Контрольная работа: Квантово-електронні модулі

4. Код Манчестер. У цьому методі кодування використовується зміна рівня сигналу в середині кожного бітового періоду. Для 1 перша половина періоду відповідає високому рівню сигналу, а друга - низькому. У представленні 0 – навпаки.

5. Код Міллер. У коді Міллер кожна 1 подається зміною рівня сигналу в середині періоду бита. Для представлення 0 використовується або відсутність зміни рівня сигналу, якщо він випливає після 1, або зміна на початку періоду, якщо він виходить за 0.

6. Код Biphase-M. У коді bi-phase-M (модифікований двухфазний) кожен період біта починається зі зміни рівня сигналу. Для подання 1 використовується додаткова зміна в середині періоду. Для подання 0 ніяких додаткових змін не виконується. Таким чином, 1 представляється як високим, так і низьким рівнем сигналу протягом періоду. Для подання 0 використовується або низький, або високий рівень сигналу протягом усього бітового періоду (але не обидва рівні одночасно).

7. Кодування 4В/5В і 4В/8В. Більшість локальних комп'ютерних мереж використовує код Манчестер. Для волоконно-оптичних локальних мереж це не так. Причина в тім, що це кодування вимагає подвоєної швидкості таймера в порівнянні зі швидкістю передачі даних. Наприклад, 100-Мб/сек мережа вимагає таймер на 200 МГц. Кодування даних NRZI не передбачає зміни сигналу у випадку передачі ланцюжка нулів, що утрудняє розбивку інформації на бітові періоди (внутрішню синхронізацію). При цьому приймач не може відповідним чином синхронізувати свою роботу з потоком даних, що надходить.

Багато високошвидкісних волоконно-оптичних систем використовуює схеми кодування інформації з груп, у яких кодуються не окремі біти, а цілі слова довжиною в декілька біт. Наприклад, при кодуванні 4В/5В кожні чотири біти інформації кодуються в 5-бітове слово. Після одержання такого коду приймач декодирує 5-бітові слова в 4- бітові блоки первісної інформації. Ця схема гарантує, що дані ніколи не будуть являти собою ланцюжок з більш ніж трьох послідовних нулів. Це кодування використовує менш широку частотну смугу пропущення в порівнянні з кодом Манчестер, вимагаючи збільшення швидкості передачі лише на 20 відсотків. Дана схема застосовується в FDDI.

У рамках іншої схеми 4В/8В, використовуваної в Fiber Channel і в системі IBM ESCON, 4-бітові блоки інформації кодуються в 5-бітові чи слова 8-бітові блоки – відповідно в 10-бітові слова.

3 . Швидкість передачі даних і швидкість сигналу

При уважному розгляді різних кодів модуляції, представлених на рис. 3, виявляється один дуже важливий аспект. Максимуми і мінімуми сигналу можуть змінюватися частіше, ніж 1 і 0 двійкових даних. На рисунку представлені 12 бітів даних (000100110111). Однак відповідні їм коди використовують більшу кількість символів для подання цих даних. Символом є або максимум, або мінімум у коді. У коді Манчестер використовується два символи (максимум, і мінімум) для подання кожного двійкового біту. Цей код завжди використовує подвоєну кількість символів у порівнянні з числом переданих бітів.

Говорячи про швидкість системи, дуже важливо розуміти різницю між швидкістю передачі даних і швидкістю передачі сигналу. Швидкість передачі даних – це число біт даних, переданих за одну секунду. Система, наприклад, може працювати зі швидкістю 10 Мб/сек (мегабіт у секунду). Швидкість сигналу – це число символів, переданих за одну секунду, – виражається в бодах. Швидкість сигналу (бод-швидкість) і швидкість передачі даних (біт-швидкість) можуть збігатися і не збігатися в залежності від використовуваного коду модуляції.

У коді NRZ, що використовує один символ для подання одного біту, швидкості збігаються. Швидкість у 10 Мб/сек відповідає 10 Мбодам. У коді Манчестер два символи представляють один біт, а швидкість у бодах у два рази більше швидкості в бітах. Для передачі потоку даних у 10 Мб/сек потрібна лінія зв'язку з інформаційною ємністю (швидкістю передачі сигналу) у 20 Мбод. Швидкість у бодах, чи швидкість передачі символів, є більш точним показником швидкісних характеристик системи. Дане твердження є загальним для всіх передавальних систем, у тому числі і для волоконно-оптичних.

4 . Приймачі для волоконно-оптичних систем передавання

Приймач або детектор виконує протилежну функцію в порівнянні з джерелом: він перетворює оптичну енергію в електричну і є оптоелектроним перетворювачем. Існують різноманітні детектори. Найбільш відомий тип детектора – фотодіод, що виробляє струм при влученні на нього світла. У волоконній оптиці достатньо інтенсивно використовуються два види фотодіодів: pin-типу і лавинний. У даній главі будуть описані фотодіодні детектори і їхні характеристики з погляду застосування у волоконній оптиці.

4.1 Основні принципи роботи фотодіода

При переміщенні електрона з зони провідності у валентну зону в процесі електроно-діркової рекомбінації виділяється енергія. У СВД ця енергія несеться фотоном, чия довжина хвилі визначається шириною щілини між зонами. Випромінювання відбувається при пропущенні зовнішнього струму через напівпровідниковий кристал СВД.

