СОГЛАСОВАНИЕ АПЕРТУР ОПТИЧЕСКОГО ПЕРЕДАТЧИКА И ПРИЕМНИКА

Рисунок 1. Обобщённая структура оптической системы передачи электрического сигнала

Обобщённая структура оптической системы передачи электрического сигнала по открытому каналу представлена на рисунке 1. Для того, чтобы максимизировать принимаемую мощность применяются различные подходы, один из которых основан на анализе спектральных характеристик фотоизлучателя и фотоприёмника и показан в работе [1]. В данной статье рассматривается способ, при котором изображение источника излучения должно формироваться в плоскости приёмной апертуры. Это называется согласованием апертуры фотоизлучателя и фотоприёмника. Опуская все детали оптической линзовой системы в фотоприёмнике и фотоизлучателе, и считая, что весь свет, падающий на эффективную апертуру фотоприёмника сфокусирован на активной области фотодетектора, для простоты будем говорить о площади изображения фотоизлучателя и площади фоточувствительных площадок фотоприёмника.

Мощность, достигающая фотодетектора, равна

где – мощность излучения от фотоизлучателя.

– площадь фоточувствительных площадок фотоприёмника.

– площадь изображения фотоизлучателя.

Из формулы (1) видно, что максимальная мощность, получаемая фотоприёмником, достигается при совпадении площади изображения передатчика (фотоизлучателя), попадающего на фотодетектор и площади фоточувствительных площадок фотоприёмника. Изображение передатчика представляет собой эллипс. Как видно из рисунка 2, изображение передатчика (отмечено окружностью) сдвинуто относительно центра фотодетектора, что приводит к уменьшению площади изображения фотоизлучателя, попадающего на фотодетектор (закрашенные области). А поскольку рассматриваемый фотодетектор состоит из четырёх площадок ABC, CDE, EFG, GHA, объединённых в одну активную область, то необходимо учесть и неактивные промежутки в стыках между ними. Энергия от фотоприёмника будет приниматься только участками активных площадок, засвеченных фотоизлучателем и расходоваться напрасно за их пределами.

Рисунок 2. Пересечение изображения фотоизлучателя с фотодетектором

Как было отмечено ранее, мощность, получаемая фотоприёмником, зависит от площади перекрытия фоточувствительных площадок фотоприёмника изображением фотоизлучателя. Для расчёта зависимости площади перекрытия от положения изображения фотоизлучателя была разработана программа Aperture synthesis IDM 2.0. Визуальный интерфейс программы, реализованной в среде Mathcad представлен на рисунке 4.

Рисунок 3. Окно программного модуля Aperture synthesis IDM 2.0

В данной версии программы площадь вычисляется по методу прямоугольников.

Размеры изображения фотоизлучателя (эллипса) варьируемы и задаются с помощью полей (1) и (2) в миллиметрах. Положение эллипса изменяется по оси OX ползунком (3) и по OY ползунком (8). Сдвиг по осям осуществляется с шагом 0,1мм. В области (4) выводится изображение активных площадок фотоприёмника построенных по реальным геометрическим размерам используемого фотоприёмника. Изменяя параметр (6) [мм] можно задавать величину зазора, уменьшая или увеличивая площадь активных площадок. В полях (10,11,12,13) отображается значение площади перекрытия активных областей ABC, CDE, EFG, GHA соответсвенно либо в мм², либо в процентах от общей площади активных областей. В поле (9) выводится сумма предыдущих значений. Значения полей (9,10,11,12,13) отображаются согласно текущему положению эллипса, установленного ползунками (3,8). В области (14) строится результирующая зависимость площади перекрытия активных площадок от положения эллипса в виде трёхмерной поверхности. Выбор отображения результатов в процентах или в мм² производится с помощью флажка (7). Изменение площади перекрытия в зависимости от сдвига изображения фотоизлучателя (эллипса). Уменьшение площади активных площадок за счёт увеличения ширины зазора между ними до величины равной 0,5 мм приводит к виду поверхности, показанному на рисунке 4 . Для эллипса со значениями полуоси вдоль оси OX 1,5мм а вдоль оси OY 1мм. Максимум наблюдается до тех пор, пока сдвиг по осям OX и OY не приведёт эллипс к частичному выходу за границы активных площадок. По мере выхода эллипса за границы фотодетектора будет наблюдаться плавное снижение площади фотодетектора, перекрываемой эллипсом. Полный же выход эллипса за границы соответствует нулевой площади перекрытия. В поле «Зазор» в программе вводится половина этого значения. Очевидно влияние ширины неактивных зазоров между фоточувствительными площадками, о котором можно судить по образовавшимся провалам в графике поверхности. Как видно положению, при котором ось изображения фотоизлучателя и фотоприёмника совпадают не соответствует максимум площади перекрытия.

