността, която съответствува на предаване на “1”  към  мощността, съответстваща на предаване на “0”, се ограничава и това отношение се нарича отношение на потискане.

Под оптичен интерфейс се разбира свързването на електронно - оптичния преобразувател с оптичното влакно (кабел). Производителите  предлагат излъчватели, монтирани директно в стандартни оптични съединители или излъчватели  с  пигтейли на края на които се монтира предпочитан тип съединител.

2.2. Опто – електронни преобразуватели.

Опто - електронни преобразуватели се наричат тези прибори, които под въздействието на оптично лъчение генерират електрически ток.

Интерес  в  случая  представляват тези, които се използуват във влакнесто оптичните системи и в измервателните уреди, с които се  определят параметрите на отделните компоненти влизащи в  състава им. Това са полупроводникови диоди, наричани още фотодиоди. Фототранзисторите  не  се използуват в оптичните комуникационни  системи, тъй  като по бързодействие и собствен шум отстъпват на диодите. Най-важните характеристики на фотодиодите са:

-         предавателна характеристика Ip = k (l).P ;

-         тъмнови ток ;

-         собствени шумове ;      

-         бързодействие ;

-         оптичен интерфейс (вид влакно, тип оптичен съединител)

Физичната  основа на  преобразуването е генерирането на двойка токоносители (електрон - дупка),при поглъщането на фотони.

Основните материали за направата на фотодетекторите са: силиций, германий и галиев  арсенид с добовки  на  In, P и други.

Конструкцията на тези полупроводникови елементи е показана на фиг.10.

 

 

Фиг. 10. Конструкция на PIN фотодиод

Важно отличие е наличието на обеднена зона (наричана I слой), откъдето и наименованието  PIN диоди. Тази зона се намира между високолегираните (т.е. добре провеждащи) P и N зони. Широката  I  зона увеличава  вероятността за генериране на токоносители и оттам се повишава коефициента на преобразуване.

Квантовата ефективност на фотодиода се нарича  отношението на  генерираните чифтове електрон /дупка, достигнали до електродите и протекли през външната верига към броя на постъпилите фотони. Квантовата ефективност  зависи от дължината на вълната, материала  на фотодетектора и ъгъла на падане на  фотоните.

където:

ne - броят на генерираните чифтове токоносители,

np - броят на постъпилите фотони.

Произведението на броя на електроните, генерирани за единица  време, по електрическия  товар на един електрон дава т.нар. фототок Ip,произвеждан от преобразувателя.

Произведението  на  броя  на  фотоните  за  единица време по енергията на един фотон дава мощността на постъпващото оптично лъчение.

Така  коефициента  на  преобразуване  К може да се изрази като:


 

където:

е - елементарния електричен товар 1,6.10   С,

h  - константа на Планк 6,63.10   Ws,

с  - скорост на електромагнитните вълни във вакуум

2,998.10   m/s

Спектрална зависимост на коефициента на  преобразуване от дължината на вълната е показана на фиг.11.

 

 

 

Фиг. 11. Спектрална зависимост на коефициента на преобразуване

Както се вижда силициевите фотодиоди  са  подходящи  за първи прозорец (електронен обхват около 850 nm), а германиевите и  диодите с  InGaAs  -  за  II  и  III  прозорец  ( т.е. около 1310 nm и 1550 nm).  /3/

Широко приложение намират и т.нар. лавинни фотодиоди APD. По конструкция те приличат на обикновените диоди, но работят с високо обратно преднапрежение, което е близко до напрежението на пробив. То създава силно напрегнато електрическо поле, което ускорява в значителна степен генерираните от фотоните токоносители. Придобилите  висока  кинетична енергия  електрони при сблъсък с електрони от валентната  зона им отдават  енергия, която е  достатъчна  да ги прехвърли в  зоната  на проводимостта.

Новоосвободените електрони от своя страна също се ускоряват до степен, за да предизвикат ударна  йонизация и тъй  като този процес е лавинообразен, това  дава  името на тези полупроводникови прибори.

При лавинните фотодиоди един фотон създава много електрони и затова се казва, че те притежават вътрешно усилване. Коефициентът на  вътрешно  усилване  М е  важен параметър на тези прибори, като последният е в силна зависимост от температурата.

При фотодетекторите се наблюдава генериране на токоносители не само под въздействието на фотони, но и под  въздействие на топлинното движение, които формират т.нар. тъмнови ток (ток на тъмно).Този ток при лавинните фотодиоди може да се разглежда като сума от два тока, обемен и повърхностен.

