Аналоговые радиофотонные компоненты с цепями согласования импедансов для использования в системах передачи данных тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Козырева Ольга Андреевна

• Козырева Ольга Андреевна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Козырева Ольга Андреевна

Благодарность

Реферат

SYNOPSIS

Введение

1 Аналитический обзор научно-технической литературы

1. 1 Радиофотоника

1.2 Фотодетекторы типа P-I-N

1.3 Согласование импедансов, S-параметры и моделирование компонентов

1.4 Li-Fi как часть радиофотоники и компоненты систем Li-Fi как объекты для моделирования

2 Разработка конструкции сверхвысокочастотного фотоприёмного модуля с оптоволоконным входом на основе кристалла InGaAs/InP

2.1 Расчет параметров гетероструктуры и конструкции кристалла фотодетектора типа p-i-n

2.1.1 Обоснование выбора конструкции волновода гетероструктуры P-I-N

2.1.2 Конструкция кристалла

2.1.3 Активная составляющая сопротивления кристалла

2.2 Объемная модель кристалла ФП и СВЧ-конструкции фотоприемного модуля

2.2.1 Топология контактов СВЧ

2.2.2 Описание модели кристалла

2.2.3 Верификация модели кристалла

2.3 Конструкция СВЧ фотоприемного модуля

2.3.1 Особенности стыковки с оптическим волокном

2.3.2 Реализация цепи согласования

2.3.3 СВЧ выход ФП модуля

2.3.4 Общая конструкция модуля и изготовление

2.3.5 Моделирование СВЧ элементов конструкции

2.3.6 Влияние качества петель разварки на выходные характеристики модуля ФП

2.3.7 Исследование характеристик опытного образца модуля

3 Метод разработки оптико-электронной схемы светодиодного беспроводного передающего модуля видимого диапазона на основе экспериментально-компьютерного электронного стенда

3.1 Радиофотонная концепция системы передачи сигнала по видимому свету

3.2 Общее описание метода

3.3 Экспериментально-компьютерный стенд для определения Б-параметров радиофотонных компонентов и проектирования цепей согласования импедансов

3.4 Исследуемые оптоэлектронные компоненты

3.4.1 Фотодетектор FDS100

3.4.2 Фотодетектор S8664-30K

3.4.3 RGBW светодиод

3.5 Б-параметры и схемы согласования

3.5.1 Фотодиод и фотоприёмный модуль

3.5.2 Светодиоды и схема согласования

3.6 Апробация метода

4 Метод разработки оптико-электронной схемы светодиодного беспроводного передающего модуля видимого диапазона на основе оптической модели системы из источника и приемника излучения

4.1 Общее описание метода и описание модели в программе 2ешах

4.1.1 Описание модели в программе Zemax. Светодиод и СД-матрица

4.1.2 Описание модели фотодетектора

4.1.3 Условия расчета

4.2 Оптическая схема фотоприемного модуля

4.2.1 Линзы

4.2.2 Диаграммы приема фотодетекторов

4.2.3 Выбор фокусного расстояния линз

4.3 Расчет доли оптической энергии (мощности), дошедшей до фотоприемника для разных конфигураций системы

4.4 Расчет фототока с учетом спектрального преобразования

4.5 Оценка шумов на фотодетекторе и отношения сигнал/шум на фотодетекторе

4.5.1 Дробовой шум

4.5.2 Шум темнового тока

4.5.3 Термический шум

4.6 Результаты моделирования и сравнение с экспериментальными данными

Основные публикации по теме диссертации

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение

Приложение

Благодарность

Автор неизмеримо благодарен научному руководителю, проф., д.ф.-м.н. Бугрову Владиславу Евгеньевичу. Эту благодарность сложно уложить в нескольких абзацах текста. И поэтому, хоть на страницах этой диссертации и описаны научные результаты, на каждой странице между строк можно читать благодарственные слова руководителю, поскольку именно он создал возможности и условия для появления этих результатов.

Автор благодарит к.ф.-м.н. Максима Анатольевича Одноблюдова за искренний интерес к тематике Optical Wireless Communications и просто позитивное отношение к делу. Именно благодаря инициативе и планомерной работе Максима Анатольевича технология Li-Fi появилась в России и развивается.

Огромная благодарность ведущим специалистам в области радиофотоники в России, которые в разные периоды этой работы поделились с автором своими знаниями и опытом: к.т.н. Щербакову Владиславу Васильевичу, к.т.н. Соловьеву Юрию Владимировичу. Автор выражает благодарность руководителям и сотрудникам предприятий «АО «Светлана-Электронприбор», АО «ОКБ-Планета», ООО «Коннектор Оптикс» за вклад в развитие наукоемкого и высокотехнологичного производства в России в целом, и конкретно, за изготовление отдельных элементов, описанных в настоящей работе. Автор также отдельно выражает благодарность своим первым научно -техническим менторам, давшим опыт еще до обучения в аспирантуре, на предприятии АО «Светлана-Электронприбор»: Лавренко Игорю Валентиновичу, Улановой Татьяне Александровне и Реброву Андрею Николаевичу.

Благодарность ведущему инженеру СПБПУ Тимонину Валентину Александровичу за консультирование по технологическим процессам изготовления и сборки оптических элементов.

Автор благодарит заведующего лабораторией светодиодной светотехники в Университете ИТМО (до 2020 г.) Щеглова Сергея Александровича за неоценимую помощь в проведении экспериментальной работы, а также за то, что неустанно

напоминал: занимаясь высокочастотной модуляцией осветительных приборов мы не должны забывать: освещение должно быть «Human Centric Lightning».

Автор благодарит к.ф.-м.н. Баумана Дмитрия Андреевича за развитие сборочных технологий фотоники в Университете ИТМО и полезные обсуждения полученных результатов. Автор благодарит проф., д.ф.-м.н. Романова Алексея Евгеньевича.

Благодарность всем коллегам, кто трудился вместе с автором и участвовал в обсуждении результатов, особенно Полухину Ивану Сергеевичу, к.т.н. Михайловскому Григорию Александровичу, к.ф.-м.н. Колодезному Евгению Сергеевичу, к.т.н. Липницкой Светлане Николаевне.

Благодарность всем студентам, ставшим теперь уже аспирантами, которые в разное время проявили интерес к научным исследованиям и внесли в них свой вклад: Ширяеву Даниилу Сергеевичу, Белякову Никите Александровичу, Камарчук Анне Владимировне и Бородкину Алексею Игоревичу.

Все эти люди сделали для меня принятую в научных текстах обезличенную, пассивно-залоговую форму изложения («...has been investigated», «были исследованы») одушевленной («we investigated.», «мы исследовали»), таким образом сделав для меня употребление местоимения «мы» осознанным и даже намеренным.

Благодарность команде Университета ИТМО во главе с ректором проф., д.т.н., Васильевым Владимиром Николаевичем за всю работу, которую совершает эта команда по развитию и поддержке научных коллективов и их исследований. Особая благодарность проф., д.т.н. Владимиру Олеговичу Никифорову, в частности, за поддержку моего проекта «LED PASS», появившемуся благодаря проводимым исследованиям и сложившемуся научному коллективу.

Наконец, благодарность отцу, проф., д.т.н. Козыреву Андрею Борисовичу и матери Васильевой Вере Вячеславовне.

Реферат

Общая характеристика работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аналоговые радиофотонные компоненты с цепями согласования импедансов для использования в системах передачи данных»

Актуальность работы

Сравнительно новое отраслевое направление, радиофотоника, возникло при слиянии радиоэлектроники, сверхвысокочастотной (СВЧ) оптоэлектроники и интегральной оптики. Радиофотоника преимущественно изучает взаимодействие оптического излучения и СВЧ радиочастотного сигнала в задачах приема, передачи и обработки информации. При этом компоненты фотоники используются совместно с радиоэлектронными элементами, узлами и устройствами.

Ключевыми радиофотонными компонентами традиционно являются передатчик, представляющий собой, например, непрерывно излучающий лазер с внешним модулятором или лазер с прямой модуляцией, и приемник-фотодетектор. Эти радиофотонные компоненты, быстродействующие лазеры и фотодетекторы, определяются термином «волоконные» устройства, по устоявшемуся термину radio over fiber (RoF), часто отождествляемому с термином радиофотоники. Однако с развитием отрасли компоненты радиофотоники служат и для беспроводной передачи данных на разных длинах волн оптического диапазона. С ростом числа коммуникационных сетей возрастает и потребность в новых радиофотонных методах и средствах передачи данных, методах их разработки.

