Параметры и характеристики фотоприемников

Все типы фотоприемников, независимо от физической природы и конструкции этих приборов, описываются опре­деленной совокупностью основных параметров и характе­ристик. -

Чувствительность. В общем случае чувствительность фотоприемника отражает изменение электрического состояния на выходе фотоприемника при подаче на его вход единичного опти­ческого сигнала. Количественно чувствительность опреде­ляется отношением изменения измеряемой электрической величины, вызванного падающим на фотоприемник излу­чением, к количественной характеристике этого излучен.

В зависимости от измеряемого электрического парамет­ра на выходе фотоприемника различают токовую и воль­товую чувствительность фотоприемника. Если измеряемой величиной является фототек, то имеем токовую чувстви­тельность (S_I ). Чувствительность фотоприемника, у кото­рого измеряемой величиной является напряжение фотосигнала, называется вольтовой чувствительностью (S_V ).

Чувствительность зависит от длины волны падающего излучения. Поэтому различают интегральную и монохро­матическую чувствительность фотоприемника к немоно­хроматическому излучению заданного спектрального со­става. Монохроматическая чувствительность—это чувст­вительность фотоприемника к монохроматическому излу­чению.

Шумовые и пороговые параметры. Помимо по­лезного сигнала на выходе фотоприемника всегда имеет место хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — это шум фотоприемника. Источники шума мо­гут быть по отношению к фотоприемнику как внутренни­ми, так и внешними. Шум не позволяет регистрировать сколь угодно малое значение входного излучения, так как оно становится неразличимым на фоне шума. В оптималь­но сконструированном фотоприемнике чувствительность к малым входным сигналам определяется только уровнем собственных шумов прибора. Шумы определяются случай­ными (флюктуационными) процессами и уровень шумов характеризуют вероятностными параметрами: математиче­ским ожиданием (средний уровень шума), среднеквадратичным значением или дисперсией. Распределение мощно­сти шума по спектру часто задается спектральной плотностью шума — шумом в единичной полосе частот.

В фотоприемниках наряду с обычными для полупро­водников видами шумов (тепловым, дробовым и др.) до­бавляется также радиационный (фотонный) шум, который определяется флюктуациями оптического сигнала, попадающего на фотоприемник, т. е. флюктуациями фотонов, попадающих на фоточувствительный слой.

Обычно шум фотоприемника количественно характери­зуют током шума .или напряжением шума. Под током шу­ма понимают среднеквадратичное значение флюктуации тока, протекающего через фотоприемник в указанной по­лосе частот. Напряжение шума — это среднеквадратичное значение флюктуации напряжения на заданном сопротив­лении нагрузки в цепи фотоприемников.

Характеристики фотоприемников. Основными характеристиками фотоприемников являются: вольтампер­ная, спектральная и энергетическая характеристики.

Вольтамперная характеристика — зависимость напря­жения на выходе фотоприемника от выходного тока (фо­тотока) при заданном потоке излучения. Спектральная ха­рактеристика — зависимость чувствительности фотоприем­ника от длины волны падающего на фотоприемник моно­хроматического излучения. Энергетическая характеристи­ка выражает зависимость фототока от потока излучения, падающего на фотоприемник.

Рис. 5. Энергетическая ха­рактеристика фотоприемника

Рис.6. Спектральная харак­теристика фотоприемника

Энергетическая характеристика (рис.5) описывается обычно степенной функцией. Показатель степени п характеризует линейность энер­гетической характеристики. При п=1 фотоприемник ли­неен. Область значений Ф, в которой это выполняется, определяет динамический диа­пазон линейности фотоприемника.

Типичная спектральная характеристика фотоприемника изображена на рис.6. Длинноволновая граница спектра определяет максимальную длину волны падающего на фотоприемник излучения; корот­коволновая граница обусловлена возрастанием погло­щения излучения в пассивных областях структуры при уменьшении длины волны.

Фотодиоды

Принцип действия. Фотодиод—это фотоприем­ник, принцип действия которого основан на фотогальва­ническом эффекте и фоточувствительняй элемент которого содержит структуру полупроводникового диода. Упрощенная структура фотодиода изображена на рис.7.

Пусть излучение воз­действует в направлении, перпендикулярном пло­скости р-п. перехода. В ре­зультате поглощения фо­тонов с энергией большей, чем ширина запрещенной зоны, в п-базе на глубине примерно х_о от поверхно­сти полупроводника воз­никают электронно-дырочные пары (фотоносители).

Рис.7. Структура фотодиода

Фотоносители диффундируют вглубь п-области. Шири­на п-области w такова, что основная доля созданных излу­чением фотоносителей не успевает рекомбинировать в п-области и доходит до границы р-п перехода (x=w). Электроны и дырки разделяются электрическим полем р-п перехода Е_о. При этом дырки переходят в р-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапли­ваются у границы р-п перехода в п-области (рис.7). Таким образом, ток фотоносителей через р-п переход обусловлен дрейфом неосновных носителей — дырок.