Шумовете, присъщи на  фотодетекторите  и ограничаващи минималната мощност, която може да бъде детектирана с определена  достоверност имат т.нар. дробов  характер. Физичната  основа на този шум е статистическият характер на оптичното лъчение (поток  от  дискретни фотони) и на електрическия ток – поток от електрони.

Дробовият шум се описва по следния начин:



където  В  е  честотната лента, в която работи фотодетектора. Предполага се, че спектралното разпределение на този шум е до безкрайност и е равномерно, т.е. така наречения “бял шум”. Общият шум се изразява като:

като тук  Ip е фототокът и по този начин се отчита и влиянието на квантовия шум.

Квантов шум се нарича флуктоацията  на броя фотони около някаква  средна стойност, определена за единица време.

Изходните характеристики на един фотодиод, показани  на фиг. 12, показват  възможни  два  режима  на  работа, токов (който обикновено  се  използува  в оптичните  системи за пренасяне на информация) – товарна права  2 и  режим на напрежение – товарна права 1.

                      

 

 

Фиг. 12. Волт-амперни характеристики

При втория режим преднапрежението е нула и товарният резистор (в случая от илюстрацията) е свързан паралелно на фотодиода. Волт-амперната характеристика на фотодиода може да се запише като напрежение във функция от тока:


Където:

I е токът, предизвикан от преднапрежението U

Ip - фототокът породен от оптичното лъчение

k - Болцмановата константа 1.38.10¯²³ Ws/K

е – електрическия товар на електрона 1,6.10¯¹ºС

Т – абсолютна температура в градуси Келвин.

 

Токът изразен като функция на напрежението:

 


При обикновените диоди вместо  Id  се използува Io, който се нарича обратен ток на насищане.

Бързодействието е характеристика, идентична с честотната лента на  всяко  електронно  устройство. Типични честотни ленти, които могат да се постигнат с  PIN  и  APD са 5 и 1 GHz, които отговарят  на  пикосекундни  времена  на  нарастване  и капацитети под  1 pF.

От  практична  гледна точка е важен въпросът за оптичния интерфейс т.е. подвеждането на оптичното лъчение към  фотодиода. Обикновено производителите предлагат фотодетекторите  в корпус, подходящ за директно монтиране в утвърдените вече типове съединители като FC/PC, ST, E2000 и др. В някои случаи комбинацията оптичен съединител – фотодиод включва оптична система (например лещи), предназначена да намали обратните отражения или да извърши определено оптично филтриране, или да намали загубите при насочването на оптичното лъчение към  активната  поглъщаща  повърхност  на  фотодиода. Практикува се и директно съединяване на пигтейл към фотодиода, на другият край на който е монтиран оптичен съединител./5/

В  оптичните  комуникационни  системи  фотодетекторите се  използват в оптични приемни устройства в края на оптичната линия. Те обикновено  имат малка чувствителна площ  и работят с високи отрицателни преднапрежения за постигане на възможно максимални скорости на предаване на данните. Когато фотодетекторите се използват в измерителни оптични приемни устройства (измерители на оптична мощност) на преден план излиза изискването  за  нисък  собствен шум и обхващането на целия сноп оптично лъчение. Затова  те са с по-голяма чувствителна площ и работят с нулево преднапрежение, за да се намали влиянието на тъмновия ток Бързодействието в такива случаи не е толкова важно, защото  обикновено  се  измерва  усреднената  оптична  мощност.

При  тях е необходимо  добре да се познава спектралната зависимост на  коефициента на преобразуване. За целта тя се предоставя от производителя за всеки конкретен фотодиод.

3. Активните оптични компоненти като съставна част на оптични предаватели и оптични приемници.

Оптичните  предаватели и приемници се намират в началото и края на една оптична  линия за предаване на информация, а  също така  влизат в състава  на  измерителните уреди, които се използват за измерване на параметрите на такива оптични линии. На  фиг. 13. е  показана  блоковата  схема  на оптичен предавател и оптичен приемник.

 

 

Фиг. 13. Блокови схеми на оптичен предавател и оптичен приемник

С e/о и о/е са означени електро - оптичните и опто - електронните преобразуватели. Електронните блокове означени с  u/i и i/u служат за подготовка на сигнала съобразно  характеристиките на излъчващия елемент в предаващата страна и предварително усилване и преобразуване съответстващо на параметрите на следващите звена, в приемната страна. Тук се включват и функции за стабилизиране на изходните  величини на предавателя (стабилизиране или линеаризиране на изходната оптична мощност) и постигане  на независимост  на  параметрите  на  приемника като цяло от влияние на захранващи напрежения, температура, изменения на входната оптична мощност и др. в приемната страна.