У фотодіоді відбувається зворотний процес: світло, що падає на діод, приводить до генерації струму в зовнішньому контурі. Поглинання фотона приводить до появи збуджених електронів, що переходять з валентної зони в зону провідності. Даний процес, у результаті якого утвориться пара електрон-дірка, одержав назву внутрішнього поглинання. Ці носії струму при наявності прикладеної напруги зміщення дрейфують уздовж речовини і збуджують струм у зовнішньому контурі. У парі електрон-дірка в утворенні струму в зовнішньому ланцюзі бере участь електрон.

4.2 Фотодіоди на основі p-n переходу

Найпростішим видом фотодіода є фотодіод, схематично зображений на рис. 4. Даний вид фотодіода достатньо рідко зустрічається у волоконній оптиці. Він буде використовуватися як основа для розгляду принципу роботи напівпровідникового фотодіода.

Рисунок 4 – Принцип дії p-n фотодіоду

Інші пристрої – pin- і лавинний фотодіоди – були розроблені з урахуванням недоліків фотодіода.

Даний тип фотодіода є простим пристроєм. Коли до нього прикладена напруга зі зворотним знаком (негативна клема батареї підключена до ділянки провідника - типу), через нього починає текти слабкий струм. Прикладене електричне поле створює збіднений простір по обох сторони переходу. Носії струму – електрони і дірки – ідуть з області переходу. Іншими словами, електрони зміщаються до негативної ділянки напівпровідника (позитивному контакту батареї), а дірки рухаються в напрямку до позитивної ділянки (негативної) контакту батареї). Збіднена зона не має вільних носіїв, по цьому її опір дуже великий, і практично все спадання напруги приходиться на зону контакту. У результаті електричні сили дуже великі в області контакту і дуже малі в інших областях.

При поглинанні падаючого фотона зв'язаному електрону передається достатньо кількість енергії для переходу з валентної зони в зону провідності, при цьому утворюється пара: вільний електрон - дірка. Якщо це відбувається в збідненій зоні контакту, носії швидко розділяються і зміщаються в протилежних напрямках. Цей зсув збуджує рух електронів і в зовнішньому контурі. Коли носії досягають границі збідненої зони, де електричні полючи стають малими, те їхній рух, а отже, і струм у зовнішньому контурі припиняються.

Якщо генерація електронно-діркової пари відбувається поза збідненою зоною, носії починають повільний зсув у її сторону. Багато носіїв рекомбінують перше ніж досягають збідненої зони. Ті з них, що досягають збідненої зони, швидко проходять її під дією сильного електричного поля, збуджуючи при цьому струм у зовнішньому контурі. Даний струм виникає зі зміною у часі в порівняно з поглинанням фотона. Зміна в часі визначається первісним повільним рухом носіїв у напрямку до збідненої зони. У даному випадку струм може виникнути уже після відключення ініціюючого світла. Запізнілий струм називається повільним відгуком.

Дві характеристики -фотодіодів обмежують їхнє застосування в більшості волоконно-оптичних додатків. По-перше, збіднена зона складає достатньо малу частину всього обсягу діода, і велика частина поглинених фотонів не призводить до генерації струму в зовнішньому контурі. Виникаючі при цьому електрони і дірки рекомбінують по дорозі до області сильного поля. Для генерації струму достатньої сили потрібно могутнє світлове джерело. По-друге, наявність повільного відгуку, обумовленого повільною дифузією, сповільнює роботу діода, роблячи його непридатним для використання у середньо- і високошвидкісних системах застосувань. Це дозволяє використовувати діод тільки в кілогерцовому діапазоні.

4.3 Р-i-n фотодіоди

Структура pin-фотодіоду спроектована так, щоб уникнути недоліків фотодіода -типу. Ця структура представлена на рис. 5.Розподіл електричного поля в залежності від довжини діоду представлені на рис. 5. Збіднена зона зроблена максимально широкою. Слаболегований проміжний шар розділяє більш сильно леговані шари n- і р- типу. Проміжний шар легований у таким, що не відноситься ні до напівпровідників -типу з електронним видом провідності, ні до напівпровідників -типу з діркової провідністю. Назва даного типу діодів відбувається зі скорочення назв складових його шарів: р – positive (позитивний), і – intrinsic (внутрішній), n – negative (негативний) – pin.

Оскільки внутрішній шар не містить вільних носіїв заряду, то електричні сили в ньому будуть значними. При цьому утворюється збіднена зона, порівняна по ширині з розміром діода. Принципового розходження в роботі діода pin-типу і діода pn-типу не існує. Широкий внутрішній шар приводить до більшої ефективності поглинання фотонів всередині збідненої зони. У результаті падаючі фотони збуджують струм у зовнішньому контурі більш ефективно і з меншим запізнюванням. Носії, що утворяться усередині збідненої зони, миттєво зрушуються в сильному електричному полі до відповідно р- і -n- областей діоду.

Існує деякий оптимум розміру внутрішнього шару. Для більш ефективного протікання процесу перетворення падаючих фотонів у носії заряду потрібно мати по можливості більш широкий внутрішній шар. З іншого боку, швидкість спрацьовування діода зменшується з ростом ширини того шару, оскільки при цьому збільшується час зсуву носіїв до країв збідненої зони. У пристрої діода враховується баланс цих двох конфліктуючих факторів для досягнення більшої ефективності з максимальною швидкістю.