Рис.8. Внутренний фотоэффект в р-п переходе:

а - р-п переход в равновесном состоянии;

б — р-п переход при воздействии излучения

Качество фотодиода определяется прежде всего эф­фективностью управления фототоком с помощью излуче­ния. Именно, оптическое управление током фотодиода определяет особенности его режимов работы. Сравним с этих позиций принцип действия обычного (выпрямитель­ного) диода и фотодиода.

В равновесном состоянии, когда поток излучения от­сутствует (Ф=0), зонные диаграммы диода и фотодиода полностью совпадают. При этом уровень Ферми одинаков для обеих областей и диффузионная составляющая тока через р-п переход—тока основных носителей—равна дрейфовой составляющей тока неосновных носителей (рис.8,а). В обычном диоде равновесие в структуре нарушается при приложении к р-п переходу прямого на­пряжения (плюс к р-области, минус к л-области) — внут­ренний потенциальный барьер снижается. Равновесие в потоках носителей через переход нарушается в пользу диффузионной составляющей тока, которая при достаточ­но большом прямом напряжении определяет значение то­ка через р-п переход. Дрейфовая составляющая тока через р-п переход в выпрямительном диоде является фактически паразитной и должна быть минимально возможной.

В фотодиоде р-п переход разделяет созданные излуче­нием фотоносители (рис.8,6). Это приводит к снижению внутреннего потенциального барьера в фотодиоде (анало­гично приложению прямого напряжения в обычном дио­де) ; уровни Ферми в структуре по обе стороны от р-п перехода уже не совпадают, а смещаются один относи­тельно другого. Важно подчеркнуть, что в фотодиоде равновесие под действием излучения нарушается в «поль­зу» дрейфовой составляющей тока через р-п переход, т. е. для эффек­тивного управления током с по­мощью излучения диффузионную составляющую в фотодиоде необхо­димо подавлять. В фотодиоде она— паразитная составляющая тока че­рез р-п переход.

Дрейфовый поток фотоносителей называется фототоком-I_Ф. Фото­носители-дырки заряжают р-область положительно относительно п-области, а, фотоно­сители - электроны n-область отрицательно по отношений к р-области. Возникшая таким образом разность потенциа­лов—называемая фото-ЭДС Еф—снижает внутренний по­тенциальный барьер до значения ΔЕ (рис.8,б).

Режимы работы. Для обеспечения высокой чув­ствительности к излучению необходимо, чтобы в фотодио­де диффузионная составляющая тока была минималь­ной. Поэтому фотодиод работает или вообще без внешне­го напряжения (фотогальванический режим), или при об­ратном внешнем напряжении (фотодиодный режим).

Рис. 9. Фотодиод в фотогальваническом режиме:

а — схема включения; б — схеме замещения

Фотогальванический режим характеризуется отсутстви­ем источника внешнего напряжения в цепи фотодиода (рис. 14,а), т. е. фотодиод работает генератором фото-ЭДС. При этом выражение для тока фотодиода I_фд мож­но получить из схемы замещения фотодиода в фотогаль­ваническом режиме (рис.9,6):

I_фд = I_ф - I_рп

При разомкнутой внешней цепи из схемы за­мещения имеем 1ф=1рп- Тогда напряжение на переходе при холостом ходе, ко­торое равно фото-ЭДС, будет равно

U_x = v_T ln(1+I_ф / I_о)

При коротком замыкании в нагрузке (R=0) напряже­ние на фотодиоде U=0, а ток фотодиода 1к=1ф, т. е. со­здан потоком фотоносителей.

В фотодиодном режиме работы последовательно с фо­тодиодом включается источник обратного напряжения (рис.10). В этом режиме потенциальный барьер возрастает и ток через переход Ipn будет определяться током I₀, который протекает в отсутствие излучения. Ток фотодиода при этом

I_фд = I_ф – I_рп = I_ф + I₀ ≈ I_ф

Рис. 10. Фотодиод в фотодиодном ре­жиме

Вольт-амперная характеристика. Это выражение представляет собой зависимость тока от напряжения на фото­диоде U при разных значениях потока излучения Ф, т. е. является уравнением семей­ства вольт-амперных характе­ристик фотодиода. Характеристик приведены на рис. 11.

Рис. 11. Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода

Семейство вольтамперных характеристик фотодиода расположено в квадрантах I, III и IV.

Квадрант 1—это не рабочая область для фотодиода: в этом квадранте к р-п переходу прикладывается прямое напряжение и диф­фузионная составляющая тока полностью подавляет фототок . Фотоуправление током через диод стано­вится невозможным.