По-важни характеристики на оптичното предаващо устройство са:

а) Параметри на входния електрически сигнал:

-         динамичен обхват;

-         честотна лента;

-         максимален входен сигнал (отговарящ на Pmax на излъчващия елемент);

-         входно съпротивление;

-         амплитуда  и  продължителност  на  импулсите (при цифрово предаване на линии).

б) Параметри на изходния оптичен сигнал:

-         оптична изходна мощност, загуби при въвеждане;

-         време на нарастване;

-         коефициента на потискане;

-         оптичен интерфейс.            

в) Коефициент на преобразуване;

г) Влияние на захранващите напрежения и температурата;

д) Консумация;

е) Изисквания за околната среда.

Най-елементарният преобразувател u ® i се явява резисторът. За да се осигури линейност на преобразуването е необходимо той да бъде значително по-голям от постояннотоковото  и динамичното съпротивление на излъчващия елемент. Като се има предвид, че  напрежението  в  права  посока  на  LED  и   LD  е обикновено в границите на 2…5 V,а токът е от порядъка на 100 ..150 mA то за  R  се получава няколкостотин ома, а необходимото напрежение –20…50 V. Очевидно че коефициента на полезно действие на такъв преобразувател ще бъде твърде нисък. /3/

Много добра линейност на преобразуване се получава при използуването  на  операционни усилватели, но сравнително ниската им честотна  лента  ги прави подходящи оптични предаващи устройства със сравнително ниско бързодействие.

В оптичните предаващи устройства най-често за преобразуването на напрежение в ток се използуват транзистори, като излъчващите  елементи се включват в колекторната верига, тъй като изходното съпротивление на транзисторите е достатъчно високо, а и бързодействието им е сравнимо с това  на  излъчвателите - фиг. 14. Ако се включи допълнително резистор, последният ще повиши  бързодействието  осигурявайки  малък  предток, но по този начин ще се намали коефициента на потискане.

 

 

 

Фиг. 14. Използуване на транзистор за преобразуване на напрежение в ток

Сравнително високите токове през излъчващите елементи предизвикват проблеми по филтриранета на захранващите вериги, които трябва  да бъдат  добре заземени по променлив ток както за мощни токови импулси (големи по стойност “развързващи” кондензатори)  така и по отношение на  високочестотните състоящи в сигнала  на  малки  кондензатори   с много ниски индуктивости в изводите).

Известно облекчаване на проблема се постига с използуването  на токови ключове, изградени чрез диференциално стъпало. При практическа реализация на такова изходно стъпало опроводяването на  платката се извършва така, че разделянето на тока да  бъде  минимално т.е. колекторът на отклоняващия транзистор се разполага максимално близо до анода на излъчвателя.

За  намаляване влиянието на температурата и захранващите  напрежения, а също така и за линеаризация на предавателната характеристика в оптичните предаватели често се използва оптична отрицателна  обратна връзка фиг. 15.

 

 

Фиг. 15. Оптична отрицателна обратна връзка

Част от оптичното лъчение се подава на местен фотодетектор като по този начин се получава  сигнал, пропорционален на  действително излъчената  оптична мощност. Трябва да се отбележи, че линеаризацияа на преобразуването може да се постигне само в ограничен честотен обхват, поради неизбежното закъснение във веригата за обратна връзка, поради което от  дадена  честота  нагоре обратната  връзка от отрицателна започва да става положителна.

Когато в електрическата част на веригата за оптична отрицателна обратна връзка се включи осредняващо звено (интегрираща верига), става  възможно  поддържането на постоянна  средна мощност, излъчвана от оптичния предавател. Обикновено в оптичните линии се използуват кодове, които осигуряват среден коефициент на запълване 0,5, това са т.нар. кодове с връщане към нулата. В такъв  случай  такова  схемно  решение стабилизира и изходната амплитуда. Не трябва да се забравя, че тази стабилизация действува  с известно закъснение, през което е възможно да се превиши максимално допустимата изходна мощност Pmax.

