Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Требования к источникам оптического излучения: их параметры и характеристики



К источникам оптического излучения предъявляются следующие требования:

длина волны оптического излучения должна совпадать с одним из окон прозрачности оптического волокна;

достаточно большая мощность выходного излучения и эффек­тивность его ввода в оптическое волокно;

возможность модуляции оптического излучения различными спо­собами;

достаточно большой срок службы;

минимальное потребление электрической энергии или высокая эффективность;

минимальные габариты и вес;

простота технологии производства, обеспечивающая невысокую стоимость и высокую воспроизводимость параметров и характе­ристик.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют источники оп­тического излучения на основе светоизлучающих диодов (СИД) и полупроводниковых лазерных диодов (ЛД).

Основными параметрами источника оптического излучения яв­ляются:

1) длина волны оптического излучения , мкм, соответствующая одному из минимумов спектральной характеристики затухания оптического волокна;

2) ширина спектра оптического излучения , нм;

3) мощность оптического излучения W, мВт или абсолютный уровень мощности оптического излучения р, дБм;

4) ток возбуждения источника оптического излучения , мА, под которым понимается минимальное значение тока, обеспечивающее устойчивое световое излучение;

5) эффективность излучения, т.е. коэффициент полезного дейст­вия (КПД) источника оптического излучения, под которым понимает­ся отношение вида

,

где W0 - мощность оптического излучения; - мощность, по­требляемая источником оптического излучения от внешнего источ­ника электрической энергии;

6) время нарастания импульса оптического излучения , за ко­торое его амплитуда возрастает от 0,1 до 0,9 своего номинального значения;

7) максимальная скорость передачи информации С, Мбит/с или частота модуляции , МГц;

8) шумы источников оптического излучения.

Основными характеристиками источников оптического излучения являются:

1) ватт -амперная характеристика , описывающая зави­симость мощности оптического излучения W0 от тока возбуждения (или тока инжекции - ); примерные ватт -амперные характеристики СИД и ЛД приведены на рис. 2.

2) спектральная характеристика излучения при различных вели­чинах тока возбуждения (инжекции), показывающая зависимость относительной мощности оптического излучения W/W0 от длины волны оптического излучения, т.е. , здесь W0 - мощ­ность оптического излучения на номинальной длине волны и W - на текущей длине волны в пределах соответствующего окна про­зрачности оптического волокна; типичная спектральная характери­стика источников оптического излучения приведена на рис. 3.



3) диаграмма направленности, представляющая пространствен­ную характеристику излучения. После выхода света из источника начинается расширение светового пучка, и только малая его часть в действительности попадает в оптическое волокно. Чем уже диа­грамма направленности, тем большая часть света может попасть в волокно.

Хорошие источники излучения должны иметь малые диаметры выходных пучков света и малую апертуру (NA). Диаметр выходного пучка определяет величину поперечного сечения пучка излучения, а апертура NA - диапазон углов, в которых происходит излучение света. Если диаметр выходного пучка или его апертура превышают соответствующие параметры волокна, в которое вводится излуче­ние, часть излучения не попадает в волокно. На рис. 4. представле­ны типичные диаграммы направленности для светоизлучающих и лазерных диодов.

Диаграмма направленности лазерного диода ближе к эллиптиче­ской форме, а светоизлучающего диода - к сферической.

Когда выходной диаметр источника не соответствует диаметру сердцевины волокна dB, то потери излучения, связанные с рассо­гласованием данных параметров , могут быть определены из следующего выражения:

.

Потери отсутствуют, когда диаметр сердцевины волокна превос­ходит диаметр источника излучения.

Когда апертура NAИ источника больше, чем NAВ волокна, то поте­ри, вызванные этим рассогласованием , равны

.

Потери отсутствуют, если апертура волокна больше апертуры источника излучения.

Рассмотрим, например, источник излучения с выходным диамет­ром = 100 микрон и апертурой = 0,3, и подключенное к нему волокно с диаметром dB = 62,5 микрон и = 0,275. Потери из-за рассогласования параметров волокна и источника излучения будут равны



дБ

и дБ.

Общие потери составляют = 4,08 + 0,76 = 4,84 дБ. Если вы­ходная мощность источника излучения составляет 1 мВт, то только 0,328 мВт попадет в волокно.

Оптические приемники

Обобщенная структурная схема оптического приемника, реали­зуемого в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ), представлена на рис. 5, где приняты следующие обозначения:

ОК - оптический кабель; ОС - оптический соединитель; ФД - фо­тодиод или фотодетектор; ПМШУ - предварительный малошумя­щий усилитель; МУ с АРУ - мощный усилитель с автоматической регулировкой усиления; ФК - фильтр-корректор.