Квадрант III—это фотодиодная область работы фото­диода. К р-п переходу прикладывается обратное напряже­ние. Следует подчеркнуть, что в рабочем диапазоне об­ратных напряжений фототок практически не зависит от об­ратного напряжения и сопротивления нагрузки. Вольтамперная характеристика нагрузочного резистора R пред­ставляет собой прямую линию, уравнение которой имеет вид .

Е_обр - 1_ф R =U,

Фотодиод и нагрузочный резистор соединены последо­вательно, т. е. через них протекает один и тот же ток I_ф.

Рис.12. Вольтамперные характе­ристики фотодиода

в фотогальвани­ческом режиме

Этот ток I_ф можно определить по точке пересечения вольтамперных характеристик фотодиода и нагру­зочного резистора (рис. 11, квад­рант III). Таким образом, в фото­диодном режиме при заданном по­токе излучения фотодиод является источником тока по отношению к внешней цепи. Значение тока от параметров внешней цеп( Еo6p, R) прак­тически не зависит.

Квадрант IV семейства вольтамперных характеристик фотодиода соответствует фотогальваническому режиму ра­боты фотодиода. Точки пересечения вольтамперных харак­теристик с осью напряжения соответствуют значениям фото-ЭДС или напряжениям холостого хода (R=∞) при разных потоках Ф. У кремниевых фотодиодов значение фото-ЭДС 0,5—0,55 В. Точки пересечения вольтамперных характеристик с осью токов соответствуют значениям то­ков короткого замыкания (R=0). Промежуточные значе­ния сопротивления нагрузки определяются линиями на­грузки, которые для разных значений R выходят из нача­ла координат под разным углом. При заданном значении тока по вольтамперным характеристикам фотодиода можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода в фотогальваническом режиме. Под оптимальным режимом выданном случае понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в R будет передаваться наиболь­шая электрическая мощность. Оптимальному режиму соответствует для потока Ф₁ линия нагрузки R₁ (площадь заштрихованного прямоуголь­ника с вершиной в точке А, где пересекаются линии Ф₁ и R₁, будет наибольшей (рис.12). Для кремниевых фо­тодиодов при оптимальной нагрузке напряжение на фо­тодиоде (нагрузке) U=0,35-0,4 В. "

Энергетическая характеристика.

В фотодиодном режиме энергетическая характеристика описывается выражением

I_ф

где η – внутренний квантовый выход

γ – коэффициент переноса

В рабочем диапазоне значений потоков излучения характеристика линейна. Это говорит о том, что практически все фотоносители доходят до р-п перехода и прини­мают участие в образовании фото­тока. Во всяком случае потери не­основных носителей на рекомбина­цию не зависят от потока излучения, так как исходный материал содержит малое количество приме­сей,. могущих выполнять роль рекомбинационных центров.

В фотогальваническрм режиме энергетические характеристики представляются зависимостями либо тока короткого замыкания I_k,-либо фото-ЭДС Еф=Uф от потока излучения. При больших потоках Ф закон изменения этих зависимостей существенно отклоняется от линейного (рис. 13). Для функции Iк=f(Ф) появление нелиней­ности связано прежде всего с ростом падения напряжения на объемном сопротивлении базы полупроводника . Снижение фото-ЭДС объясняется уменьше­нием высоты потенциального барьера при накоплении из­быточного заряда электронов в п-области и дырок в р-области; как следствие этого процесса поле р-п перехода хуже разделяет фотоносители и рост фото-ЭДС при уве­личении потока излучения замедляется.

Рис. 13. Световые ха­рактеристики фотодио­да в

фотогальваническом и фотодиодном режимах

Спектральная характеристика. Воспользовавшись известным соотношением ν = с₀/λ, можно получить зависимость чувствительности S_ф от длины волны λ, т. е. спектральную характеристику

где с₀—скорость света.

Отсюда следует, что спектральная характеристика, во-первых, линейна, во-вторых, проходит через начало коор­динат.

Снижение чувствительности в .области коротких волн связано с тем, что при уменьшении длины волны энергия излучения поглощается в тонком приповерхностном слое, где скорость рекомбинации за, счет ловушек значительно больше, чем в глубине материала. Таким образом, корот­коволновая граница чувствительности фотодиода зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбина­ции. Уменьшая эти параметры — толщину базы и скорость рекомбинации—можно сдвигать коротковолновую границу чувствительности фотодиода в сторону уменьшения длины волны. Спад чувствительности в области длинных волн соответствует краю собственного поглощения—длинновол­новой границе спектральной чувствительности материала.