При разработке радиофотонного передатчика или приемника неизбежно возникает задача эффективного наложения модулирующего радиочастотного сигнала на оптический сигнал. Используя терминологию из области СВЧ техники, можно сказать, что требуется согласование импеданса в заданной полосе радиочастотного спектра для того или иного оптико-электронного или электрооптического компонента с импедансом радиочастотного тракта, в котором компонент используется в качестве передатчика или приемника. Рассогласование импедансов служит источником потерь энергии и ухудшения, вплоть до

постепенной деградации, параметров устройства. Для проектирования согласующей цепи (СЦ) необходимо исследование свойств оптико -электронного или электрооптического компонента и расчет цепи для заданной полосы частот. Разработка методов проектирования и конструкций радиофотонных компонентов являются крайне актуальными задачами ввиду постоянного роста числа приемо -передающих радиофотонных систем.

Данное диссертационное исследование посвящено разработке новых конструкций и методов проектирования и изготовления приемо-передающих оптико-электронных устройств, требующих цепей импедансного согласования, для радиофотонных систем передачи данных.

В исследовании рассмотрена разработка СВЧ волоконного фотодетектора, где СЦ реализована в гибридном интегральном исполнении и построена на резистивном элементе и разработка приемо-передающего модулей оптико-электронной системы беспроводной передачи данных, работающей в видимом диапазоне длин волн, где СЦ являются реактивно-резистивными и реализованы на сосредоточенных элементах.

Целью настоящей работы является разработка методов проектирования и изготовления, а также научно обоснованных оригинальных конструктивных решений передающих и приемных модулей оптико -электронной системы беспроводной передачи данных, работающей в видимом диапазоне длин волн, а также волоконного фотоприемного модуля ИК-диапазона спектра с применением согласующих цепей для повышения эффективности оптических систем связи.

Для достижения цели были выполнены следующие задачи:

1. Проведение аналитического обзора литературы в части современных радиофотонных компонентов: волоконных фотоприемных и лазерных модулей ИК-диапазона, приемо-передающих модулей видимого диапазона.

2. Разработка метода изготовления и конструкции волоконного ИК фотоприемного модуля на основе кристалла InGaAs/InP структуры типа р-ьп с широкополосным (до 40 ГГц) резистивным СВЧ согласованием, реализованным по микрополосковой технологии.

3. Изготовление опытного образца СВЧ фотоприемного модуля, проведение исследований СВЧ характеристик.

4. Разработка методов проектирования и конструкций светодиодного передающего и принимающего оптико-электронного модуля видимого диапазона длин волн для беспроводной передачи данных с узкополосными цепями согласования, реализованных на реактивных сосредоточенных элементах.

5. Изготовление опытных образцов оптико-электронных модулей видимого диапазона длин волн на основе белых люминофорных светодиодов (СД) и СД, излучающих в красном, зеленом и синем диапазонах спектра (RGB -Red/Green/Blue), и исследование энергетических и спектральных характеристик канала передачи данных, образуемого разработанными модулями.

Научная новизна работы

1. Предложен метод проектирования, позволяющий разрабатывать фотоприемные волоконные модули для коаксиальных СВЧ трактов на основе полупроводниковых кристаллов, имеющих планарную структуру омических контактов. Суть метода состоит в том, что СВЧ объемная модель кристалла фотоприемника (ФП) строится на основе экспериментальных измерений высокочастотного комплексного сопротивления кристалла ФП. Модель далее позволяет учитывать неоднородности, вносимые конкретным типом кристалла в СВЧ линию внутри корпуса фотоприемного модуля и оптимизировать общую конструкцию для минимизации переотражений СВЧ сигнала. Предложенная на основе данного метода проектирования конструкция СВЧ фотоприемного модуля спектрального диапазона 1300-1500 нм на основе кристалла InGaAs/InP структуры типа p-i-n обеспечивает полосу пропускания не менее 16 ГГц, фоточувствительность не менее 0,5 А/Вт и линейный динамический диапазон не менее 40 дБ с нижним порогом чувствительности по входной оптической мощности 300 нВт.

Конструкция отличается (патент на полезную модель №181218 от 06.07.2018) тем, в корпусе предусмотрена вставка с размещенной на ней платой СВЧ с токоведущей линией и резистором 50 Ом, включенным электрически параллельно токоведущей дорожке. Дорожка соединена с разъемом СВЧ установленным в пазу. При этом паз расположен с одного края вставки, а на другой ее стороне выполнена канавка для установки волокна и сопряжения его с фоточувствительным элементом. При этом также возможен и вертикальный подвод оптического волокна. Технический результат - обеспечение возможности расширения рабочего диапазона частот СВЧ сигнала.

2. Предложен метод проектирования и изготовления передающего модуля оптико-электронной системы (ОЭС) беспроводной передачи данных (в частности, в составе светильника), работающего в видимом диапазоне длин волн. Метод позволяет обеспечить заданную полосу пропускания модуля для осуществления высокочастотной модуляции. Суть метода состоит в том, что в оптико-электронную схему передающего модуля на основе светодиодной матрицы встраивается цепь согласования импедансов радиочастотного тракта, расчет которой основывается на измерении высокочастотного комплексного сопротивления светодиодов (СД), устанавливаемых в матрицу; измерение проводится на специально разработанном для этой цели стенде. С помощью метода разработан передающий модуль с матрицей из белых люминофорных СД, осуществивший беспроводную передачу сигналов с произвольными видами амплитудно-фазовой манипуляции с центральной (несущей) частотой модулирующего сигнала от 20 до 40 МГц и полосой сигнала до 30 МГц на расстоянии до 4 м. Также метод апробирован при создании передающего модуля на основе RGB-светодиодов. Предложена конструкция излучающего модуля на основе матрицы СД типа RGB с цепью согласования импедансов радиочастотного тракта, которая позволяет осуществлять беспроводную передачу сигналов с

произвольными видами амплитудно-фазовой манипуляции совместно с изменением цветности освещения.

3. Предложен метод расчета оптической схемы светильника, позволяющий выбрать оптимальную конфигурацию светодиодного модуля (размер матрицы, количество и расположение СД) для беспроводной передачи данных на требуемое расстояние. Для реализации метода построена оригинальная модель, описывающая оптическую систему из распределенного источника излучения (матрицы СД) и приемника излучения. Суть метода состоит в том, чтобы, используя данную модель, рассчитать отношение сигнал/шум на фотодетекторе и выбрать оптимальную конфигурацию источника, при которой это соотношение будет пригодно для последующей обработки сигнала в ВЧ тракте. При практическом проектировании метод дополняет метод п.2.

4. Разработана оригинальная конструкция фотоприемного модуля видимого диапазона длин волн, обеспечивающего прием и обработку сигналов от разработанных передающих модулей. Показано, что для расстояния между источником и приёмником до 0,5 м использование линзы не требуется, а при расстояниях более 0,5 метров (в эксперименте до 4 м) правильный дизайн линзы и просветляющего покрытия позволяет увеличить мощность электрического сигнала, снимаемого с фотодетектора в 3 - 4,5 раза. Как и для разработанных передающих модулей, отличительной особенностью ФП модуля является передача данных по протоколам стандарта IEEE802.11n и наличие интерфейсов, обеспечивающих непосредственный выход в глобальную сеть интернет. Отличительной особенностью конструкции фотоприемного модуля, работающего в составе разработанной ОЭС, также является наличие интерфейса USB, обеспечивающего одновременно питание лавинного фотодиода от напряжения 5 В и подключение к персональному компьютеру.

Научная и практическая значимость работы

Предложенные при выполнении разработок методы проектирования и изготовления, а также конструкции передающих и приемных модулей могут быть использованы для создания локальных систем передачи данных видимого диапазона длин волн. Предложенный метод изготовления и конструкция фотоприемного модуля для кристалла на основе InGaAs/InP может быть использована для создания быстродействующих фотоприемных и излучающих приборов на основе полупроводниковых кристаллов, имеющих планарную структуру омических контактов, и, в частности, копланарную топологию линии передачи СВЧ сигнала.