Рисунок 4. Результат 1

Используемый фотоприёмник имеет некоторые особенности, например, при суммарном перекрытии областей менее чем на 5%, фотоприёмник не принимает сигнал от фотоизлучателя. В программе этот случай отображается как нулевая результирующая площадь перекрытия. В случае если хотя бы одна из четырёх площадок не засвечивается (результирующая площадь перекрытия на ней равна нулю), то фотодиод в её основе запирается и поскольку он связан с фотодиодами других площадок, фотоприёмник в целом не принимает сигнал. То есть обязательным является условие одновременной засветки всех четырёх площадок фотоприемника. При выполнении ограничивающих условий поля (10,11,12,13) рисунок 3 будут выделяться зелёным цветом, в противном случае – красным. Учитывая особенности функционирования фотоприёмника, программа отображает график без указанных ограничений (сетчатая поверхность) и с ними (цветная поверхность) рисунок 5. Отсюда видно, что сдвиг изображения фотоизлучателя от оси фотодетектора может привести к запиранию фотодиодов, а благодаря проделанным программой расчётам можно определить допустимую погрешность сдвига изображения фотоизлучателя с оси фотоприёмника.

Рисунок 5. Результат 2

Анализ представленных результатов позволяет сделать следующие общие выводы:

1. Наличие технологических зазоров в стыках между фоточувствительными площадками, определяемых конструкцией используемого фотоприёмника, оказывает существенное влияние на форму графика площади перекрытия активных площадок при малых размерах эллипса, полуоси которого превосходят ширину зазора менее чем в 4 раза.
2. Принимаемая мощность снижается как при уменьшении площади активных площадок, так и при относительном смещении апертур передатчика и приемника.

Результаты, полученные с помощью программы были подтверждены во время проведения натурного эксперимента на макетном образце фотоприёмника, имеющего соответствующие геометрические размеры фоточувствительных площадок с применением лазерной установки.

Реализованная в среде Mathcad программа Aperture synthesis IDM 2.0 позволяет оценивать зависимость площади перекрытия активных площадок от положения эллипса, освобождая пользователя от рутинных расчётов интегралов для нахождения площади фигуры, ограниченной кривыми, ручной расстановки пределов интегрирования. В то время как геометрическая форма фотодетектора введена в программу разработчиком (кроме величины зазора, которое сделано изменяемым параметром), пользователь может проводить расчёт для изображения фотоизлучателя близкого по форме к эллипсу произвольной размерности. Предусмотрена возможность просмотра распределения суммарной площади перекрытия между четырьмя площадками для конкретного положения эллипса. В общем случае программа может применяться для фотоприёмника и фотоизлучателя с любой формой апертуры.

Список литературы:

1. Ярыгин Д.М.  Разработка и исследование алгоритма оценки взаимной корреляции характеристик излучателя и фотоприёмника. Сборник докладов второй научно-технической конференции «Будущее предприятия – в творчестве молодых». — Санкт-Петербург, 2016.
2. Бараночников М.Л. Приёмники инфракрасного излучения: Состояние разработок и промышленного выпуска, перспективы развития и прогрнозы — Москва, 1985.