ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 100-102
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 520.34+520.6.05
ПРИЕМНЫЙ БЛОК С ЛАВИННЫМ ФОТОДИОДОМ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО КАНАЛА СВЯЗИ С ГЕОСТАЦИОНАРНЫМ СПУТНИКОМ
© 2004 г. В. П. Кузьков, В. Н. Иедашковский
Главная астрономическая обсерватория НАН Украины Украина, 03680, Киев-127, ул. Акад. Заболотного, 27 E-mail: kuzkov@mao.kiev.ua Поступила в редакцию 21.07.2003 г.
Исследованы характеристики серийного лавинного фотодиода ФД-311Л. Описан приемный блок с термоэлектрическим охлаждением лавинного фотодиода для приема лазерного коммуникационного сигнала 2 Мбит/с геостационарного спутника при полосе пропускания электронного тракта 8 МГц и пороговой чувствительности 0.15 нВт. Эти параметры соответствуют требованиям приема лазерного коммуникационного сигнала при использовании входной апертуры оптической системы диаметром 0.7 м.
ВВЕДЕНИЕ
Системы передачи информации с использованием воздушных лазерных каналов связи в настоящее время интенсивно развиваются. Они имеют преимущество на небольших расстояниях, позволяя решить проблему "последней мили" в системах коммуникации, обеспечивая скорости передачи информации от 2 Мбит/с до 1 Гбит/с. Основной проблемой, возникающей при их работе на большие расстояния, является влияние атмосферы на распространение лазерного излучения.
Такие системы имеют особое преимущество в открытом космосе. Для проведения экспериментов с лазерными каналами связи Европейским космическим агентством (ESA) 12 июля 2001 г. был запущен спутник ARTEMIS с лазерным терминалом связи (SILEX - Semiconductor Laser Inter Satellite Link Experiment) на борту для приема информации больших объемов с низкоорбитального спутника SPOT-4 и проведения экспериментов с оптической наземной станцией (OGS) при несимметричном трафике 2 и 50 Мбит/с. В ноябре 2001 г. были успешно проведены эксперименты по приему-передаче информации по лазерному каналу со спутника SPOT-4 и ретрансляции ее по радиоканалу на наземную станцию. Также были проведены эксперименты по приему-передаче информации по лазерному каналу между спутником ARTEMIS и станцией OGS ESA на Канарских островах.
После соответствующих расчетов было показано, что аналогичные эксперименты по приему-передаче информации лазерным каналом связи и
исследованию влияния атмосферы на распространение лазерного излучения между геостационарным спутником и наземной станцией можно проводить с использованием обычных астрономических телескопов.
Согласно данным, предоставленным специалистами ESA, и нашим расчетам, плотность энергии коммуникационного лазерного сигнала от спутника на уровне земной поверхности с учетом стандартного поглощения в атмосфере под углом 60° к зениту должна составить около 35 нВт/м2 в спектральном диапазоне 816-823 нм. Скорость передачи информации 2.048 Мбит/с. Для системы наведения спутника на наземную станцию на спутник необходимо передавать оптический сигнал со скоростью 49.372 Мбит/с в спектральном диапазоне 843-852 нм, обеспечивая плотность потока излучения на уровне геостационарного спутника около 90 нВт/м2.
Приемный блок должен обеспечивать уверенный прием сигнала на телескопическую систему с диаметром первичного зеркала 0.7 м. Наиболее подходящим фотоприемником в заданном спектральном диапазоне является лавинный Si-фото-диод, который обеспечивает внутреннее усиление сигнала и возможность работы в режиме счета фотонов [1].
Исходя из необходимого быстродействия, спектрального диапазона и расчетной мощности принимаемого излучения, в качестве приемного элемента был выбран типовой лавинный Si-фотоди-од ФД-311Л (ОАО "Кварц", Черновцы) [2].
ПРИЕМНЫЙ БЛОК С ЛАВИННЫМ ФОТОДИОДОМ
101
Рис. 1. Зависимость коэффициента усиления (сплошная линия) и темнового тока (штриховая линия) лавинного фотодиода от напряжения.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАВИННОГО ФОТОДИОДА ФД-311Л
Как известно, внутреннее усиление сигнала в отдельных отобранных экземплярах лавинных фотодиодов может достигать 250 [3]. Однако при этом увеличиваются и внутренние шумы, в результате чего возникает необходимость оптимизации работы фотодиодов по максимальному соотношению сигнал/шум. Помимо этого, при большом внутреннем усилении жесткие требования предъявляются к стабилизации напряжения питания и температуры фотодиода.