Теоретические и практические результаты диссертационного исследования в части разработки волоконного фотоприемного модуля использовались в Университете ИТМО в ходе выполнения научно-исследовательской работы «Разработка компонентной базы радиофотоники для создания современных оптических аналого-цифровых преобразователей» в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы», соглашение № 14.581.0013 от 04.08.2015, уникальный идентификатор RFMEFI58115X0013.

По достигнутым СВЧ характеристикам для разработанного фотоприемного модуля спектрального диапазона 1300-1500 нм на основе кристалла InGaAs/InP структуры типа р-ьп, в 2018 году, на момент окончания НИР, в Российской Федерации аналогов не имелось. Таким образом, впервые в РФ был сделан полностью отечественный (от конструкции гетероструктуры до готового модуля) фотоприемный модуль с полосой пропускания не ниже 16 ГГц, фоточувствительностью не менее 0,5 А/Вт и линейным динамическим диапазоном не менее 40 дБ с нижним порогом чувствительности по входной оптической мощности 300 нВт.

Результаты работы также были использованы при выполнении НИР «Разработка кристалла резонансного р-ьп фотоприемника спектрального

диапазона 850 нм для приема сверхвысокочастотных сигналов в оптоволоконных линиях связи», проводимой в Университете ИТМО в период с 15.10.2016 по 15.10.2018 в рамках реализации программы повышения конкурентоспособности Университета ИТМО среди ведущих мировых научно-образовательных центров (5100). Предложенный метод проектирования СВЧ фотоприемных модулей был успешно применен для изготовления ФП модуля диапазона 850 нм с полосой пропускания 10 ГГц на основе кристалла резонансного р-ьп фотоприемника.

Результаты по разработке передающих и приемных модулей оптико-электронной системы (ОЭС) беспроводной передачи данных, работающей в видимом диапазоне длин волн были использованы в ходе выполнения ПНИЭР по теме: «Разработка комплекса беспроводной системы передачи данных по технологии Li-Fi для интернета вещей и интеллектуальной световой среды в городском пространстве» в рамках Федеральной программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», шифр 2017-14-582-0001-084, соглашение №14.581.21.0029, уникальный идентификатор RFMEFI58117X0029.

В середине 2017 года научная группа Университета ИТМО (сегодня относящаяся к факультету лазерной фотоники и оптоэлектроники) впервые в РФ продемонстрировала опытную передачу данных через видимый свет со скоростью 50 Мбит/с, передавая видеоролики между двумя ноутбуками. Работа выполнялась в рамках проекта, реализуемого в партнерстве с АО «Связь Инжиниринг», ООО «О2 Световые Системы» и ОАО «Авангард» по заказу Министерства промышленности и торговли. Предложенные в настоящей работе методы проектирования устройств системы ОЭС внесли значительный вклад в дальнейшее развитие системы и позволили разработать первую в России действующую систему передачи данных по технологии Li-Fi, обеспечивающую стабильную передачу данных по видимому свету на расстояния до 4 м со скоростями не ниже 20 Мбит/с.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанные метод изготовления и конструкция волоконного фотоприемного модуля спектрального диапазона 1300-1500 нм на основе кристалла InGaAs/InP структуры типа p-i-n позволяют обеспечить полосу пропускания не менее 16 ГГц, фоточувствительность не менее 0,5 А/Вт и линейный динамический диапазон не менее 40 дБ с нижним порогом чувствительности по входной оптической мощности 300 нВт.

2. Предложенный метод разработки схемы передающего модуля ОЭС беспроводной передачи данных в видимом диапазоне длин волн, основанный на введении в схему цепи согласования импедансов с параметрами, определяемыми на основе экспериментального измерения S-параметров используемых оптоэлектронных компонентов, и предложенная конструкция ОЭС обеспечивают беспроводную передачу сигналов с амплитудно -фазовыми видами модуляции, которые могут занимать полосу частот до 30 МГц и иметь центральную частоту несущего сигнала в диапазоне от 20 МГц до 40 МГц.

3. Предложенный метод разработки передающего модуля ОЭС беспроводной передачи данных в видимом диапазоне длин волн, основанный на введении в схему цепи согласования импедансов и последующем расчете оптической схемы ОЭС, параметры которой определяются на основе результатов моделирования оптической системы из источника и приемника излучения, и предложенные конструкции передающего и приемного модулей ОЭС обеспечивают беспроводную передачу амплитудно- и фазо-манипулированных сигналов на расстояния до 4 м со скоростью не ниже 20 Мбит/с.

Достоверность

Достоверность результатов исследования обеспечивается использованием современных методов научного исследования, в частности, проведением вычислений параметров электрических цепей в программе Microwave Office,

моделированием объемных и планарных СВЧ структур в программе Ю^, и проведением оптических расчетов в программе для автоматизированного расчёта оптических систем 7етах с использованием численного метода трассировки лучей Монте-Карло.

Верификация расчетов проводилась путем сопоставления результатов расчетов компьютерных моделей и экспериментальных данных, полученных в процессе исследования приемо-передающих модулей видимого диапазона длин волн и СВЧ волоконного ИК фотоприемного модуля с применением современного поверенного высокотехнологичного оборудования по утвержденным программам и методикам испытаний. Результаты компьютерного моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Полученные результаты были представлены на научных конференциях, семинарах, опубликованы в рецензируемых научных журналах; по результатам исследования получены патенты на программы ЭВМ и на полезную модель.

Внедрение результатов работы

Результаты работы защищены патентами:

1. Патент на полезную модель «Модуль фотоприемный высокочастотный» № 181218 от 06.07.2018, правообладатель Университет ИТМО.

2. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программа для моделирования СВЧ согласования аналогового фотоприемника на основе полупроводникового Р -КЫ диода «MatchPhotorec V. 1.0», правообладатель Университет ИТМО.

3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программа для моделирования выходных характеристик аналогового СВЧ фотоприемника на основе полупроводникового Рдиода «MWPhotorec V. 1.0» № 2017611973 от 14.02.2017, правообладатель Университет ИТМО.

4. Патент на полезную модель «Устройство управления светом» № 188840 от 25.04.2019.

5. Патент на полезную модель «Устройство оптической беспроводной сети» № 199497, от 03.09.2020, правообладатель Университет ИТМО.

6. Патент на полезную модель «Устройство управления потоком излучения» № 197284 от 17.04.2020.

Внедрение результатов работ происходило на предприятиях ОАО «Авангард», АО «Связь Инжиниринг», АО «НПО ЦТС», НТЦ «Модуль» в рамках исполнения проектов «Разработка компонентной базы радиофотоники для создания современных оптических аналого-цифровых преобразователей» и «Разработка комплекса беспроводной системы передачи данных по технологии Li -Fi для интернета вещей и интеллектуальной световой среды в городском пространстве». Результаты также внедрены в образовательный процесс факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО в рамках образовательной программы «Светодиодные технологии и оптоэлектроника». Методология и методы исследования

1. Проведение компьютерного моделирования оптических систем в среде Zemax®.

2. Проведение компьютерного моделирования в среде Microwave Office®.

3. Проведение компьютерного моделирования в среде HFSS®.

Измерения параметров проводилось поверенными приборами по

утвержденным программам и методикам испытаний. Апробация работы

Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на

следующих международных и российских конференциях:

1. International School-Conference SPb Open 2017, СПб АУ РАН, 03.04.2017-06.05.2017, доклад «High-speed 1.3-1.55 um PIN photodetector based on InGaAs/InP heterostructure for microwave photonics».

2. XLVI Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, Университет ИТМО, 31.01.2017-03.02.2017, доклад «Источник света для модулирования светового сигнала в сети Li - Fi».

3. Конференция с международным участием XLVI "НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбПУ», СПБПУ «Политех», 13.11.2017-19.11.2017, доклад «Широкополосный быстродействующий pin фотоприемник спектрального диапазона 1310-1550 нм в составе оптического модуля связи».

4. VII Конгресс молодых ученых (КМУ), Университет ИТМО, 17.04.201820.04.2018, доклад «InGaAs p-i-n фотоприемник для систем широкополосной передачи СВЧ сигнала по оптическому волокну».

5. Всероссийская научно-техническая конференция «Электроника и микроэлектроника СВЧ», СПБ ЭТУ «ЛЭТИ», 28.05.2018-31.05.2018, доклад «Применение RGBW светодиодов для систем передачи данных по видимому свету».