За предотвратяване превишаването на изходната мощност над  пределно  допустимата  във  веригата  за  обратна  връзка  се включва върхов детектор. Такъв детекор се характеризира с малка ремеконстанта на зареждане и сравнително голяма на разреждане. По този начин целият предавател реагира достатъчно бързо на повишаване на изходната оптична мощност.

Както  знаем за стабилизиране дължината на вълната е необходима  стабилизация  на работната  температура, което става с помощта на Пелтие елемент. За управление на тока през този елемент е необходим датчик за температура. Обикновено в конструкцията на лазерния  модул се включва термистор, като температурния му коефициент е от порядъка  - 3 %/ °C Последните са с миниатюрни размери и затова токът, пропускан през тях с цел измерване на температурата, трябва да е достатъчно слаб за да не предизвика саморазгряване на термочувствителния елемент.

Лазерните диоди излъчват в  две посоки, като само едната от тях е свързана оптически с изхода на предавателя и оптичното влакно. Често  в  модула  на  електрооптичния  преобразувател се монтира  мониторен  фотодиод, който се  използува за оптичните обратни връзки.

По-важните характеристики на едно оптично приемно устройство са:

а) Параметри на входния оптичен сигнал:

-         оптичен интерфейс

-         динамичен обхват, максимален входен сигнал (важен параметър при къси линии)

-         честотна лента (скорост на предаване)

-         амплитуда и продължителност на импулсите (при цифрово предаване на данни).

б) Параметри на изходния електрически сигнал

-         динамичен обхват;

-         време на нарастване.

в) Коефициент на преобразуване:

-         чувствителност;

-         NEP.

г) Влияние на захранващите напрежения и температурата.

д) Консумация.

е) Изисквания за околната среда.

 Могат  да  се  дефинират  три  характерни  входни оптични мощности за всяко оптично приемно устройство.

При  липса  на входен оптичен сигнал на изхода на оптичния  приемник съществува  сигнал, дължащ се на различни източници на шум, който съответствува (чрез коефициента на преобразуване ) на  някаква фиктивна оптична мощност  Pn. Освен досега  разгледаните източници на шум, като шумове в електро - оптични те преобразуватели, квантов шум и шум  поради  тъмновите  токове при опто - електронните преобразуватели, съществуват и шумове внасяни от електронните усилватели в оптичните приемници. Тази фиктивна шумова оптична мощност се нарича шумова (NEP) еквивалентна мощност. Последната при фотодетекторите се изразява като  мощност за единица  честотна  лента т.е.  с размерност W / ÖНz, тъй като честотната им лента по-широка от тази на усилвателите и предварително не е известно с какъв усилвател ще работят.

            Минимален  входен  сигнал (чувствителност) се  дефинира като най-малката оптична мощност, която оптичното приемно устройство е в състояние да приеме и преобразува  при зададени информационни загуби. За аналогов сигнал обикновено се определя чрез зададено отношение сигнал / шум  S/N.

Pmin = Pn.S/N,

 

За цифров сигнал минималната  входна  оптична мощност се определя чрез вероятността за грешка BER.В състава на оптичното приемно устройство има компаратор, прагът на който обикновено е поставен на половината на мощността с която се предава състояние “1”.

При наличие на оптична мощност , към моментната стойност на шума се прибавя амплитудата S на сигнала.

В  реалните оптични приемници понякога  влиянието на квантовия шум не може да се пренебрегне ( например при ползуването на лавинни фотодиоди и усилватели със сравнително нисък собствен шум) ,то тогава праговото напрежение се избира по-малко от  0,5 S ,а необходимото отношение  S/N  се получава  по-голямо от 11,1 dB.

Трета характерна оптична мощност е  максималната  Pmax. Превишаването и води  до увеличаване на нелинейните изкривявания над допустимите, когато става въпрос за аналоговото предаване на информация, или до увеличаване на вероятността за грешка над допустимата норма в случая на цифрови системи. В каталозите често тази мощност е отбелязана  като maximum overload, тъй като тези процеси са свързани с ограничаване на сигнала поради насищане.

Отношението  Pmax/Pmin  изразява динамичният обхват на оптичния приемник.   

Честотната лента на оптичните  приемници  се дефинира по  класическите  правила. Минималната   fmin  и  максималната fmax гранични честоти, наричани още долна и горна, са тези честоти, при  които изходното напрежение става  0,7 пъти от максималното изходно напрежение.

