Оптоэлектрический преобразователь (ОЭП)

Для ОЭП на рис. 2.2, б приняты обозначения: Р _{о вх} – среднее во времени значение мощности оптического сигнала на входе;

R_i (А/Вт) = D I _вых(А)/D Р _{о вх} (Вт), r _i (дБ) = 20lg[ R_i (А/Вт)/1 А/Вт] (2.5)

– дифференциальный токовый отклик (с учетом эффективности вывода света из ОВ), равный приращению тока D I _вых на выходном полюсе, вызванному приращением оптической мощности D Р _{о вых} на его входном полюсе; U _вых, I _выхи P _{э вых} – соответственно напряжение, ток и мощность электрического сигнала на выходе; R _н – сопротивление нагрузки. Для ОЭП с учетом соотношений (2.5)

I _вых (А) = Р _{о вх} (Вт) R_і (А/Вт), Р _{о вх} (Вт), Р _{э вых} (Вт) = (А) R _н(Ом),

p _{э вых} (дБм) = 2 p _{о вх} (дБм) + r _i (дБ) + r _н(дБ) – 30 дБ, (2.6)

p_{о вх} (дБм) = [p_{э вых} (дБм) – r_i(дБ) – r_н(дБ) + 30 дБ]/2, (2.7)

где r _н(дБ) = 10lg[ R _н(Ом)/1 Ом)].

В табл. 2.3 приведены расчетные выражения для трех значений
R _н = 50 Ом и 75 Ом (цифровые и аналоговые ВОЛТ соответственно) и R _н = 1000 Ом, при котором формулы (2.6) и (2.7) упрощаются.

Таблица 2.3 – Соотношения для расчета параметров ОЭП

Сопротивление нагрузки R н, Ом	Электрический полюс: p э вых (дБм) = 2 p о вх (дБм) + r i (дБ) – 13,01 дБ 2 p о вх (дБм) + r i (дБ) – 11,25 дБ 2 p о вх (дБм) + r i (дБ)	Оптический полюс: p о вх (дБм) = [ p э вых (дБм) – r i (дБ)]/2 +6,05 дБ [ p э вых (дБм) – r i (дБ)]/2 +5,625 дБ [ p э вых (дБм) – r i (дБ)]/2

Значение R_i обычно указывает изготовитель ПИ на рабочей длине волны l. В противном случае это значение может быть рассчитано по формуле (3.5) после измерения семейства вольтамперных характеристик фотодиода. В табл. 2.4 приведены значения R_i и r _i фотодиодов (ФД) без внутреннего усиления
(p-i-n -типа) и с таковым (лавинного типа), выполненных из различных полупроводниковых материалов [2].

Таблица 2.4 – Значения коэффициентов О/Э преобразования фотодиодов [6]

Тип ФД	p-i-n	Лавинный
l, нм
Материал	Кремний	Германий	InGaAs	Кремний	Германий	InGaAs
Ri, А/Вт	0,5	0,7	0,6
r i, дБ	–6	–3,1	–4,4	37,5		21,6

Дифференциальный вольтовый отклик ПрУ оценивает эффективность преобразования ОЭП-ом оптической мощности в электрическое напряжение

R_u (В/Вт) = D U _вых(В)/D Р _{о вх}(Вт), r _u (дБ) = 20lg[ R_u (В/Вт)/1 В/Вт], (2.8)

где D U _вых – приращение напряжения на выходе, вызванное приращением оптической мощности D Р _{о вх} на входе. Вольтовой отклик можно выразить через токовый отклик r _u (дБ) = r _i (дБ) + 2 r _н(дБ). Целесообразность введения этого параметра продиктована тем, что на выходе ПрУ обычно измеряется напряжение.

Для ОЭП формально может быть введен коэффициент передачи мощности (с преобразованием спектра) К _{р оэп} = Р _{э вых}(Вт)/ Р _{о вх}(Вт) = R_u (Вт/А) I _вых(А), т.е. пропорциональна выходному электрическому (а значит и входному оптическому) сигналу. Коэффициент передачи мощности в относительных единицах

k _{р оэп}(дБ) = [r _u (дБ) + i _вых(дБ)]/2, где i _вых(дБ) = 20lg[ I _вых(А)/1А]. (2.9)

Пример 2.2. Для p–i – n -фотодиода с R_i = 0,5 А/Вт и R _н = 50 Ом, r _u = 28 дБ и для
Р _{о вх} = 1 мВт находим I _вых = 0,5 мкА (i _вых = –66 дБ) и k_{р оэп} = –19 дБ (КПД 1,2%). Увеличив значение R _н до 1 кОм, получим r _u = 54 дБ, k _{р оэп} = –6 дБ (КПД = 25,1%).
Вывод – для ОЭП желательна высокоомная нагрузка.

Пример 2.3. Используя результаты примеров 2.1 и 2.2 найти коэффициент передачи оптрона «ЭОП+ОЭП» k _р = k _{р эоп}(дБ) + k _{р оэп}(дБ). Для R _и = R _н = 50 Ом получаем k _р = –7 –19 = –26 дБ (КПД = 2,5 %); для случая R _и = 50 Ом и R _н = 1 кОм находим k _р = –7 –6 = –13 дБ
(КПД = 5 %), рост в 2 раза.