Положение максимума на спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от спектральной характеристики коэффициента поглощения материала фотодиода. Если глубина поглощения х₀ резко уменьшается с уменьшением длины волны падающего света ( в германии), то положение максимума определяется ши­риной запрещенной волны и от толщины базы практически не зависит. Если же зависи­мость глубины поглощения от длины волны слабая, как, например, в кремнии, то максимум спектральной ха­рактеристики может смещаться при изменении толщины базы и скорости поверхностной рекомбинации. Так, мак­симум спекральной характеристики кремниевого фотодио­да можно изменять в диапазоне от 0,6 до 1 мкм.

Быстродействие фотодиода. Быстродействие фо­тодиода определяется, с одной стороны, процессами раз­деления носителей, возникающих при поглощении света, полем р-п перехода, с другой стороны - емкостью р-п пе­рехода С_бар. Разделение фотоносителей полем р-п перехо­да происходит после того, как соответствующий фотоно­ситель (дырка или электрон) из места возникновения (ге­нерации) продиффундирует к р-п переходу. Время проле­та носителей через р-п переход

t = δ/v_мах

где δ —толщина р-п перехода;

v _мax—максимальная ско­рость дрейфа носителей заряда.

Или

t = w_б/2D

где w_б – толщина базы

D – коэффициент диффузии неосновных носителей

Итак, в фотодиодном режиме быстродействие определяется временем диффузии носителей от зоны их генерации до p-n перехода. Для повышения быстродействия нужно уменьшить w_б. Для кремния Dр=0.01 м /с; w_б=10 мкм, т.е. t » 100 нс. Дальнейшее уменьшение w_б нецелесообразно, так как снижается чувствительность, а максимум чувствительности сдвигается в коротковолновую область, что затрудняет согласование фотодиода с излучателем. Кроме того, при малых w_б влияние С_бар становится значительным. Повышение быстродействия фотодиода при сохранении высокой чувствительности стало возможным при переходе к более сложным полупроводниковым структурам.

Разновидности фотодиодов.

Фотодиоды с p-i-n структурой. Расширение частотного диапазона фотодиода без снижения его чувствительности возможно в структурах типа p-i-n (рис. 14).

В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположного знака электропроводности. При достаточно больших обратных напряжениях сильное и почти однородное электрическое поле распространяется на всю i-область собственной проводимости. Свободные носители, появившиеся в промежуточной области i за счёт поглощения фотонов, быстро ускоряются электрическим полем к переходу. Поскольку эта средняя область может быть сделана достаточно широкой, такая структура создаёт основу для получения очень быстродействующего и чувствительного приёмника. Энергетическая диаграмма p-i-n диода при обратном смещении представлена на рис.15, где i – область имеет удельное сопротивление в 10⁶ - 10⁷ раз больше, чем сопротивление легированных областей n- и р-типов. Это обусловливает большую толщину области объёмного заряда w. В результате излучение поглощается непосредственно в области пространственного заряда, в котором внешним смещением создано сильное электрическое поле.

Рис.14. Фотодиод с p-i-n структурой

Рис. 15. Энергетическая диаграмма фотодиода с p-i-n структурой

Время пролёта при этом

w w

t_пр = ,

v mE

где Е – напряжённость электрического поля;

m - подвижность носителей;

v=mE - скорость дрейфа носителей в электрическом поле.

Таким образом, повышение быстродействия p-i-n фотодиода обусловлено тем, что процесс диффузии фотоносителей в p-i-n структуре заменяется дрейфом в сильном электрическом поле p-n перехода.

Эффективность дрейфового процесса разделения генерируемых светом носителей в p-i-n структуре по сравнению с диффузионным (характерным для p-n фотодиода) видна из сравнения времени пролета через базу толщиной w:

так как D _p/m_р = kT/q.

Следовательно, уже начиная с Uобр = 0,1…0,2 В p-i-n фотодиоды имеют преимущество в быстродействии. Таким образом, фотодиоды с p-I-n структурой имеют следующие основные достоинства:

1.Сочетание высокой фоточувствительности (на длине волны l = 0,9 мкм практически достигнут теоретический предел фоточувствительности Sф» 0,7 А/Вт) и высокого быстродействия.

2.Возможность обеспечения высокой чувствительности в длинноволновой области спектра при увеличении ширины i-области.

3.Малая барьерная ёмкость.

4.Малые рабочие напряжения в фотодиодном режиме, что обеспечивает электрическую совместимость фотодиодов с интегральными микросхемами.

К недостаткам p-i-n структуры следует отнести требование высокой чистоты i- базы и плохую технологическую совместимость с тонкими легированными слоями интегральных схем.