6. Laser Optics 2018, СПБ, 04.06.2018-08.06.2018, стенд Visible Light Communications на выставке.

7. INTERPHOTONICS 2018, Antalya, Turkey, 08.10.2018-12.10.2018, доклад «High-speed Fiber-coupled InGaAs/InP Photodetector for С- and L- optical Wavelength Transmission Bands ».

8. EMERGING TRENDS IN APPLIED AND COMPUTATIONAL PHYSICS 2019, СПБ, 21.03.2019 - 22.04.2019, доклад «Wireless local data transmission network trough LED lightning compatible with IEEE 802.11».

9. World Congress on Lasers, Optics and Photonics 2019, Barcelona, 23.09.2019 - 25.09.2019, доклад «HIGH-SPEED PHOTODETECTORS FOR O-, AND С+L-TRANSMISSION BANDS IN MICROWAVE PHOTONIC CHANNEL».

Публикации:

Основные результаты диссертации опубликованы в 6 научных статьях, все публикации индексируются в базе данных Scopus.

1. Kozyreva O.A., Polukhin I.S., Shiryaev D.S., Shcheglov S.A., Borodkin A.I., Gareev E.Z., Kondakov D.V., Matveev Y.A., Odnoblyudov M.A., Bougrov V.E. Wireless local data transmission network through LED lighting compatible with IEEE 802.11 protocol communication systems/Journal of Physics: Conference Series, 2019, Vol. 1236, No. 1, pp. 012085

2. Kozyreva O.A., Solov'Ev V.V., Polukhin I.S., Mikhailov A.K., Mikhailovskiy G.A., Odnoblyudov M.A., Gareev E.Z., Kolodeznyi E.S., Novikov I.I., Karachinsky L.Y., Egorov A.Y., Bougrov V.E. High-speed 1.3 -1.55 um InGaAs/InP PIN photodetector for microwave photonics//Journal of Physics: Conference Series, 2017, Vol. 917, No. 5, pp. 052029

3. Rochas S.S., Kolodeznyi E.S., Kozyreva O.A., Voropaev K.O., Sudas D.P., Novikov I.I., Egorov A.Y. A heterostructure for resonant-cavity GaAs p-i-n photodiode with 840-860 nm wavelength//Journal of Physics: Conference Series, 2019, Vol. 1236, No. 1, pp. 012071

4. Platonov R., Yastrebov A., Altynnikov A., Mikhailov A.K., Kozyreva O.A., Osadchiy V., Kozyrev A. Microwave photonic system with phased array antenna//International Journal of Microwave and Optical Technology, 2018, Vol. 13, No. 3, pp. 238-243

5. Borodkin A.I., Krasavtsev I.A., Gareev E.Z., Polukhin I.S., Kozyreva O.A., Shcheglov S.A., Shiryayev D.S., Odnoblyudov M.A., Bugrov V.E. Errors in simplex data transmission channel based on visible light communication/Journal of Physics: Conference Series, 2019, Vol. 1326, No. 1, pp. 012030

6. Borodkin A.I., Gareev E.Z., Krasavtsev I.A., Kozyreva O.A., Polukhin I.S., Odnoblyudov M.A., Bougrov V.E. Signal processing scheme for error control in visible light communication data transmission system/Journal of Physics: Conference Series, 2019, Vol. 1410, No. 1, pp. 012098

Прияты к публикации, но на момент опубликования диссертационного исследования еще не опубликованы (ожидание публикации в декабре 2020 г.):

7. Shiryaev D.S., Kozyreva O.A., Polukhin I.S., Borodkin A.I., Odnoblyudov M.A., Bougrov V.E. Visible light communication system with changing lighting color//Springer Proceedings in Physics, 2020, Vol. 255, No. 24, pp. 433323

8. Вeliakov N.A., Borodkin A.I., Polukhin I.S., Kozyreva O.A., Shiryayev D.S., Kamarchuk A.V., Odnoblyudov M.A., Bougrov V.E. Transmission Errors in Screen-Camera Link System//Springer Proceedings in Physics, 2020, Vol. 255, No. 57, pp. 433323

9. Козырева О.А., Бугров В.Е., Ширяев Д.С., Полухин И.С., Щеглов С.А., Одноблюдов М.А., Дегтярева С.А. Система интеллектуального освещения и передачи данных на основе RGBW-светодиодов // Светотехника -2020. - № 6.

Личный вклад автора

Все приведенные в работе расчёты и экспериментальные исследования выполнены лично автором либо при его определяющем участии.

Разработка метода изготовления и конструкции опытного образца высокочастотного фотоприемного модуля, а также сборка модуля, выполнены лично соискателем. Разработка гетероструктуры кристалла фотоприемника и его изготовление проводилось с определяющем участием коллектива предприятия «Коннектор Оптикс».

Разработка общей концепции ОЭС передачи данных видимого диапазона длин волн и общей конструкции модулей ОЭС выполнена совместно с творческим коллективом центра интегральной фотоники и радиофотоники на факультете лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО и коллег из СПбГПУ

(«Политех»). Разработка методов проектирования модулей видимого диапазона и проведенное моделирование выполнено соискателем.

Цели и задачи исследования сформулированы автором совместно с соавторами и научным руководителем. Подготовка научных статей и докладов на конференциях проводилась совместно с соавторами. Написание текстов публикаций проводилось лично автором либо при его определяющем участии. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной материал изложен на 236 страницах, содержит 117 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 252 источников. В первом приложении приведены описания компьютерной модели, во втором приложении приведены тексты опубликованных статей.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы. Представлены научная новизна и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации проводится аналитический обзор научно -технической литературы. Глава состоит из четырех обзорных разделов.

В первом разделе рассматриваются основные компоненты и принципы построения радиофотонных систем передачи данных.

Во втором разделе рассматриваются СВЧ фотодиоды типа p-i-n как объекты для моделирования и разработки фотоприемных модулей на их основе.

В третьем разделе рассматриваются теоретические аспекты импедансного согласования и описания характеристик компонентов на СВЧ.

В четвертом разделе приводится обзор по технологии Li-Fi и свойств компонентов, используемых для систем передачи данных, построенных по этой технологии.

Во второй главе описан метод разработки и конструкция фотоприемного модуля спектрального диапазона 1300-1500 нм на основе InGaAs/InP кристалла структуры типа PIN.

В первом разделе приведены расчеты параметров гетероструктуры и конструкции кристаллов фотодетектора для обеспечения заданных характеристик по быстродействию.

Во втором разделе приведено описание объемной СВЧ модели кристалла ФП PIN и результаты экспериментального исследования СВЧ характеристик изготовленных кристаллов с помощью зондовых измерений. Результаты измерений далее используются в созданной модели. На рисунке 1 показаны рассчитанные и измеренные частотные зависимости коэффициента отражения кристалла с диаметром активной области 10 мкм. Объемная модель кристалла ФП была построена для проектирования общей конструкции корпуса и обеспечения СВЧ согласования, которое обсуждается в следующих разделах. Модель

реализована в программе трехмерного моделирования СВЧ структур выполняющей решение уравнений электродинамики для графической модели объекта с заданными граничными условиями.

(а) (б)

Рисунок 1 - (а) - измеренные комплексные сопротивления кристалла на диаграмме Смита и график зависимости реактивного сопротивления кристалла в

зависимости от частоты; (б) - фото кристалла при выполнении зондовых

измерений.

В третьем разделе описано моделирование конструкции модуля фотодетектора, обеспечивающей широкополосное согласование. Учтены такие неоднородности, как коаксиально-полосковый переход, а также рассмотрено влияние места посадки кристалла на плату и топология резисторов на итоговый коэффициент отражения от модуля.

На рисунке 2 показана одна из конструкций, смоделированная для расчета коэффициента отражения от СВЧ выхода фотоприемного модуля. Кристалл разваривается на плату с копланарной линией передачи, в которой реализован тонкопленочный согласующий резистор. Земля платы и копланарных контактов соединяется через сквозные металлизированные отверстия в плате. Фотодиод в

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Козырева Ольга Андреевна, 2020 год

- ы

5 * го Й Е-05

Б866

-

* Ч и о 2 15 Е-05 Ё 1,0Е-05 4 0.

