Hlavní navigace

Bezvláknová optika (2)

Karel Kulhavý

V předchozím dílu jsme si řekli mimo jiné, co znamenají základní pojmy jitter a eye pattern, dnes se dozvíme něco o šumu a vhodných fotodetektorech. Zmíněny budou PIN dioda, APD a optický zesilovač EDFA.

Na rozdíl od vláknové optiky panuje na přijímači bezvlákovém z hlediska šumových a signálových poměrů hotové peklo. Signál je zeslaben vzdáleností. Počet fotonů, které na přijímač dopadají, je totiž nepřímo úměrný druhé mocnině vzdálenosti. Vstupní díl předzesilovače musí být neobyčejně nízkošumový a současně širokopásmový. Zapojení musí umožňovat fotodetektoru inkasovat silné okolní osvětlení, aniž by na něm kleslo napětí. Pokud není optika astronomické kvality, nesoustřeďuje v přijímači světlo z vysílače do plošky velikosti vlnové délky světla, ale do plošky až několik milimetrů velké. Přijímací polovodičová dioda musí mít pak krystalek větších rozměrů, čímž stoupá kapacita diody a klesá napěťový rozkmit signálu z diody lezoucího. Nicmémě šum prvního tranzistoru je pořád stejný, takže nekvalitní optika a z toho plynoucí potřebná vyšší kapacita diody znamená nutně zhoršení šumových poměrů při provozu s nízkým okolním osvětlením nebo s filtrem. Pokud zařízení zrovna běží na sluníčku a ještě není použit spektrální filtr, uplatňuje se velmi šum výstřelový, který vzniká náhodným rozložením jinak stejnoměrně dopadajících fotonů silného slunečního osvětlení a je „zadrátován“ do samotné kvantové mechaniky (souvisí s principem neurčitosti), takže jej nelze nijak snížit. O výstřelovém šumu nelze říci, zda vzniká na Slunci, při cestě světla prostorem, nebo při dopadu na fotodetektor, případně ve fotodetektoru, a nemá smysl o tom dumat. Tento šum je neoddělitelnou vlastností našeho vesmíru a je způsoben samotnou kvantizací světla na fotony. Taková je už povaha kvantové mechaniky, ta dokáže pouze říci, že tam výstřelový šum bude a jak bude velký, ale už nikoliv, kde přesně vzniká.

Nejklasičtějším fotodetektorem je PIN fotodioda. Od normální fotodiody (obyčejného křemíkového fotočlánku) se liší tím, že materiály jsou dopovány tak, aby nosiče náboje nezdržovaly a rychle vyklízely pole, a zejména přítomností třetí, střední vrstvy, která separuje obě krajní vrstvy P a N a zvyšuje rychlost diody. PIN diody se používají ve všech vysokorychlostních optoelektronických aplikacích. Fotodioda se chová jako součástka, na kterou když dopadne foton a detektor má kvantovou účinnost 89%, s pravděpodobností 11% se nestane vůbec nic a s pravděpodobností 89% propadne z katody do anody právě jeden elektron. Tento děj je téměř nezávislý na napětí, které je na diodu přiložené, proto se dioda chová jako téměř ideální proudový zdroj, jehož proud je předepsaný optickým signálem. Dioda ovšem musí být krmena zatěžovacím odporem a tento temodynamicky šumí, jak káže Boltzmannova konstanta. Čím vyšší hodnotu odpor má, tím nižší je proudový šum tohoto odporu, ale tím menší osvětlení od sluníčka stačí, aby se přijímač zadusil.

PIN fotodioda (SFH203)

Úkolem předzesilovače je proudový signál vznikající na diodě za co nejmenšího šumu převést na napětí na výstupu. Musí při tom být bez výrazných změn přeneseny všechny frekvence, co signál obsahuje. První tranzistor bývá většinou FET (polem řízený, přesná analogie elektronky v křemíkovém provedení), protože tento tranzistor šumí v těchto zapojeních podstatně méně než klasický bipolární (od pana Shockleyho a dalších, co si hráli s krystalkami). Čím větší zesílení má tento tranzistor, tím menší je jeho šum, nezávisle na dalších parametrech zapojení. Proto se zde používá nejlepších tranzistorů, co jsou na trhu, a perspektivu představují HEMT tranzistory – tranzistory s vysokou elektronovou pohyblivostí, které díky své chemii poskytují ještě větší zesílení.

V okamžiku, kdy se nám signál podařilo poprvé zesílit s minimálním šumem, máme vyhráno a zbytek pojítka jsou již jen ozdobičky na vánoční stromeček. Vytáhli jsme signál ze spáru šumu a teď si s ním můžeme dělat, co chceme.

Termodynamický šum vstupního tranzistoru lze obejít ještě relativně bezšumovým zesílením před tranzistorem. Lze toho docílit lavinovou fotodiodou (APD, Avalanche PhotoDiode). Lavinová fotodioda funguje na tom principu, že je našponovaná závěrným napětím až do oblasti, kde každý vytržený elektron s sebou strhne lavinu dalších. To pak zesiluje dopadající signál bez šumu (ale výstřelového šumu nás to stejně nezbaví). Ale APD vyžaduje napájecí napětí kolem 90V, které musí být přesně regulováno v závislosti na teplotě a dalších okultních parametrech, aby byla dioda držena stále v oblasti těsně pod svým průrazem, a dělá se zatím pouze s malým krystalkem, vhodným leda tak pro vláknovou optiku a nebo velmi kvalitní čočky.

APD (s vestavěným předzesilovačem)

APD zesiluje stále ještě v říši elektronů. Pro extremisty je vhodný EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), což je optické vlákno, jemuž se napájení dodává buzením externím laserem a ono pak zesiluje procházející optický signál. Tato vlákna byla vyvinuta pro telekomunikace po vlákně a zesilovače s nimi jsou už i na některých dálkových spojích v České Republice, například CESNET Brno ↔ Olomouc. Vlákno ovšem zesiluje pouze v pásmu 1550nm (1530–1560nm, IQ6100 od EXFO) a produkuje širokopásmový optický šum (ASE, Amplified Stimulated Emission), který musí být z výstupu filtrován speciálním interferenčním filtrem.

EDFA

Ještě šílenější možnost je použít konfiguraci s PIN diodou a FET tranzistorem a tento chladit kapalným dusíkem. Nevýhody jsou ovšem zřejmé ;-)

V příštím dílu probereme sluneční filtry, transimpedanční zesilovače a lineární část v diskrétním provedení, na závěr nakousneme omezování.

Našli jste v článku chybu?