Фотодиоды Шоттки. Фотодиоды со структурой металл – полупроводник (фотодиоды Шоттки) также позволяют повысить быстродействие до 10 ^–10 c и выше. Качественный контакт между металлом и полупроводником путём их простого соприкосновения невозможен. Реальные контакты и металла и полупроводника в настоящее время создают методом напыления металла на полупроводник в вакууме. Структура и свойства контакта металл – полупроводник прежде всего зависит от взаимного расположения уровней Ферми в металле (j _Fm ) и полупроводнике (j_F ). На рис. 16,а приведены зонные диаграммы такой структуры для случая, когда уровень Ферми металла выше уровня Ферми полупроводника (j_Fm > j_F). Это контакт металла с полупроводником p-типа. Разница в уровнях Ферми означает, что вероятность заполнения одного и того же энергетического уровня в металле выше, чем в зоне проводимости полупроводника. Поэтому заполнение зоны проводимости полупроводника электронами меньше, чем той же области энергии в металле. При образовании структуры металл – проводник часть электронов перейдёт из металла в полупроводник p- типа. Появление избыточных электронов в приповерхностном слое полупроводника вызывает дополнительную рекомбинацию, количество дырок уменьшается, и на границе металл – полупроводник образуется объёмный отрицательный заряд ионов – акцепторов. Появляется электрическое поле, которое препятствует перемещению электронов и обеспечивает динамическое равновесие в области перехода.

Рис 16. Энергетические диаграммы перехода металл- полупроводник:

а-переход металл – полупроводник типа;

б-переход металл – полупроводник типа

На рис. 16,б показаны зонные диаграммы для случая j_Fm < j_m -контакт металла с полупроводником n-типа. При образовании контакта электроны переходят из полупроводника n-типа в металл. Соответственно вблизи границы металл – полупроводник создаётся объёмный заряд положительных ионов-доноров и электрическое поле. Энергетические уровни вблизи поверхности полупроводника искривляются. Степень искривления уровней характеризуется поверхностным потенциалом j_S -разностью потенциалов между объемом и поверхностью полупроводника. В равновесном состоянии (в отсутствие внешнего напряжения и оптического излучения) имеем равновесный поверхностный потенциал j_S0 (рис.16.). Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки. Его j_S0 высота является аналогом внутреннего потенциального барьера в p-n переходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота барьера Шоттки и сопротивление приконтактного слоя будут меняться.

Рис.17. Энергетические диаграммы фотодиода Шоттки:

а- в равновесном состоянии; б- при прямом смещении;

в- при обратном смещении

При приложении прямого напряжения U_пр (положительный полюс к металлу, отрицательный к полупроводнику n-типа) потенциальный барьер понижается (рис.17,б), приконтактный слой обогащается основными носителями – электронами и сопротивление перехода металл – полупроводник будет меньше равновесного. Если изменить полярность внешнего напряжения U_обр (минус к металлу, плюс к n-полупроводнику), то потенциальный барьер в контакте повышается (рис.17,в). Тогда приконтактный слой ещё сильнее обедняется основными носителями – электронами и будет иметь место повышение сопротивления по сравнению с равновесным. Таким образом, контакт металл – полупроводник обладает выпрямляющими свойствами и может быть основой диодов.

Характерной чертой диодов Шоттки по сравнению с диодами на p-n переходе является отсутствие инжекции неосновных носителей.

Диоды Шоттки, как говорят, «работают на основных носителях», и в них отсутствуют относительно медленные процессы, связанные с накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе диода. Однако для фотодиодов Шоттки этот факт практически не имеет значения, так как они работают не при прямом напряжении. С точки зрения применения контакта металл – полупроводник в фотодиодах следует подчеркнуть такие основные особенности. Во-первых, в фотодиоде с барьером Шоттки появляется возможность поглощения квантов излучения с энергией, меньшей ширины запрещённой зоны. При этом, если энергия кванта излучения больше высоты потенциального барьера, то возбуждённые электроны из металла могут перейти в полупроводник через потенциальный барьер. В результате длиноволновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки сдвигается в сторону более длинных волн. Во-вторых, в фотодиоде Шоттки с ростом энергии квантов область поглощения излучения сдвигается в слой объёмного заряда, где существует поле, разделяющее фотоносители. В фотодиоде с p-n переходом при малой глубине поглощения фототок практически равен нулю. Следовательно, коротковолновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки расположена при более коротких волнах. Вообще спектральная характеристика фотодиода на основе контакта металл-полупроводник шире, чем спектральная характеристика фотодиода с p-n переходом из того же полупроводника .

Фотодиоды Шоттки характеризуются рядом других примечательных достоинств, важных с точке зрения применения приборов в оптоэлектронике:

1) малым сопротивлением базы фотодиода. Поэтому постоянная времени барьерной ёмкости C_барr_s у фотодиодов Шоттки порядка 10 ^–12 c и инерционность этих приборов определяется только временем пролёта фотоносителей через область объёмного заряда (10^-10 -- 10^-11 c);

2) сочетанием высокого быстродействия и высокой чувствительности (S_ф=0,5 А/Вт);

3) простотой создания выпрямляющих фоточувствительных структур на самых разнообразных полупроводниках (в том числе и на таких, в которых не удаётся создать p-n переход) и, как следствие этого, возможностью управления высотой потенциального барьера Шоттки.