Df  =  fmax  -  fmin ,  Hz

Честотните свойства на оптичния приемник могат да се изразяват и чрез собственото му време на нарастване, което представлява  времето, за достигане на изходното напрежение от ниво 0,1 до ниво 0,9 спрямо установената стойност  при  подаване на входен оптичен импулс с достатъчна продължителност за да се определи установената стойност и  фронт на нарастване, значително по-малък от собственото време на нарастване на приемника.

Най-елементарният преобразувател i ® u се явява пак резисторът. За да се осигури токов режим, е необходимо R®О, но в такъв случай и изходния сигнал клони към нула.

Комбинацията фотодетектор и товарен резистор (фиг. 15) представлява елементарен оптичен приемник. В нея освен  познатите до сега  източници на шум се появява нов, резисторът  R.

 

 

 

 

Фиг. 16. Верига фотодетектор с товарен резистор

Всеки резистор при определена температура произвежда термичен шум, като при увеличаване стойността на резистора се увеличава отношението сигнал шум, тъй като сигналът нараства пропорционално на  стойността на резистора, а термичния шум расте пропорционално на корен квадратен от тази стойност.

Такова  увеличение се ограничава  поради  две  причини.

Първата е, че когато падът на напрежението ip.R стане съизмерим с пренапрежението UR режимът от токов започва да се превръща в режим по напрежение, при което бързодействието силно намалява и се наблюдава амплитудна зависимост на  честотната характеристика. Втората причина е, че горната гранична честота  на  фотоприемника  спада  под стойности, необходими за приемане на сигнала със зададени скорости.

В  зависимост от схемните решения оптичните приемници се делят на три вида – нискоимпедансни, високоимпедансни и трансимпедансни. При оптичните  приемници от нискоимпедансен вид стойността на товарното съпротивление е такава, че горната гранична честота удовлетворява изискванията, а при високоимпедансните  fmax  е по-ниска от необходимата  и се налага включването на  честотно коригиращо звено в състава на  оптичния приемник.

При наличието на електронен усилвател към източниците на  шум  се  прибавят и транзисторите, като с най-голям  принос е първият, а следващите влияят по-слабо в зависимост от усилването, което имат първия, втория и т.н.

При биполярните транзистори се използуват еквивалентни генератори на шум : - Токов  генератор на  шум е дробов  шум дължащ се на преминаването на електрически ток през потенциална бариера. Най-значителен е шумът от входния (обикновено базов) ток на транзистора.

По-слабо влияние (поради усилването в колекторната верига)  има дробовия шум на колекторния ток. Той влияе допълнително чрез паразитната обратна връзка, осъществявана от неизбежно съществуващия капацитет база – колектор.

При  полевите  транзистори  еквивалентните  генератори на шум отразяват следните източници на шум: шум от  омичното съпротивление на канала, който също има допълнително влияние  чрез  паразитната  обратна  връзка  през капацитета дрейнгейн - дробов шум от входния ток.

Оптични  приемни  устройства от трансимпедансен  тип се наричат тези, при които усилвателят, свързан към  фотодетектора, е обхванат от  сто процентна  отрицателна обратна  връзка.

Благодарение на  нея  входното  съпротивление на  усилвателя е приблизително R / (1 - А) , където А е усилването без отрицателна  обратна  връзка - фиг. 17.

 

 

 

 

Фиг. 17. Трансимпедансен оптичен приемник

То е отрицателна величина, с което се отчита, че усилвателят е инвертиращ. Малкото входно съпротивление означава  работа в почти  токов  режим, при който  линейността на преобразуването е най-добра, като при това се запазва и постоянство на обратното преднапрежение.

Капацитетът образуван от собствения капацитет на фотодетектора  и входния капацитет на усилвателя, ограничават честотната лента на приемника. За да се намали  входния  капацитет на усилвателя, транзисторите които се използуват, трябва да имат минимални междуелектродни капацитети, освен  това трябва да бъдат и малошумящи. Такива са т.нар. СВЧ транзистори, които работят  в  микротоков  режим.  Една  значителна  част  от входния капацитет  се  получава  чрез  проходния  паразитен  капацитет   колектор - база  (или дрейн-гейт) ,  като  влиянието  му  е  толкова  по - голямо, колкото  е  по–високо  усилването  по  напрежение   в  първото  (входно)  стъпало  на  усилвателя.  За намаляване  на  това  влияние,  често се  използуват  втори  стъпала  с  малко  входно  съпротивление,  които  намаляват   усилването  по  напрежение,  но  не  влошават  усилването  на  предусилвателя,  защото  имат  добро  усилване  по  ток.