5м,

без

О линз

9,0Е-06 Г -Н-

—1 1— ы

8,0Е-06

1 10 100 Конфигурация (Количество СД в

матрице)

6,5Е-05

♦ Р0Б1

х 6,0Е-05 00_0.

5м, с

!3 ш

£ ш* Р Е-05 линз

ой

от 1 1

2 £

ят

* Е-05 со 01 й ■ Б866

4_0.5

? °

тиф ♦ м, с

¿5 4,5Е-05 < ►

1 линз

ой

4,0Е-05

1 10 100 Конфигурация (Количество СД в

матрице)

(а)

(б)

4,5Е-06

РП510

♦

0 1

а 4,0Е-06 < ► *

н м,

д 1-

т с са без

о <и £ 3,5Е-06

н линз

^

о 1- ы

^

я т ■ Б8664

а Ч 3,0Е-06 о т 1 м,

с

е

ч и т о без

ф

с 2,5Е-06 линз

О 1 1 ы

■ Щ

1 10 100

Конфигурация (Количество СД в матри

1,6Е-05

гс 1,5Е-х

£ Ь

1 й

1С °

О I-

^ ¡Й Е-

к I-

Л (и

з 5

£ ¡5 Е-

2 к»

05

05

05

05

1,1Е-05

♦ Р0Б1 00_1 м, с линз ой

■ 5866 4_1м , с

линз ой

1,0Е-05 -—.......I

1 10 100 Конфигурация (Количество СД в матрице)

(в)

и со ° £

о

м

а:

е к I-

ае * Ч и о

«и н ^ 13

2

1,2Е-06

1,0Е-06

8,0Е-07

6,0Е-07

4,0Е-07

2,0Е-07 -

0,0Е+00

♦ РЭБЮ 0_2 м, без линз ы

■ Б8664 _ 2 м, без линз ы

1 10 100

Конфигурация (Количество СД в матрш

(г)

4,5Е-06 4,0Е-06

а

¡5 Е-06 и оа

° <и Е-06 | | Е-06 л й Е-06

« ° Е-06

чо иф

|= 1,0Е-06 О

5,0Е-07 0,0Е+00

♦ Р0Б1 00_2 м, с линз ой

Б866 4_2м , с

линз ой

1 10 100 Конфигурация (Количество СД в

я (К матрице)

(д) (е)

Рисунок 112 - Зависимости оптической мощности на фоточувстивтельной флощадке при одинаковой мощности источника, для различных конфигураций

источника расстояний и детекторов.

Анализ зависимостей (выборка приведена на рисунке 112) показывает следующее. На близких расстояниях, на которых фактически передача данных в такой системе вряд ли будет осуществляться (до 1 м) и где можно было бы не использовать линзу, 16 СД (в соответствующих размерах источника) являются оптимальным значением. Дальнейшее увеличение числа СД и, как следствие, эффективной площади излучения, не приводит к увеличению оптической мощности на фотодетекторе. Сравнение производится для двух детекторов с площадью, отличающейся почти вдвое (7 мм2 - у фотодетектора Б8664 и 13 мм2 -

у FDS100). Вместе с тем, на расстоянии, на котором наиболее вероятна работа системы (2 м), особенно при использовании линзы, детектор с меньшей площадью будет принимать больше излучения при увеличении числа СД (экстремумы хорошо видны на графике рисунке 112 (е)), в отличие от ситуации без линзы (рисунок 112 (д)). При этом, для 16 СД на расстоянии 2 м, площадь детектора фактически не имеет значения, что говорит об этом расстоянии как наиболее благоприятном при таких конфигурациях. Рисунок 113 иллюстрирует, как соотносятся выбираемая конфигурация и угол приема фотодетектора.

матрица СД

расстояние от источника до приёмника

Рисунок 113 - Соотношение угла приема, расстояния до источника и размера

матрицы.

Далее рассмотрим зависимости мощности, дошедшей до фотодетектора, в случае, когда с увеличением числа СД в матрице, и, следовательно, площади источника пропорционально увеличивается излучаемая мощность (рисунок 114). Полученные зависимости также выявляют что, только начиная с 16-СД конфигурации, на всех расстояниях регистрируется квадратичное возрастание оптической мощности, попадающей на фотодетекторы. Таким образом, можно заключить, что число детекторов менее 16 (или выбранная площадь) не будет являться достаточным (особенно для фотодетектора без линзы). С линзами, и в конфигурациях с числом СД меньше 16, наблюдается квадратичное увеличение детектируемой мощности, однако, именно при значениях, начиная с 16 СД, наблюдается значительный рост; при этом, как показывают расчеты, для

фотодетектора S8664 он оказывается выше, что также коррелирует с полученными данными по диаграмме приема.

Рисунок 114 - Зависимости оптической мощности: (а) - для FDS100, без линзы при различных расстояниях; (б) - для обоих детекторов с линзой, на расстоянии 1

м.

4.4 Расчет фототока с учетом спектрального преобразования Целевой характеристикой, рассчитываемой в модели, является фототок 1Р, который определяется оптической мощностью, попадающей на фоточувствительный слой.

На практике для определения фототока 1Р необходимо определить напряжение У0 (соотношение (27)) на нагрузочном сопротивлении ^, включенного между анодом фотодиода и «землей». Выходное напряжение определяется как произведение оптической мощности Фе, спектральной чувствительности Я (соотношение (28)) и нагрузки ^:

Уо = ФехЯхЯь, (27)

ВД=ФТ ■ (28)

Далее приведено описание этапов преобразования энергии излучения от источника излучения до фотоприёмного элемента.

Этап 1. Для каждого расстояния и для выбранных конфигураций получен коэффициент цор1, который представляет собой величину потерь, обусловленную оптической системой, т.е. потерь энергии при преобразовании от источника излучения к приёмнику в заданной конфигурации источника и приемника. Производится учет потерь потока излучения через коэффициент цор1 при преобразовании излучения от источника до приемника с учетом геометрических ограничений, связанных с размером приёмного устройства и удаленностью от источника излучения.

Этап 2. Измеряется (или берется по данным из спецификации) световой поток одного СД. Производится расчет полного светового потока Фу1Еи с учетом количества светодиодов п в излучающем модуле (формула (29)). Для СД белого цвета излучения производится пересчет его световых параметров ФУ1еэ в энергетические ФеьЕо, с учётом кривой видности глаза V (Л.) (соотношение(30)):

Этап 3. Для перехода к следующему этапу вычислений необходимо привести данные распределения энергетической спектральной плотности ФеЬЕО (Х)йХ, которые выражены в относительных единицах (см. график спектра в спецификации на СД), к абсолютным значениям, выраженным в Вт/нм. Для этого производится нормировка значений ФеЬЕО(Х)йХ через коэффициент Кнорм. После чего получается распределение энергетической спектральной плотности Ф eLED(Л) [Вт/нм], с учетом полной оптической мощности ФeLED [Вт], излучаемой источником.

Вычисляется нормировочный коэффициент Кнорм (соотношение (31)),

ФеЬЕБ =П*ФеЬЕоЛВт1

(29)

(30)

К

ФеЬЕо[Вт]

(31)

н^м { Фе1Е0(Х)йА [отн.ед]

Производится нормировка значений через коэффициент Кнорм распределения энергетической спектральной плотности Ф^еэ [отн.ед/нм] к абсолютной величине [Вт/нм], с учетом полной оптической мощности Ф^еэ [Вт], излучаемой источником.

| ФеЬЕоС^Л = Кнорм X | ФеЬЕоС^Л ■ (32)

Этап 4. Производится учет потерь потока излучения через коэффициент цор1 при преобразовании излучения от источника до приемника с учетом геометрических ограничений, связанных с размером приёмного устройства и удаленностью от источника излучения. Это равно количеству энергии, которое попадает на фотодиод ФеРО [Вт] - формула (33).

ФеРП = ЛорГ X I Фе1Ео(Л)ЛЛ ■ (33)

Этап 5. Производится расчет величины фототока 1р путем пересчета через коэффициент цор1 результата преобразования спектральной плотности излучения источника света (светодиода) Ф^еи [Вт/нм] с учетом спектральной чувствительности фотодиода Я(Л) [А/Вт] - соотношение (34).

1р = Фери * ^Л)йЛ = Лорг I ФеЬЕо(Л) X Я(Л)йЛ. (34)

Пример преобразования проиллюстрирован на рисунке 115.