Токовый шум In лавинного фотодиода при предельно малых уровнях падающего на него излучения и пренебрежении фотонным шумом можно представить в виде [4]
In = (2qIds + 2qIbeM2FBn)in, (1)
где q - заряд электрона, Ids - поверхностный шумовой ток, Ibe - шумовой ток внутри фотодиода, M - коэффициент внутреннего усиления, Bn - полоса пропускания измерительного тракта, F - коэффициент (шум-фактор), определяемый конструкцией конкретного фотодиода. Для некоторых типов фотодиодов [2] F = 0.98(2-1/M) + 0.02 M.
Так как коэффициент внутреннего усиления М лавинного фотодиода определяется величиной приложенного к нему обратного напряжения смещения, то до некоторого значения напряжения питания шум фотодиода изменяется мало, а при достижении некоторого усиления резко возрастает. Это показывают и графики зависимостей коэффициента внутреннего усиления и шумов фотодиода ФД-311Л от напряжения питания (рис. 1), полученных при температуре 22°С. Как видно из рисунка, оптимальным для этого фотодиода при данной температуре является внутреннее усиление около 80.
Рис. 2. Функциональная схема приемной системы.
ПРИЕМНАЯ СИСТЕМА
Приемная система (рис. 2) содержит блоки предварительного усилителя с коэффициентом усиления 12 дБ, оконечного усилителя - ограничителя - с коэффициентом усиления 39 дБ и регулируемого преобразователя напряжения со сглаживающим фильтром.
Предварительный усилитель вместе с лавинным фотодиодом, охлаждаемым термоэлектрической батареей, и датчиком температуры размещен в герметичном металлическом боксе с зеркальной диафрагмой на входе. Преобразователь напряжения обеспечивает регулировку и стабилизацию напряжения в диапазоне 100-180 В. Выходное напряжение сглаживается фильтром низких частот и через ограничительный резистор поступает на лавинный фотодиод. Термоэлектрическая батарея обеспечивает поддержание температуры фотоприемника в интервале 4-25°С с точностью ±0.5°С.
Так как лавинный фотодиод является источником тока с высоким внутренним сопротивлением, то его нагрузку - входное сопротивление предварительного усилителя - необходимо сделать максимально высокой для достижения максимального сигнала уже на входе предварительного усилителя. Наличие входных емкостей первого каскада усилителя приводит к необходимости расчета оптимального входного сопротивления усилителя для заданной полосы пропускания (8 МГц) электронного тракта. По результатам расчета оптимальное входное сопротивление предварительно-
КУЗЬКОВ, НЕДАШКОВСКИИ
102
+180 100 +12
Рис. 3. Принципиальная схема предварительного усилителя. Т1 и Т2 - КТ3120А, Т3 - КТ350А; Д - ФД-311Л; емкости - К6; резисторы - МЛТ.
Г Г
500 нс
Рис. 4. Осциллограмма выходного сигнала частотой 2 МГц.
го усилителя, соответствующее максимальному соотношению сигнал/шум, составило 6.5 кОм.
Входной каскад предварительного усилителя (рис. 3) выполнен по каскодной схеме на транзисторах T1 и T2, подбираемое сопротивление R* увеличивает входное сопротивление каскада до необходимой расчетной величины.
Полоса пропускания предварительного усилителя по уровню 3 дБ составляет 8 МГц. Осциллограмма прохождения инфракрасного прямоугольного импульсного сигнала частотой 2 МГц после предварительного усилителя показана на рис. 4.
ВЫВОДЫ
Приемный блок с лавинным диодом и термоэлектрическим охлаждением обеспечивает пороговую чувствительность системы на уровне 0.15 нВт при T = 4°С в полосе пропускания тракта 8 МГц. При использовании серийных лавинных фотодиодов и входных апертур приемных оптических систем диаметром 0.7 м такие параметры позволяют обеспечить прием коммуникационного лазерного сигнала геостационарного спутника. При более глубоком охлаждении возможно дальнейшее улучшение пороговых свойств системы.
Блок может использоваться и в наземных воздушных системах оптической инфракрасной связи.
Работа выполнялась при финансовой поддержке Национального космического агентства Украины.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гуланов И.Р., Зеневич АО. // ПТЭ. 2001. № 4. С. 137.
2. Фотоприемники и фотоприемные устройства. Каталог. Черновцы: ОАО "Кварц", 2001.
3. PerkinElmer optoelectronics. 22001 Dumberry Road. Vandrenil, Quebec, Canada, 2001. J7V-8P7.
4. Hamamatsu Photodiodes. Hamamatsu Photonics K.K. Solid State Division. 1126-1. Ichio-cho, Hamamatsu City. 435-8558. Japan, Okt. 1999. P. 34.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.