Оптический сигнал с выхода оптического кабеля (ОК) через оп­тический соединитель (ОС) поступает на фотодетектор (ФД), где происходит его преобразование в электрический сигнал. На выходе ФД электрический сигнал весьма мал и сопровождается различного вида шумами. Для его усиления без существенной потери в шумозащищенности используется предварительный малошумя­щий усилитель (ПМШУ). Усиленный электрический сигнал далее усиливается мощным усилителем с автоматической регулировкой

усиления (МУ с АРУ) и затем с помощью фильтра-корректора (ФК) осуществляется отфильтровывание помех и коррекция формы электрического сигнала, который и подается на оборудование сопряжения тракта приема ВОСП (см. рис. 1 лекции 13).

Базовым элементом оптического приемника ВОСП является фотодетектор - оптоэлектронный прибор, преобразующий опти­ческий сигнал в электрический сигнал соответствующей формы.

Фотодетектор реализуется на основе полупроводниковых фото­диодов (ФД) с обратносмещенными переходами, работающих на принципах внутреннего фотоэффекта.

В технике ВОСП широкое применение находят два типа фото­диодов: p-i-n и лавинный ФД.

Сущность внутреннего фотоэффекта в полупроводниковом материале заключается в поглощении фототока, энергия которого более ширины запрещенной зоны материала полупроводникового материала, а длина волны оптического излучения не превышает критического значения , и сопровождается переходом электрона из валентной зоны в зону проводимости, а дырок - из зоны проводимости в валентную зону (генерация пар «электрон-дырка»). Фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны, или длиной волны больше критической, не поглощают­ся и, следовательно, не происходит генерации пары «электрон-дырка».

Эффективное поглощение падающего излучения, как правило, связано с эффектом примесного поглощения.

Примесное поглощение имеет место в примесных полупроводниковых материалах, электрические свойства которых получаются путем добавки небольшого количества примесей в структуру собственных полупроводни­ков, например, германия - Ge, кремния - Si, а также соединений элементов третьей и пятой групп Периодической системы элементов Д. И. Менделеева (ПСЭМ): алюминия - AI, галлия - Ga, индия - In из третьей группы и фос­фора - Р, мышьяка - As и сурьмы - Sb из пятой группы, например, арсенид галлия - GaAs и фосфид индия - InP. Возможно образование тройных и четверных соединений типа арсенида галлия с добавкой алюминия -GaAIAs или галий – индий - аосенид фосфора - GalnAsP.

Примеси могут создать избыток электронов (полупроводник - типа) или дырок (полупроводник - типа). Процесс добавки примесей называется легированием. В легированном полупроводниковом материале имеются основные носители (свободные электроны в материале - типа и дырки в материале - типа). Такие материалы известны как примесные полупро­водники. В этих материалах концентрация примесей настолько велика, что она (не температура) является основным фактором, определяющим число свободных носителей и, следовательно, электрическую проводимость и быстродействие прибора.

Собственные полупроводники четвертой группы ПСЭМ кремний и гер­маний могут быть полупроводниками n-типа после введения небольших концентраций донорных примесей элементов пятой группы ПСЭМ - мышья­ка или фосфора. Они же могут стать полупроводниками р -типа в результате введения акцепторных примесей из группы элементов треть­ей группы ПСЭМ - галлия или индия.

Во многих полупроводниковых материалах одновременно присутствуют как донорные, так и акцепторные примеси и такие материалы становятся полупроводниками соответствующего вида проводимости.

p-i-n-фотодиоды. Структурная схема обратно смещенного ФД представлена на рис. 6. Сконструированный таким обра­зом полупроводниковый прибор, получил название фотодиода, происходящего из сокращенных названий составляю­щих его слоев: р - positive (положительный), - intrinsic (внутрен­ний), - negative (отрицательный). Обедненный -слой такого ФД сделан максимально широким из полупроводникового материала, легированного в такой степени, чтобы не относиться ни к полупро­водникам -типа с электронным видом проводимости, ни к полупро­водникам -типа с дырочной проводимостью.

Как следует из рис. 6, структура такого диода состоит из сильно легированного - слоя (подложки), слаболегированного - слоя и тонкого сильнолегированного - слоя. Толщина -слоя должна быть во много раз больше, чем длина поглощения оптического излучения соответствующих длин волн. Так, если толщина тонкого - слоя не превышает 0,3 мкм, то ширина -слоя составляет несколько десят­ков мкм.