R(Л)

ФeLED(Л)

ФeLED(Л)*R(Л)

1,2

ч (и 1

X 1- 0,8 —

о .0 0,6

и о 0,4

н в и 0,2 у

н V 0

1- н 350

550 750 950 Длина волны, [нм]

R(Л)

ФeLED(Л)

ФeLED(Л)*R(Л)

350 550 750 950 Длина волны, [нм]

(а)

(б)

Рисунок 115 - Результат преобразования кривой интенсивности излучения светодиода ФеьЕй № с учетом спектральной чувствительности фотодетектора Я (Я), кривая ФеьЕо № х & № - (а) - для фотодиода FDS100 и (б) - фотодетектора S6884.

4.5 Оценка шумов на фотодетекторе и отношения сигнал/шум на фотодетекторе

В модели, описывающую шум на фотодетекторе, учитывается три вида шума: дробовой, шум темнового тока и тепловой шум.

4.5.1 Дробовой шум Дробовой шум наряду со многими другими флуктуационными явлениями описывается с помощью модели импульсного случайного процесса. Фототок, индуцированный в схеме фотоприемника, содержит суперпозицию импульсов тока, каждый из которых связан с детектированным фотоном. Отдельные импульсы экспоненциально затухают. Схематично процесс изображен на рисунке 100.

Рисунок 116 - Схема возникновения дробового шума.

1

Пусть случайное число т фотоэлектронов приходит за время Т = — (В -

2В

полоса пропускания фотоприемника) и генерирует фототок 1(1), где t - момент времени, непосредственно следующий за интервалом Т. Таким образом, среднее значение тока (формула (35)) и дисперсии тока (формула (36)) будет равно:

е

О2 =(е)2< (36)

где - среднее число фотонов, приходящие на фотоприемник в интервал Т.

Если фотоны распределены в соответствии с распределением Пуассона в

случае когерентного излучения, то <т ^. Таким образом, соотношение сигнал/шум для фототока, вызванного флуктуациями в потоке фотонов, будет определяться в соответствии с соотношением (37), где фототок 1Р, создаваемый модулированным светом источника излучения, можно вычислить по соотношению (38).

/Л 2 /г 2\1/2

N = ДТ = (37)

I. = п1вс тм* (38)

р

где, п - глубина модуляции переменного СВЧ излучения, 1ПС- фототок, созданный постоянной составляющей оптического излучения, w- частота модулированного света. Таким образом, для соотношения сигнал/шум дробового шума справедливо выражение (39):

=2ПЬ • <39)

4.5.2 Шум темнового тока

При отсутствии внешнего излучения в цепи фотоприемника всё равно протекает малый ток (темновой). Данный ток возникает из-за тепловой генерации электрон-дырочных пар или за счет туннелирования. Темновой ток вносит вклад в общий шум системы и дает случайные колебания относительно среднего фототока. Соотношение сигнал/шум для темнового тока можно описать соотношением (40):

(I2)

=-^-, (40)

2еЯ(( Iр2) + 1В)

где 1П - величина темнового тока.

Тогда, отношение сигнала к шуму темнового тока при попадании на фотоприемник модулирующего излучения принимает вид (формула (41)):

п212

SNR _ _" 1 БС__//114

2у12вБ(п1вС +421б ) (41)

Шум темнового тока будет чуть меньше, чем дробовой шум из-за добавки в знаменатель величины темнового тока.

4.5.3 Термический шум

Термический (тепловой) шум, также называемый шумом Джонсона или шумом Найквиста, является результатом случайных тепловых движений электронов в проводнике. Полная мощность теплового шума для фотоприемника с полосой пропускания В описывается известным соотношением (42):

Ъ = 4квТВ, (42)

где квТ - тепловая энергия.

С другой стороны, мощность теплого шума можно записать как произведение квадрата среднего значения фототока на полное эквивалентное сопротивление, включая внутреннее сопротивление фотоприемника и сопротивление нагрузки во внешней цепи . Тогда, справедливо соотношение (43):

SNR = -. (43)

4вкВГВ / RL

Для быстродействующих фотоприемников именно этот вид шума является определяющим, т.к. полоса пропускания В достаточна велика.

4.6 Результаты моделирования и сравнение с экспериментальными данными

Во-первых, проведен расчет количества энергии, которое попадает на фотодиод с линзой: без просветляющего покрытия, с линзой с просветляющим покрытием, и проведено сравнение с системой без использования линзы. Результаты сведены в таблицу 11.

Таблица 11 - Результат вычислений энергии на фотодетекторе, в зависимости от расстояния между приёмником и источником излучения с использованием фокусирующей линзы.

Расстояние от ИС до ФД, [м] Без линзы Линза LA1576 Линза LA1576 AR

ФePD, [Вт]

0,5 1,5E-05 1,47E-05 1,51E-05

1,0 3,7E-06 1,10E-05 1,15E-05

1,5 1,7E-06 6,15E-06 6,33E-06

2,0 1,1E-06 3,75E-06 4,14E-06

2,5 6,4E-07 2,72E-06 2,78E-06

3,0 5,0E-07 1,74E-06 1,96E-06

3,5 3,2E-07 1,44E-06 1,55E-06

4,0 2,5E-07 1,00E-06 1,12E-06

Для расстояния между источником и приёмником равным 0,5 м использование линзы не даёт существенной прибавки сигнала на фотоприёмнике, при расстояниях, более 0,5 метров прибавка величины сигнала составляет 3 - 4,5 раза. Использование просветляющего покрытия на линзе даёт прибавку сигнала около 6-7%.

Во-вторых, для верификации предложенной модели, были проведены измерения для системы из источника излучения, состоящего из 64 СД (матрица из СД белого цвета излучения типоразмером 5630 в количестве 64 штук, размер светящейся области 230х260мм) и приемника излучения, представляющий собой один фотодиод FDS100. Для уточнения световых и цветовых параметров СД, закладываемых в модель (используемых при расчетах) были проведены измерения светового потока, оптической мощности и спектра излучения для светодиодов, смонтированных непосредственно на матрице. Для проведения измерений был использован компактный спектрометр Gigahertz-Optik BTS256-LED.

Сначала был рассчитан фототок для различных СД: выбраны два белых СД с различной ССТ и синий светодиод, таким образом рассмотрена чувствительность системы к параметрам источника излучения. Расчет проведен для одного фотоприемника FDS100 без линзы. Результаты сведены в таблицу 12.

Таблица 12 - Таблица с результатами вычислений для трех типов источников излучения.

Расстояние от источника до приёмника, Гм1 Белый СД 5500К Белый СД 4000К Синий СД

ФeLED, ГВт1 Ъ [мкА] ФeLED, ГВт1 [мкА] ФeLED, ГВт1 [мкА]

0,5 14,08 69,47 12,77 70,29 12,8 43,62

1,0 14,08 16,73 12,77 16,93 12,8 10,50

1,5 14,08 7,95 12,77 8,05 12,8 4,99

2,0 14,08 4,89 12,77 4,95 12,8 3,07

2,5 14,08 2,92 12,77 2,96 12,8 1,84

3,0 14,08 2,29 12,77 2,31 12,8 1,43

3,5 14,08 1,45 12,77 1,47 12,8 0,91

4,0 14,08 1,14 12,77 1,16 12,8 0,72

Для светодиодного источника света с CCT=4000 К достигнуто наибольшее значение фототока на фотоприёмнике, при схожей исходной оптической мощности для синего СД. Значение фототока для белого СД с ССТ=5500 К достигает таких же значений, что и фототок при использовании белого СД CCT=4000 К, но при этом исходная оптическая мощность у белого СД с ССТ=5500 К выше.

Далее было проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных для матрицы на белых СД. Результаты вычисления и измерения фототока в зависимости от расстояния между приёмником и источником излучения (светодиод белого цвета излучения типоразмера 5630 в матрице СД) приведены на рисунке 117.

При расстояниях более 1 м, зависимости фототока от расстояния до источника излучения хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью. При расстояниях ближе 1 м имеются незначительные расхождения в расчетных и экспериментальных данных, поскольку источник нельзя считать точечным, и в модели это проявляется в более выраженной степени.