Фотодиоды с гетероструктурой. Фотодиоды с гетероструктурой представляют собой один из наиболее перспективных типов оптоэлектронных фотоприёмников. В сущности гетероструктура открывает принципиальную возможность получения фотодиода с КПД, близким к 100%. На примере GaAs – GaAlAs гетероструктуры рассмотрим особенности гетерофотодиодов. Устройство и зонная диаграмма гетерофотодиода изображены на рис.18. Слой GaAlAs играет роль окна, пропускающего излучение, поглощаемое в средней n-области (GaAs). Разница в ширине запрещённых зон по обе стороны от гетероперехода около 0,4 эВ. Генерируемые в n-области под воздействием оптического излучения дырки беспрепятственно переносятся в область. Толщина активной области выбирается такой, чтобы обеспечить поглощение всего излучения. Высокая степень частоты активной области и низкая плотность поверхностных состояний границ между слоями обеспечивают малые рекомбинационные потери фотоносителей.

Рис. 18. Фотодиод с гетероструктурой:

а-структура; б-энергетическая диаграмма.

Таким образом, при исключительно высоком КПД гетерофотодиоды сохраняют достоинства рассмотренных выше структур: сочетание высокой чувствительности с высоким быстродействием, малые рабочие напряжения. Гетероструктура позволяет, выбрав подходящие пары полупроводников для фотодиодов, работать практически в любой части оптического диапазона длин волн. Это преимущество обусловлено тем, что в гетероструктуре рабочая длина волны определяется разницей ширин запрещённых зон и не связана со спектральной характеристикой глубины поглощения c₀ . Вследствие хороших возможностей выбора материала базы достижимое значение фото – ЭДС у гетерофотодиодов 0,8 – 1,1 В (в 2 – 3 раза выше, чем у кремниевых фотодиодов). Основным недостатком гетерофотодиодов является присущая вообще гетероструктурам сложность изготовления.

Лавинные фотодиоды. Одним из путей создания быстродействующих фотоприёмников с высокой чувствительностью является использование лавинного пробоя, в частности создание лавинных фотодиодов. Если поле в активной зоне фотодиода велико и энергия, приобретаемая фотоносителями тока (электронами и дырками) в этом поле превышает энергию образования электронно – дырочных пар, то начинается лавинообразный процесс размножения носителей. Процесс умножения начинается с генерации носителей под действием квантов света, т.е. имеем фотодиод с лавинным умножением. Усиление первичного фотодиода в лавинном фотодиоде определяется коэффициентом лавинного умножения:

M = I_ф / I_ф0

где I_ф-ток на выходе фотодиода с учётом умножения;

I_ф0-ток при отсутствии умножения.

Таким образом, коэффициент лавинного умножения в лавинном фотодиоде является коэффициентом усиления фототока.

Рис.19. Вольт – амперные характеристики лавинных фотодиодов.

Известно, что коэффициент умножения зависит от напряжения на переходе:

M=1 / (1- (U/U_проб)^m

где U_поб - пробивное напряжение;

U - напряжение на p-n переходе;

m = 1,5…2 для кремния p-типа; m = 3,4…4 для кремния n-типа.

Тогда вольт – амперную характеристику лавинного фотодиода можно представить в виде

I_ф=I_ф0 / (1- (U/U_проб)^m

На рис. 19 представлены вольт – амперные характеристики, типичные для лавинного фотодиода. Лавинные фотодиоды перспективны при обнаружении слабых оптических сигналов. Более широкое применение лавинных фотодиодов связано со значительными трудностями. Прежде всего, эти трудности вязаны с тем, что в предпробойном режиме коэффициент усиления фототока М резко зависит от напряжения. Это вызывает дополнительную нестабильность М и увеличивает шумы. Перечисленные недостатки в сочетании с разбросом параметров у отдельных образцов ограничивают применение лавинных фотодидов.

Фотоприемники с внутренним усилением.

В фотоприёмниках с внутренним усилием кроме преобразования оптического излучения в электрический ток (фототок) имеет место ещё и увеличение (усиление) фототока. Основными разновидностями фотоприёмников с внутренним усилением, применяемых в настоящее время в оптоэлектронике, являются: фототранзистор, составной фототранзистор и фототиристор. Через фотоприёмное окно оптическое излучение попадает в рабочую область структуры. В этой области обеспечивается генерация фотоносителей, которые затем разделяются переходом. Разделение фотоносителей сопровождается дополнительным увеличением их концентрации за счет механизма электрического усиления. На рис. 20 представлены типичные структуры таких фотоприёмников.