Так как сильное легирование - и - слоев увеличивает их прово­димость, то обратное смещение напряжением , приложенное к этим слоям, создает в - слое сильное внутренне электрическое поле напряженностью Ев. При этом образуется обедненная зона, толщина которой сравнима с размером диода. Широкий - слой приводит к увеличению интенсивности поглощения фотонов в обедненном слое.

В результате чего падающие фотоны возбуждают ток во внешней цепи более эффективно и с меньшим запаздыванием. Носители, возникающие внутри обедненной зоны, мгновенно сдвигаются в сильном электрическом поле к - и - областям диода.

В результате поглощения кванта света с энергией в нагрузке диода RH протекает импульс тока. Если каждый поглощенный квант рождает электронно-дырочную пару, то число носителей тока N, равное отношению мощности оптического излучения W к энергии кванта, умноженное на величину носителя q, определит средний ток , протекающий через нагрузку RH

Как правило, не все поглощенные кванты света приводят к появ­лению импульсов тока. Этот факт необходимо учитывать коэффи­циентом, характеризующим эффективность преобразования фотонов в электрический сигнал. Этот коэффициент называется квантовой эффективностью (выходом) фотодетектора. Следова­тельно, средний фототок, протекающий через нагрузку фотодетек­тора, будет равен

.

Коэффициент полезного действия фотодетектора, определяе­мый как отношение среднего значения фототока к среднему значению оптической мощности (А /Вт), называется токовой чув­ствительностью

.

Отсюда следует, что чувствительность оптического приемника тем выше, чем больше квантовый выход , т.е. чем больше доля светового потока, поглощаемая в активной зоне фотодиода.

Токовая чувствительность зависит от длины волны падающего излучения. Характер этой зависимости определяется спектральной характеристикой квантового выхода, которая обычно имеет вид плавной кривой с более или менее выраженным максимумом и определяется материалом полупроводника (рис. 7).

Квантовый выход фотодиода однозначно связан с токовой чув­ствительностью следующей зависимостью: , где - длина волны, мкм.

Конструктивно ФД выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощения излучения вне - слоя. С этой целью переход формируется у самой поверхности кристалла. Следова­тельно, постоянная времени такого ФД определяется временем перехода носителей заряда через обедненный слой в сильном электрическом поле.

При отсутствии внешнего оптического излучения и наличии об­ратного смещающего напряжения в фотодиодах обедненный слой поляризуется и через нагрузку протекает постоянный ток малой величины, который называется темповым током. Значение этого тока определяется свойствами полупроводникового материа­ла, толщиной структуры и температурой окружающей среды.

В настоящее время фотодиоды являются довольно рас­пространенным типом фотодетектора. Это объясняется простотой их изготовления, достаточно высокой временной и температурной стабильностью и относительно широкой полосой рабочих частот, они обладают хорошей линейностью в широком динамическом диапазоне (от нескольких пиковатт до нескольких милливат), обес­печивают детектирование оптических сигналов, модулируемых частотами гигагерцового диапазона.

Для изготовления таких ФД обычно используют кремний (Si), германий (Ge), арсенид галия (GaAs), соединения вида InAs, InGaAs, AIGaSb и InGaAsP. Кремниевые ФД считаются идеальными для применения в ВОСП, работающих на длине волны от 0,6 до 1 мкм с максимальной чувствитель­ностью около 0,9 мкм и квантовой эффективностью до 0,9. Для длин волн 1 мкм и выше (вплоть до 1,8 мкм) часто используют ФД на основе Ge. При использовании соединения вида AlхGa1AsSb получены ФД для работы на длинах волн от 0,9 до 1,3 мкм с квантовой эффективностью не хуже 0,8.

В фотодиодах типа каждый поглощенный фотон в идеале приво­дит к образованию одной пары «электрон-дырка», которая приводит к генерации тока во внешней цепи. Квантовую эффективность ФД можно повысить путем использования лавинного усиления (умножения), реали­зуемого в структуре, называемой лавинным фотодиодом (ЛФД), где один фотон порождает М электронов.

Лавинные фотодиоды (ЛФД).