измерение -^расчет

Расстояние между источником и приемником, м

Рисунок 117 - Расчётный и измеренный фототок в зависимости от расстояния между приемником и источником излучения. Далее проведен расчет оптических потерь Бр в зависимости от расстояния между источником и приемником. Результаты сведены в таблице 13. Таблица 13 - Результат вычислений для уточнённой модели модуля СД размерами 230х260мм, в зависимости от расстояния Ь между приёмником и источником

излучения (светодиод белого цвета излучения типоразмера 5630).

Расстояние от источника до приёмника, [м] Источник Приемник Dp=10*lg(Ф1/Ф0)

Ф0е, [Вт] ФЧ [Вт] дБ

0,5 1 1,53Е-05 -48,2

1,0 1 4,07Е-06 -53,9

1,5 1 1,81Е-06 -57,4

2,0 1 1,04Е-06 -59,8

2,5 1 6,14Е-07 -62,1

3,0 1 4,70Е-07 -63,3

3,5 1 3,51Е-07 -64,5

4,0 1 2,60Е-07 -65,9

В завершение, с использованием разработанной модели и, используя

измеренные значения фототока, получены зависимости оптического БКЯ на фотодетекторе при различном рабочем токе матрицы СД (различном световом потоке), в качестве варьируемого параметра выступала общая потребляемая матрицей электрическая мощность. Результаты сведены в таблице 14.

Таблица 14 - Зависимость соотношения сигнал/шум от потребляемой мощности

светодиодной матрицы.

Pe SNR SNR [дБ] SNR SNR [дБ] SNR SNR [дБ]

[Вт] mkA дробового шума шума темнового тока термического шума

37,1 15,9 4,83E+05 56,8 4^+05 56,8 1,^+05 50,6

31,5 14,9 4,53E+05 56,6 4,52E+05 56,6 1,0Ш+05 50,1

27,3 13,3 4^+05 56,1 4,03E+05 56,1 8,07E+04 49,1

22,8 11,7 3,55E+05 55,5 3,55E+05 55,5 6,25E+04 48,0

18,5 10,1 3^+05 54,9 3^+05 54,9 4,65E+04 46,7

14,5 8,4 2,55E+05 54,1 2,54E+05 54,1 3^+04 45,1

10,8 6,6 2,0Ш+05 53,0 2,00E+05 53,0 1,99E+04 43,0

7,4 4,8 1,^+05 51,6 1,45E+05 51,6 1,05E+04 40,2

4,2 2,9 8,8Ш+04 49,5 8,73E+04 49,4 3,84E+03 35,8

Также были рассчитаны SNR для светодиодов разного спектрального состава. Они довольно близки по значениям, т.е. чувствительность системы к

изменению спектрального состава источника ниже, чем к изменению излучаемого им светового потока. Введение в систему линзы увеличивает SNR на 10 дБ. Введение антиотражающего покрытия на линзу практически не изменяет SNR.

Таким образом, рассмотрев численные характеристики системы, можно еще раз заключить, что метод включает следующие шаги для проектирования произвольного светильника и приемника системы Li-Fi для передачи на заданное максимальное расстояние L:

1.Выбор (задание) источника (разработка элементарной ячейки излучателя) по его геометрическим характеристикам (без учета спектральных характеристик)

2. Выбор (задание) детектора по геометрическим характеристикам (без учета спектральных х-к)

3. Получение диаграммы приема детектора

4. Сужение диаграммы приема детектора (увеличение доли оптической мощности, попадающей на фоточувствительную площадку за счет введения линзы)

5. Задание системы из элементарных ячеек излучателя и приемника (детектора+линзы), расположенных на расстоянии L

6. Расчет доли оптической мощности, дошедшей до фотодетектора при различных конфигурациях источника для разных расстояний между источником и приемником

7. Выбор исходной конфигурации источника, соответствующей минимальному числу излучателей, при котором для всех расстояний L наблюдается квадратичный рост дошедшей оптической мощности

8. Вычисление коэффициента оптических потерь в системе (для исходной конфигурации, и конфигураций с большим числом излучателей)

9. Расчет фототока фотоприёмника с учетом спектральных характеристик источника и приемника излучения и коэффициента оптических потерь в системе.

10. Теоретическая оценка уровня шума фотодетектора и расчет отношения сигнал/шум ^МК) на фотодетекторе

12. По значению SNR принятие решения о достаточном или не достаточном количестве элементарных излучателей в источнике и приемнике для максимального расстояния L в системе; пересчет для другой конфигурации при необходимости.

Основные публикации по теме диссертации

1. Kozyreva O.A., Polukhin I.S., Shiryaev D.S., Shcheglov S.A., Borodkin A.I., Gareev E.Z., Kondakov D.V., Matveev Y.A., Odnoblyudov M.A., Bougrov V.E. Wireless local data transmission network through LED lighting compatible with IEEE 802.11 protocol communication systems/Journal of Physics: Conference Series, 2019, Vol. 1236, No. 1, pp. 012085

2. Kozyreva O.A., Solov'Ev V.V., Polukhin I.S., Mikhailov A.K., Mikhailovskiy G.A., Odnoblyudov M.A., Gareev E.Z., Kolodeznyi E.S., Novikov I.I., Karachinsky L.Y., Egorov A.Y., Bougrov V.E. High-speed 1.3 -1.55 um InGaAs/InP PIN photodetector for microwave photonics//Journal of Physics: Conference Series, 2017, Vol. 917, No. 5, pp. 052029

3. Rochas S.S., Kolodeznyi E.S., Kozyreva O.A., Voropaev K.O., Sudas D.P., Novikov I.I., Egorov A.Y. A heterostructure for resonant-cavity GaAs p-i-n photodiode with 840-860 nm wavelength//Journal of Physics: Conference Series, 2019, Vol. 1236, No. 1, pp. 012071

4. Platonov R., Yastrebov A., Altynnikov A., Mikhailov A.K., Kozyreva O.A., Osadchiy V., Kozyrev A. Microwave photonic system with phased array antenna//International Journal of Microwave and Optical Technology, 2018, Vol. 13, No. 3, pp. 238-243

5. Borodkin A.I., Krasavtsev I.A., Gareev E.Z., Polukhin I.S., Kozyreva O.A., Shcheglov S.A., Shiryayev D.S., Odnoblyudov M.A., Bugrov V.E. Errors in simplex data transmission channel based on visible light communication/Journal of Physics: Conference Series, 2019, Vol. 1326, No. 1, pp. 012030

6. Borodkin A.I., Gareev E.Z., Krasavtsev I.A., Kozyreva O.A., Polukhin I.S., Odnoblyudov M.A., Bougrov V.E. Signal processing scheme for error control in visible light communication data transmission system/Journal of Physics: Conference Series, 2019, Vol. 1410, No. 1, pp. 012098

Заключение К основным результатам работы относятся:

- предложенный метод изготовления и конструкция фотоприемного модуля спектрального диапазона 1300-1500 нм на основе кристалла InGaAs/InP структуры типа р-ьп, обеспечивающая полосу пропускания не менее 16 ГГц, фоточувствительность не менее 0,5 А/Вт и линейный динамический диапазон не менее 40 дБ с нижним порогом чувствительности по входной оптической мощности 300 нВт;

- предложенная концепция приемо-передающей ОЭС и способ её реализации, обеспечивающий беспроводную передачу сигналов в видимом диапазоне длин волн с произвольными видами амплитудно-фазовой манипуляции с частотой несущего сигнала до 40 МГц и полосой до 30 МГц на расстоянии до 4 м;

- разработанный экспериментально-компьютерный стенд для определения -параметров светодиодов стандартных типоразмеров; полученные 3-параметры позволяют представить в программе компьютерного моделирования СД в виде четырехполюсника и в дальнейшем рассчитывать внешние электрические цепи, оптимизированные для передачи данных через видимое излучение, испускаемое светодиодом; экспериментально определенные импедансные характеристики светодиодов и фотодиодов и схема передатчика и приемника, построенная основе измеренных характеристик;

- построенная оптическая модель, описывающая распространение сигнала от распределенного источника излучения (матрицы СД) к фотоприемнику и результаты расчета энергетических потерь в канале (свободном пространстве) в зависимости от расстояния между источником и приемником, а также от оптической системы фотоприемного элемента, увеличивающей сигнал на фотодетекторе.