За  разширяване  на  динамичния  диапазон  на  оптичните приемници,  в  техния  състав  се  включват  вериги  за  автоматично регулиране  на  усилването.  При  оптичните  приемници,  в  които  се използуват  лавинни  фотодиоди  като  детектори  една   възможност в  това  отношение  предоставя  регулирането  на  работното  преднапрежение  в  зависимост  от  нивото  на  изходния  сигнал.

Коефициента  на  вътрешно  усилване  М  силно  зависи  от  обратното  напрежение  приложено  върху  лавинния  фотодиод.  Трябва  да  се  има  предвид,  че  при  много  малки  обратни  напрежения се  влошава  бързодействието  на  фотодетектора  и  поради  това  регулирането  на  усилването  чрез  използуване  свойствата  на  лавинните  фотодиоди  може  да  се  извърши  само  в  определени  граници.

Затова  се  налага  управлението  на  усилването  да  се  извършва  и на  други  места  във  веригата  на  оптичното  приемно  устройство, например  чрез  включване  на  управляеми  усилватели.

Методите  за  управление  на  усилването  могат  да  се  разделят  на  методи  използуващи  електронните  елементи,  като  електронно  управлявани  съпротивления  и  методи,  използуващи  изменението  на   усилването  при  промяна   на  работните  точки  на транзисторите.

4. Изчислителна част

По задание е необходимо да се оразмери и проектира основният възел на един оптичен предавател т.е. електронна схема на преобразувател на напрежение в ток с използването на транзистор и резистор. Електро - оптичният преобразувател е лазерен диод. Схемата се захранва с напрежение  Uзахр= 5V , при което трябва да осигури колекторен ток приблизително 140 mA ( това е тока и през електро - оптичният преобразувател).

Да се изчисли необходимото входно напрежение, съпротивлението на резистора и КПД на преобразувателя.

При практическата реализация на оптичните линии за предаване на информация основната цел е качеството на преобразуването. Това означава да се прилагат такива схемни решения, които в най-голяма степен гарантират точността на преобразуването на електрическият сигнал в оптичен и обратно, като при това се елиминира нелинейният характер на различните електронни компоненти, изграждащи системата. Поставените изисквания се решават като в схемите на  оптичните предаватели се използват различни пасивни и активни елементи за реализиране на източници на ток, които в най-голяма степен удовлетворяват поставените изисквания.

Идеалният източник на ток осигурява константен ток през “товара”, който не зависи от неговите статични и динамични характеристики и параметри. Известно е, че  лазерният диод има нелинейна “волт-амперна” характеристика (особено в началната област). В резултат на това неговото статично и динамично съпротивление е силно променливо. Това означава, че ако той не се захранва с константен по стойност ток стойността на излъчената оптична мощност ще се мени и при определени условия той няма да може да се използва.

Както беше отбелязано в предната глава най-простият преобразувател на напрежение в ток може да се реализира чрез свързването на високоомен резистор, последователно на лазерния диод. В този случай промяната на вътрешното съпротивление на диода, което е с много малка стойност няма да се отрази върху стойността на тока, която основно се определя от високоомния резистор. Влиянието ще бъде намалено толкова пъти, колкото е съотношението R / Rлаз.диод.

 Схемата притежава редица недостатъци, най-съществените от които са необходимостта от високо захранващо напрежение и много нисък коефициент на полезно действие (обратно пропорционален на съотношението R / Rлаз.диод.).

Недостатъците могат да се избегнат, ако вместо резистор с константна стойност на съпротивлението се използва транзистор, който с подходящо схемно решение променя вътрешното си съпротивление. По този начин всяка промяна на параметрите на диода (напр. от промяна на захранващото напрежение, на околната температура, или по други причини), които могат да доведат до промяна на работния ток ще бъде компенсирана и токът ще остане неизменен в предварително определени, допустими граници.

Освен това коефициентът на полезно действие ще бъде многократно по-голям, независимо че захранващото напрежение може да има стойности под 10 V. Влияние върху коефициента на полезно действие оказват и динамичните параметри на полупроводниковите прибори при работа в ключов режим при предаване на импулси. Това е особено силно изразено при увеличаване на работната честота и повишаване стръмността на фронтовете на импулсите.

Трябва да се прави разлика между статични и динамични параметри на транзисторите, тъй като в активен режим при преобразувателите напрежение - ток от значение е не само статичното вътрешно съпротивление, което е с малка стойност, а и т.н. диференциално. В опростен вид това е пояснено на фиг. 18.