Рис. 20. Структуры фотоприёмников с внутренним усилением:

а-фототранзистор; б-составной фототранзистор; в-фототиристор

Фототранзистор. Фототранзистор (рис. 20,а) в электрическую цепь включается обычно по схеме с общим эмиттером. База фототранзистора может не иметь внешнего вывода (оборванная база). Современные фототранзисторы часто имеют внешний базовый электрод. Рассмотрим работу фототранзистора в схеме (рис. 21). Под действием излучения начинается генерация носителей в базе, которые разделяются коллекторным переходом. Дырки уходят через переход в область, а электроны остаются в базе. Поле, создаваемое объёмным зарядом электронов, не может уменьшить заряд в базе за счёт тока базы (I=0), поэтому поле объёмных зарядов снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода, вызывая дополнительную инжекцию дырок в базу. Фототок в данном случае играет роль тока базы. Соответственно выходные характеристики фототранзистора аналогичны характеристикам биполярного транзистора (рис. 22), т.е. по сравнению с обычным фотодиодом фототранзистор даёт усиление тока в b раз больше, а интегральная чувствительность фототранзистора S_ф =S_фдb, где S_фд - токовая чувствительность фотодиода, образованного эмиттерным переходом транзистора; b- коэффициент усиления транзистора. Повышение чувствительности – главное преимущество фототранзистора по сравнению с фотодиодом. Однако это преимущество обычно достигается за счёт снижения температурной стабильности прибора, так как фототранзистор работает при постоянном токе базы. Вообще говоря, у фототранзисторов снижается также пороговая чувствительность, так как значительно возрастает темновой ток:

I_Т = I_к0(1+b)

где I_к0- тепловой ток транзистора.

Применение фототранзисторов и улучшение параметров этих приборов затрудняет, в частности, следующее обстоятельство: высокий коэффициент передачи и малое время переключения требуют уменьшения толщины базовой области w_s, что обычно приводит к снижению фоточувствительности прибора. Компромисс определяет относительно низкое быстродействие фототранзисторов (t_пер »10^-5 c).

Рис. 21. Принцип работы фототранзистора

Рис. 22. Выходные характеристики фототранзистора

Повышение быстродействия возможно в интегральных фотоприёмниках с внутренним усилием, которые представляют собой соединение фотодиода и транзистора (рис. 23,б). Раздельная оптимизация структур позволяет получить чувствительный, быстродействующий фотодиод и высокочастотный транзистор в единой структуре (рис. 23,а). Такая структура эквивалентна быстродействующему фототранзистору с большим внутренним усилением по току.

Рис. 23. Структура фотодиода – транзистора

Фототиристор. Рассмотрим четырехслойную р-п-р-п структуру фототиристора (рис. 24).

Рис. 24 Принцип работы фототеристора

К структуре приложено прямое напряжение (положительный полюс к аноду, отрицательный к катоду).

На рис.25 приведено семейство вольтамперных ха­рактеристик фототиристора, освещаемого монохроматиче­ским светом с различной мощностью излучения.

Рис. 25 Семейство вольт-амперных характеристик фототеристора

Сравнительная характеристика. В заключение этого раздела следует провести сравнение параметров фо­топриемников с точки зрения их применения. Фототранзи­сторы рядом своих свойств выгодно отличаются от других типов фотоприемников. Это прежде всего схемотехническая и функциональная гибкость. Она обеспечивается тем, что выходным током в фототранзисторах можно управлять как оптически (с помощью оптического излучения), так и электрически (по цепи базы). Выходная цепь фототранзи­стора может работать в линейном и ключевом режимах. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем, например, фотодиодов, что делает их пригодными для пе­реключения широкого класса электронных цепей. Транзисторные фотоприемники на основе структуры фото­диод — транзистор обладают наилучшим быстродействием (около 1 мкс) и коэффициентом усиле­ния .

Исключительная область применения фототиристоров — переключение больших мощностей, где они практически не имеют конкурентов.

Фоторезисторы

Одной из форм внутреннего фотоэффекта является фотопроводимость. В данном случае электронно-дырочные пары, создаваемые поглощенным оптическим излучением в полупроводнике, увеличивают его проводимость на время, равное их жизни. Прибор, работающий на этом принципе, называется фоторезистор. Эффект фотопроводимости позволяет регистрировать оптические сигналы, если фоторезистор включить в цепь, имеющую нагрузку и источник питания.

Рис.26 Структура фоторезистора

1- изолятор; 2- полупроводник; 3- контакты

Рис. 27 Фоторезистор в электрической цепи

Основным преимуществом фоторезисторов перед другими фотоприемниками является наличие внутреннего усиления под воздействием продольного электрического поля. Коэффициент усиления () можно рассчитать по уравнению

=/t

где  -время жизни носителей(с);

t-время пробега носителей(с).

t=L²/U

где L - длина фоторезиста(см);

 - подвижность носителей заряда(см²/Вс);

U - напряжение(В)

Для того, чтобы фотон оптического излучения создавал фотоносители необходимо выполнение очевидного энергетического соотношения E=hE, а значит, учитывая, что h=hc₀/, собственный фотоэффект в полупроводнике возможен только при воздействии на него излучения с длиной волны _max, меньше значения

_гр=hc₀/E  1,23/E (мкм)

где h - постоянная Планка;

c_{0 -} скорость света;

E- ширина запрещенной зоны (эВ).