Таким образом, сформулированные задачи диссертационного исследования решены, а поставленная цель — достигнута. Полученные результаты можно рассматривать как существенный вклад в развитие микросотовых сетей связи: предложенные при выполнении разработок методы проектирования и изготовления, а также конструкции передающих и приемных модулей могут быть использованы для создания локальных каналов передачи данных видимого диапазона длин волн. Предложенный метод изготовления и конструкция фотоприемного модуля для кристалла на основе InGaAs/InP могут быть использованы для создания быстродействующих фотоприемных и излучающих приборов на основе полупроводниковых кристаллов, имеющих планарную структуру омических контактов, и, в частности, копланарную топологию линии передачи СВЧ сигнала. Полученные результаты представляют научный и практический интерес и могут быть использованы для повышения эффективности радиофотонных устройств передачи и приема сигнала.

Список сокращений и условных обозначений

ФП - фотоприемник

МП - микрополосковая

СВЧ - сверхвысокие частоты

RoF - Radio over Fiber

СЦ - согласующая цепь

ППМ - приемопередающий модуль

АЦП - Аналогово-цифровой преобразователь

РЧ - радиочастотный

GPS - Global Positioning System

ВЧ - высокочастотный

ФИС - фотонная интегральная схема

RIN - Relative intensity noise

MZM - Mach-Zehnder modulator

CW - continuous waveform, continuous wave

ЭОМ - электрооптический модулятор

ФП - фотоприемник

PIN - p-type semiconductor, intrinsic semiconductor, n-type

semiconductor

СД - светодиод

ЗЗ - запрещенная зона

ИУ - Испытуемое устройство

SMD - surface mounted device (поверхностный монтаж)

GSG - ground-signal-ground

SMA - sub-miniature version A

CPWG - coplanar waveguide with ground

УФ - ультрафиолетовый

HFSS - high frequency field simulator (аббревиатура названия САПР)

САПР - Система автоматизированного проектирования

Список литературы

Книги

1. Cox C. H. Analog optical links: theory and practice. - Cambridge University Press, 2006.

2. Di Paulo F. Networks and Devices Using Planar Transmission Lines, 490-491., 2000.

3. Pozar D. M. Microwave engineering. - John wiley & sons, 2011.

4. Saeedkia D. Handbook of Terahertz Technology for Imaging, Sensing and Communications / D. Saeedkia, 2013.- 1-662c.

5. Smith B. L., Carpentier M.H., Microwave engineering handbook (Van Nostrand Reinhold), New York - 1993 - 1st ed.

6. Townes C. H., Schawlow A. L. Microwave spectroscopy. - Courier Corporation, 2013.

7. Urick V. J., Williams K. J., McKinney J. D. Fundamentals of microwave photonics. - John Wiley & Sons, 2015.

8. Wadell B. C. Transmission line design handbook. - Artech House, 1991.

9. Zemax. Optical Design Program - User's manual - 2012

10. Зи С.М., Физика полупроводниковых приборов. - Т.1. - М.: Мир, 1984.

11. Фуско В. СВЧ цепи анализ и автоматизированное проектирование //М.: Радио и связь. - 1990.

Электронные ресурсы

12. Albisopto [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.albisopto.com/.

13. ALPHALAS - Ultrafast Photodetectors: UPD Series [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.alphalas.com/products/laser-diagnostictools/ultrafast-photodetectors-upd-series.html.

14. Cree XLamp MCE [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.cree.com/led-components/media/documents/XLampMCE.pdf.

15. Edison Opto Corp [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://img.planar.spb.ru/ecpdf/160075.pdf.

16. EMCORE - Products - Lasers, Photodiodes & Plug-in Receivers [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.emcore.com/fiberoptics/lasers-components/analog-lasers-photodiodes-plug-in-receivers/.

17. Emcore [Электронный ресурс], URL: http://emcore.com/

18. FDS100 - Si Photodiode [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=FDS100 .

19. Finisar 100 GHz Single High-speed Photodetector. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://optical.communications.ii-vi.com/communication-components/xpdv412xr .

20. For optical fiber communication / Hamamatsu Photonics [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.hamamatsu.com/jp/en/product/application/1508/4535/index.html .

21. Gooch & Housego - Products - Fiber Optics [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://goochandhousego.com/product-categories/fiberoptics .

22. Hamamatsu Photonics. [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www .hamamatsu .com/jp/en/index. html .

23. Hamamatsu Si APD. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/s8664 series kapd1012e.pdf

24. High Sensitivity Fast Photodetector | Menlo Systems [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.menlosystems.com/products/photodetectors/fpd310/ .

25. High-Speed Fiber-Coupled Detectors [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm?objectgroup id=1297.143.

26. InGaAs Avalanche Photodiode (APD) 2.5 Gbps (Chip or Chip-on-Carrier) [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://welcome.gofoton.com/product/apd chip/.

27. InGaAs Photodiodes | OSI Optoelectronics [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.osioptoelectronics.com/standard-products/ingaasphotodiodes.aspx.

28. LA1576 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=LA1576 .

29. Lucent : Micro [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.lucent.com/micro .

30. MACOM - Low Noise Amplifiers [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.macom.com/LNA.

31. Micreo : Optical Products : 2-18GHz Photodetector [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http :// www.micreo .com/Photodetector.

32. Microsemi [Электронный ресурс] — Режим доступа: http :// www.microsemi. com/ (дата обращения: 02.12.2016).

33. MicroWave Technology, Inc. - Leading manufacturer of RF and Microwave Descrete Semiconductors [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.mwtinc.com/cat/mmic/mmic.htm.

34. Optical Communication Devices | Products | Kyosemi [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.kyosemi.co.jp/en/communication/ .

35. Optical Components | Finisar Corporation [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.finisar.com/optical-components.

36. Optics - Fiber Coupled InGaAs PIN Photodiodes DPIN-231 [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.pmoptics.com/fiber coupled ingaas pin photodiodes dpin-231.html.

37. Optilab - Products - Photo Detectors [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.optilab.com/products/category/Photo Detectors.

38. Optilab - Products - Photo Detectors [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.optilab.com/devices/category/laser_diodes/145170.

39. Optilab [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.optilab.com/.

40. Optilab Photo Diode [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://oequest.com/getDatasheet/id/11518-11518.pdf

41. OptoSpeedTicino [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://ch.soopage.com/company/Opto_Speed_Ticino_SA_Dispositivi_a_semiconduttore _apparecchi_elettrici_ecc_ricerca_sviluppo_fabbricazione_1 rMS.html/.

42. Photonic Components and Drivers [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://freedomphotonics.com/freedom-photonics-products/.

43. PQW20A-L 20 GHz Photodetector [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.albisopto.com/albis product/pqw20a-l/.

44. Products | Albis Optoelectronics AG [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.albisopto.com/products/.144.

45. Roithner Lasertechnik - Photodiode Chip Dies [Электронный ресурс]. —Режим доступа: http://www.roithner-laser.com/pd chips.html

46. Selection table for Low Noise Amplifiers [Электронный ресурс]. — Режим доступа:

http://www.analog.com/en/parametricsearch/10675?mtuid=02c844579dd14744a0df81f 433dfe5f5#/p4781=LNA&p4466=0|10000000000&p4467=5000000000|20000000000& p3873=0.5|5 .

47. TriQuint - Reach Further, Reach Faster [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.triquint.com/parametric?cID=CAT-A-00000044&dsID=DS-A-00000026.

48. TrueLight - Products [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.truelight.com.tw/en/products/Products.aspx.

49. 100 kHz - 20 GHz OPTICAL RECEIVER [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.miteq.com/docs/MITEQ-SCMR-100K20G-REV-B.PDF.

50. 15 and 25 GHz Photodetectors [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.newport.com/15-and-25 Hzhotodetectors/918055/1033/info.aspx.

51. 20 GHz Optical Receiver [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.goochandhousego.com/wp-content/uploads/2013/12/DS-7010-HSDCommercial-rev-03 .pdf.

52. 25GHz InGaAs Photodiode KPDEH16C [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.kyosemi.co.jp/resources/en/products/communication/ingaas photodiode/kp deh16c/kpdeh16c spec.pdf.

53. Авеста-проект [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.avesta.ru/.

54. Грамматин А.П., Романова Г.Э., Балаценко О.Н. Расчет и автоматизация проектирования оптических систем - СПб: НИУ ИТМО. - 2013. -128 с. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://books.ifmo.ru/file/pdf/1468.pdf