 

 

 

 

фиг. 18. Примерни стойности на Rst и Rd определени чрез изходните

характеристики ( Ic= f(Uc ) на транзистора

В зависимост от постояннотоковия режим транзисторите имат сравнително ниско статично вътрешно съпротивление, което е равно на:

Rst = Ust / I st

Висока стойност може да има само диференциалното съпротивление:

Rd = dU / dI ≈∆U / ∆I

Именно тези особености се използват при създаването на различни преобразуватели.

Ще бъде разгледана конкретна принципна електронна схема на преобразувател напрежение - ток, в която регулиращият елемент е транзистор и ще бъде направен анализ на процесите и изводи за действието на схемата.

В основата на всички схемни решения е залегнал принципа на “стабилизатор на ток”, което означава, че тока през товара остава практически константен, при промяна на неговото съпротивление от R (определена крайна стойност) до R = 0 Ω (т.е. късо съединение).

Първият основен вариант е показан на фиг. 19. и е на базата на схема с общ емитер и отрицателна обратна връзка по ток. Отрицателната обратна връзка по ток е реализирана с прибавянето на резистор в емитерната верига на транзистора. Именно наличието на тази обратна връзка определя функциите и параметрите на схемата.

 

 

 

 

фиг. 19 Схема на преобразувател U / I с транзистор с общ емитер

и отрицателна обратна връзка по ток

 

Основните параметри на схемата, които са от значение за анализа в разглеждания случай са:

-          входно напрежение, Ua;

-          изходен ток, т.е. тока през лазерния диод, I = IVD;

-         пад на напрежението върху прехода база емитер, Ube ;

-         пад на напрежението върху емитерния резистор, Ue;

Входното напрежение се прилага на базата на транзистора и не трябва да надвишава захранващото +U”. В случай, че това не може да се изпълни е необходимо да се използва входен делител R1/ R2, както е показано на фигурата.

Изходният (колекторния) ток на транзистора е приблизително равен на емитерния. От фигурата се вижда че същият ток протича и през лазерния диод.

Падът на напрежението върху прехода база емитер – Ube зависи от типа на транзистора, като за маломощните силициеви транзистори е приблизително равен на Ube ≈ 0.6 V.

Зависимостите между отделните величини могат да се изведат от принципната схема.

IVD  ≈ IRe

IRe =Ue/Re

Ue = Ua – Ube = Ua  – 0.6 V

Като се вземат предвид тези зависимости за стойността на изходният ток изразен чрез входното напрежение Uа се получава израза:

  [A],

Вижда се, че във формулата не фигурират параметрите на товара. Това означава, че токът през веригата се определя само от отношението на входното напрежение, намалено с пада на напрежението на прехода база - емитер и емитерното съпротивление. Тъй като то е с константна стойност, от това следва, че токът през диода ще бъде правопропорционален само на входното напрежение т.е. ще се реализира преобразувател “напрежение - ток”.

За реализиране на принципната схема е необходимо да се изберат полупроводникови елементи с подходящи характеристики и параметри и да се оразмери емитерното съпротивление.

Лазерни диоди, подходящи за целите на дипломната работа са дадени в приложение 1. Желателно е параметрите да бъдат равни, или по-големи от посочените в дипломното задание, което ще гарантира сигурната и надеждна работа на преобразувателя

Избирам диод тип АТС-С100-35 /Приложение 1/ със следните основни технически данни и параметри:

1)      Изходна мощност       /max/                                                  100 mW

2)     Коефициент на преобразуване                                             1,1 mW/mA

3)     Работен ток      /max/                                                              210 mA

4)     Прагово напрежение                                                               1,7 V

Като се имат предвид същите съображения за сигурната и надеждна работа на преобразувателя избирам транзистор KF 508 /7/със следните основни технически данни и параметри:

1)     Изходна мощност        /max/                                                  800 mW

2)     Работен ток      /max/                                                              500 mA

3)     Работна честота        /max/                                                  120 MHz

4)      Коефициент на усилване по ток                                          > 90

5)     Допустимо напрежение UCbmax                                             70 V

За изчисляването на стойността на резистора е необходимо да се имат предвид граничните стойности на падовете на транзистора и на лазерния диод в отпушено състояние. Те трябва да се извадят от захранващото напрежение. От Л.6 и приложение 1 са приети съответните стойности:

Uce нас 50 mV,

Uпраг.VD =1,7 V

По дипломно задание стойностите на захранващото напрежение и на колекторния ток съответно равни на:

U = 5 V,

I = 140 mA,

и в този случай стойността на напрежението върху емитерното съпротивление не трябва да  бъде по-голяма от:

Ue=U - Uce нас - Uпраг.VD,        или

Ue= 5 - 0,05–1,7 = 3,25 [V]

В този случай  емитерното съпротивление ще бъде равно на:

Re = Ue / I = 3,25 / 0,14 = 23,21 Ω,

Избира се стандартна стойност  Re = 22 ,

Коефициентът на полезно действие на преобразувателя ще бъде равен на енергията консумирана от оптичния излъчвател /лазерния диод/ спрямо общата енергия консумирана от захранващия източник.

РLD = ULD . ILD= 1,7 . 0,14 = 0,238 W

Роб = Uзахр . Iзахр = 5 . 0,14 = 0,7 W

η = РLD / Роб = 0,238 / 0,7 = 0,34

С определянето на КПД, всички необходими параметри и стойности на компонентите на преобразувателя са избрани и изчислени.

Заключение

Предаването на огромното количество информация в световен мащаб изисква много високо качество и скорост. Всичко това налага използването на сигурни и надеждни технически решения, както при преобразуването, а така също и при преноса на сигналите, носители на информацията.

Това се постига най-вече с прилагането на нови технологии и с нова елементна база при изграждането на техническите съоръжения, използвани при пренасянето на информация.

В настоящата дипломна работа са разгледани част от най-съвременните и  модерни активни елементи на оптичната съобщителна техника, като са отбелязани съществените им предимства и недостатъци и на базата на това са посочени възможните области за приложение.

След подробен анализ на изискванията на дипломното задание е решен проблема за избор и оразмеряване на параметрите на електро - оптичен преобразувател, като са използвани най-съвременни електронни елементи.

Разработването на подобни устройства с висока надеждност се налага поради широкото им разпространение и прилагането им в различни области на телекомуникациите, включително и при обработка и запис на информация в цифров вид.Използвана литература

1.      “Телеком” –  сборници доклади, Варна

2.      Тодоров, К., „Преносни системи – съобщителни линии”, Техника, 1990 г.;

3.      Рабов, С., Л.,Христов, „Оптични комуникации”, Нови знания, 1999 г.;

4.      Лейси, Е., „Влакнеста оптика”, Техника, 1986 г.;

5.      Бюлетин серия – Далекосъобщения, 1997 г.;

6.      Шишков, А., „Полупроводникова техника”, Техника, 1981 г.;

7.      Шишков, А., „Транзистори и диоди – кратък справочник”, София, 2000 г.


Приложение

SD logo.gif (2472 bytes)

(Typical values for 790...820 nm @ +25C and 0,75 NA collection optics)

Laser Diodes –Технически данни

Model

CW Oper. Output Power

Differential Quantum Efficiency

Total Conversion Efficiency

Emitting Dimensions WxH

Threshold Current

Operating Current, typical

Operating Current,
no more than

Oper. Voltage

mW

mW/mA

%

um

mA

mA

mA

V

ATC-C50-35

50

1.1

25

35x1

100

160

190

1.7

ATC-C100-35

100

1.1

30

35x1

100

210

280

1.7

ATC-C200-35

200

1.1

35

35x1

100

320

440

1.8

ATC-C300-35

300

1.1

40

35x1

100

430

650

1.8

ATC-C500-35

500

1.1

45

35x1

100

650

900

1.8

ATC-C1000-100

1000

1.05

40

100x1

250

1300

1500

2.0

ATC-C1000-150

1000

1.05

40

150x1

400

1450

1890

2.0

ATC-C1200-150

1200

1.05

45

150x1

400

1650

2190

2.0

ATC-C2000-200

2000

1.0

40

200x1

500

2500

3000

2.0

ATC-C3000-500

3000

1.0

40

500x1

1100

4100

5000

2.0

ATC-C4000-500

4000

1.0

45

500x1

1100

5100

6200

2.0

 


Търси за: активни оптични компоненти | предаватели | приемници | диоди | ток | мощност | напрежение

Helpos.com >> Архив >> Електроника >> Тема преглед >> HTML преглед на файла
топ търсения

.

Copyright © 2002 - 2019 Helpos.com
Архив от реферати, курсови работи, дипломни работи, есета

counter counter ]]> eXTReMe Tracker