В основе работы ЛФД лежит процесс ударной ионизации в сильном электрическом поле, т.е. образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных молекул и атомов полу­проводника. При этом электроны в зоне проводимости могут приоб­рести кинетическую энергию, большую, чем ширина запрещенной зоны, и «выбивать» электроны из валентной зоны. В валентной зоне образуются дырки, в зоне проводимости вместо каждого «быстрого» электрона появляются два «медленных», которые, ускоряясь в сильном электрическом поле, становятся «быстрыми» и вызывают повторную ударную ионизацию. Вероятность ударной ионизации возрастает с напряженностью электрического поля (или ростом обратного смещающего напряжения) Отметим, что при некоторой напряженности поля ударная ионизация приводит к резкому увели­чению плотности тока, т.е. к электрическому пробою полупроводни­ка. Следовательно, для создания условий ударной ионизации в структуре фотодиода необходимо создать сильное электрическое поле. Такое поле создается добавлением в структуру -фотодиода дополнительного - - перехода, усиленное обратным смещением, рис. 8.

При воздействии оптического излучения мощностью W на - слой образуются пары «электрон-дырка», называемые первоначальными носителями. Благодаря относительно небольшому полю - слоя, проис­ходит направленное движение носителей к соответствующим полю­сам батареи смещения.

При попадании свободных электронов из - слоя в - слой их ускоре­ние становится более ощутимым из-за высокой напряженности элек­трического поля - - перехода. Ускоряясь в зоне проводимости - слоя, такие «быстрые» электроны накапливают кинетическую энергию достаточную, чтобы «выбить» (возбудить) два «медленных» электро­на из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляются свободные носители, называемые вторичными. В зоне проводимости - слоя происходит их повторное ускорение до получения кинетической энергии, соответствующей «быстрому» электрону, который снова порождает ударной ионизацией пару «медленных» электронов из валентной зоны. Этот процесс называется лавинным усилением или лавинным умножением.

Условия лавинного умножения достигаются увеличением напря­жения обратного смещения до значения, чуть меньше напряжения пробоя полупроводника, так чтобы на - - переходе установилось очень сильное поле (с напряженностью не менее 105 В/см). Элек­троны и дырки, двигаясь в таком поле, приобретают значительную кинетическую энергию, необходимую для образования вторичных носителей путем ударной ионизации. Энергия получаемых при этом электронов, обеспечивает их перенос из валентной зоны в зону проводимости.

Процесс лавинного умножения (усиления) ЛФД оценивается ко­эффициентом умножения М, который приближенно может быть представлен эмпирической формулой:

,

где - напряжение обратного смещения; - напряжения про­боя; величина = 2...6 и определяется материалом проводника и конструкцией фотодиода.

Величина фототока через нагрузку для ЛФД определяется по формуле

.

Лавинный эффект приводит к увеличению темнового тока ЛФД в М раз по сравнению с темновым током фотодиода.

Коэффициент умножения принимает различные значения в за­висимости от напряжения смещения. При происходит резкое увеличение коэффициента М, которое может принимать высокие значения порядка 103...104. При низком напряжении ЛФД работает как фотодиод без усиления (умножения). Суще­ствует пороговое напряжение для получения лавинного про­цесса ударной ионизации. Выше этого порога ЛФД будет генерировать ток без наличия возбуждающего оптического излуче­ния. Отметим, что коэффициент умножения сильно зависит от температуры, что является серьезным недостатком ЛФД. Поэтому в схемах смещения ФЛД необходимо предусмотреть меры, которые устраняли бы влияние изменений напряжения и температуры. Типовой компромисс между величиной умножения и стабильностью работы ЛФД достигается при напряжении смещения, равном 0.95

Лавинный фотодиод с коэффициентом М=100 может породить как 95, так и 105 вторичных носителей. Такого рода вариации явля­ются причиной возникновения шумов, ограничивающих предел чувствительности ЛФД. Отметим, что темновой ток ЛФД растет при увеличении приложенного смещающего напряжения и, следова­тельно, зависит от коэффициента умножения М.

Квантовая эффективность ФД зависит от коэффициента отражения R на границе «полупроводник-воздух». Для уменьшения френелевского отраже­ния обычно покрывают поверхность прозрачной диэлектрической пленкой толщиной в четверть длины волны принимаемого оптического излучения

и показателем преломления, в идеальном случае равным , где и - показатели преломления полупроводникового материала и воздуха.

На практике более удобна тонкая кварцевая пленка, заметно увеличиваю­щая пропускание оптического излучения; иногда используют нитрид крем­ния Si3N4. Такая пленка играет роль линзы, повышающей квантовую эффективность на 20 %.


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2019 год. Все права принадлежат их авторам!