Фотоэлектрический преобразователь высокочастотного оптического сигнала

Полезная модель направлена на расширение частотных возможностей фотоприемника за счет использования их в области больших частот модуляции входных оптических импульсов. Фотоэлектрический преобразователь содержит фотоприемник, выходом подключенный к входу дифференцирующей цепи с возможностью получения на ее выходе формы электрического сигнала, совпадающей с формой оптического сигнала. 1 илл.

Полезная модель относится к области оптической связи и может быть использована при преобразовании оптического сигнала в электрический при передаче информации по оптическим каналам связи и считывании информации с оптических носителей.

На этапе преобразования оптического сигнала в электрический (например, в оптических системах связи, или при считывании информации с оптических носителей) могут возникнуть искажения из-за того, что инерционные параметры фотодетектора не соответствуют частоте оптического сигнала. С увеличением частоты модуляции входных оптических импульсов максимальное значение фототока уменьшается (http://librarv.tuit.uz/skanir_knigi/book/volokonno_optich_seti/volokonno_optich_seti_3.htm) и искажается его форма. Чтобы избежать искажений формы электрического сигнала по сравнению с оптическим, используют фотоприемники с малым временем отклика (_j<<1) (_J - времена жизни носителей заряда, определяющие постоянную времени фотоприемника; - частота следования световых сигналов). В этом случае световой импульс будет преобразовываться в переменный электрический с минимальными искажениями. Высокая скорость обязательна практически для всех устройств регистрации, обработки, передачи, хранения информации.

Среди факторов ограничивающих переход на более высокие частоты модуляции оптического сигнала является инерционность детекторов оптического излучения.

Известен высокочастотный оптоэлектронный усилитель, включающий секцию на двух биполярных транзисторах, охваченных глубокой отрицательной связью по току. Входное сопротивление секции низкоомно. Поэтому постоянная времени, определяющая длительность перезарядки емкости фотодиода невелика и верхняя граничная частота устройства сдвигается в диапазон 20 МГц (Ю.Р. Носов, А.С. Сидоров. Оптроны и их применение, М:, «Радио и связь», 1981, с.218-219, рис.5.12).

В известном устройстве не рассматриваются искажения, возникающие в самом фотоприемнике, а именно в случае выхода в область частот, превышающих верхнюю границу частотной характеристики фотоприемника, что ограничивает частотный диапазон использования фотоприемников.

Технический результат заключается в расширении частотных возможностей фотоприемников за счет использования их в области больших частот модуляции входных оптических импульсов.

Технический результат достигается тем, что фотоэлектрический преобразователь содержит фотоприемник, выходом подключенный к входу дифференцирующей цепи с возможностью получения на ее выходе формы электрического сигнала, совпадающей с формой оптического сигнала.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого фотоэлектрического преобразователя, содержащий фотоприемник 1, выходом подключенный к входу дифференцирующей цепи 2 с возможностью получения на ее выходе формы электрического сигнала, совпадающей с формой оптического сигнала.

Дифференцирующая цепь - устройство, предназначенное для дифференцирования по времени электрических сигналов. Выходная реакция дифференцирующей цепи u_вых(t) связана с входным воздействием u_вх (t) соотношением u_вых=₀du_вх/dt, где ₀ - постоянная величина, имеющая размерность времени [http://femto.com.ua/articles/part_1/1082-html].

Фотоэлектрический преобразователь работает следующим образом. Оптический высокочастотный сигнал 3 поступает на вход фотоприемника 1, на выходе которого имеем искаженный фотоэлектрический сигнал 4, который поступает на вход дифференцирующей цепи 2, на выходе которой получен сигнал 5, совпадающий с формой оптического высокочастотного сигнала 3.

Для обоснования работы устройства проведено исследование кинетики фотопроводимости при возбуждении полупроводника периодическими высокочастотными импульсами света (g=g₀ (·t), g - темп генерации носителей заряда). Полагаем, что осуществляется возбуждение зона-зона. Рассмотрен полупроводник с глубокими донорными и акцепторными центрами, концентрации которых соответственно равны N_j. На этих примесных центрах происходит рекомбинация носителей заряда. Заселенность донорных и акцепторных уровней электронами описывается функцией f _j, глубиной залегания ловушки E_j и ее параметрами [Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках. / А. Милнс. - М.: Мир, 1977. - 568 с].

Исследовались кинетические уравнения, описывающие изменение концентраций свободных носителей заряда:

Здесь h_1j и p_1j численно равны концентрации электронов и дырок, когда уровень Ферми совпадает с уровнем ловушки; _nj и _pj вероятности захвата электронов и дырок примесными центрами i - типа, А - коэффициент межзонной рекомбинации, B _n, B_p коэффициенты Оже-рекомбинации. Темп генерации представим в виде суммы постоянной и переменной составляющих:

При больших частотах периодического возбуждения светом представленная выше система дифференциальных уравнений линеализируется, если ввести замену переменных:

n=+n, р=<р>+р, f_j=j>+f_j,

В частности в полупроводнике с глубокими донорными и акцепторными центрами система уравнений для нахождения малых изменений переменных примет вид:

Решение представляется суммой экспонент и частным решением:

Константы a_j выражаются через параметры примесных центров, средние значения концентраций электронов, дырок и вероятности заполнения примесных центров электронами. Значения , <р>, j > могут быть найдены из системы нелинейных алгебраических уравнений, получаемых из соотношений 1-3.

Если дана устойчивая система 1-3 (k_j<0) с периодическими внешними нагрузками, то частное решение будет суммой синусоидальных решений применительно к каждой синусоидальной нагрузки в отдельности:

При больших частотах (_j>>1) внешнего возбуждения импульсами света частное решение для изменения концентраций электронов и дырок с течением времени с хорошей точностью может быть представлено в виде:

Для переменной составляющей плотности тока получаем:

Сравнивая g^*(t) и j^*, делаем вывод: производная от плотности тока с точностью до постоянной дает переменную составляющую внешнего возбуждения. Это позволяет восстановить временную развертку оптического сигнала по зависимости силы тока или электропроводности от времени:

Производная от плотности тока (силы тока) с точностью до постоянной дает переменную составляющую внешнего возбуждения, что позволяет использовать дифференцирующую цепь для восстановления формы переменной составляющей искаженного фотоприемником оптического сигнала.

По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет расширить частотные возможности фотоприемников за счет использования их в области больших частот (_j>>1) модуляции входных оптических импульсов, где возникают искажения формы электрического сигнала по сравнению с оптическим с последующим приведением формы электрического сигнала (фотоотклика) к форме оптического с использованием дифференцирующей цепи.

Фотоэлектрический преобразователь высокочастотного оптического сигнала, включающий фотоприемник, отличающийся тем, что фотоприемник выходом подключен к входу дифференцирующей цепи с возможностью получения на ее выходе формы электрического сигнала, совпадающей с формой оптического сигнала.