Большинство фоторезисторов изготавливаются на основе полупроводниковых халькогенидов. В качестве центров чувствительности в них используют атомы меди, которые создавая в этих материалах акцепторные уровни резко снижают проводимость и повышают время жизни электронов в зоне проводимости.. Активным элементом фоторезистора является полупроводниковая пленка, которую получают методом спекания или методом вакуумного напыления.

При спекании, из смеси порошка полупроводникового соединения с хлористым кадмием ( в случае халькогенидов кадмия) и присадкой активирующей примеси CuCl₂ приготавливается водно-спиртовая суспензия, которая путем пульверизации наноситься на подложку. После прокаливания на воздухе осуществляется напыление омических контактов. Необходимый рисунок фоторезистивного слоя, толщина которого обычно 10-50мкм, создают применяя соответствующие маски.

При вакуумном напылении на подложку наноситься тонкий(5-10мкм) слой фоточувствительного материала. Затем полученная пленка прокаливается на воздухе под слоем порошка, содержащего медь и хлор, и на нее напыляются контактные площадки. В данном случае может быть использован современная фотолитография. На рис.28 приведена вольт-амперная характеристика фоторезистора.

Рис.28 Вольтамперная характеристика фоторезистора

При поглощении монохроматического света в полупроводнике его интенсивность убывает по экспоненциальному закону

I= I₀exp(-x)

где - коэффициент поглощения

I₀- общее число квантов, падающих на поверхность.

Следовательно, число квантов, поглощенных в слое dx

-dI/dx =Idx

Коэффициент  зависит от механизма поглощения. Так как некоторые механизмы поглощения не связаны с генерацией носителей заряда ( например, на свободных носителях, на тепловых колебаниях решетки и пр.), то это учитывается введением коэффициента квантового выхода η.

При отсутствии освещения можно рассчитать проводимость фоторезистора (G₀)

G₀ = e μ n₀ d w / L

где - e – заряд электрона (А сек )

μ – подвижность электронов (см²/В сек)

n₀ - равновесная концентрация электронов (см^-3)

d – толщина фоторезистора (см )

w – ширина фоторезистора (см )

L – длина фоторезистора (см²)

и соответственно ток

I₀ = U G₀

При падении излучения на поверхность фоторезистора в нем генерируются носители вследствие возникновения либо межзонных переходов (собственное возбуждение), либо переходов с участием энергетических примесных уровней ( примесное возбуждение), что приводит к увеличению проводимости. Для тонких слоев и в случае однородного поглощения скорость генерации носителей при освещении фоторезистора равна

Q = η α Q₀

где

Q₀ = P/ hν = Pλ / h c (см^-2 сек^-1)

где – P – поверхностная мощность падающего света, (Вт/см²);

λ - длина волны света, (см)

h – постоянная Планка (дж. сек)

c – скорость света (см/сек)

η - квантовый выход

α – коэффициент поглощения (см^-1)

Если возникающие носители обладают временем жизни τ , то в полупроводнике, например, электронного типа проводимости дополнительное количество электронов будет равно

Δn = Q τ

При освещении произойдет изменение проводимости

G_Ф = e μ Δ n d w / L = e μ Q τ d w/ L

Если к фоторезистору приложено напряжение U то изменение тока при освещении составит

I_Ф = U G_Ф

Основной характеристикой фоторезистора является величина возникающего фототока (I_Ф ) и чувствительность.

Спектральная чувствительность отражает изменение электрического состояния на выходе фоторезистора при подаче на его вход единичного оптического сигнала

S_Ф=I_ф/Р₀ (А/Вт)

где Р₀ = Р w L

Помимо полезного сигнала на выходе всегда имеет место хаотический сигнал - шум фотоприемника который усложняет процесс регистрации сигнала малой мощности.

Любой двухполюсник может быть представлен генератором тока и при этом среднеквадратичная флуктуация тока обусловленная генерационно-рекомбинационным (ГР) шумом неосвещенного образца равна

I_гр ² = 4 e F I₀

где – F – ширина полосы пропускания (гц, сек^-1) (всегда 1гц)

i_гр ² = 4 e² F Uμ n₀ d w / L

Рис. 29 Энергетические характеристики фоторезистора

Тепловой шум существует в любом проводнике. Причиной его является хаотическое движение носителей тока. Среднеквадратичная флуктуация обусловленная тепловым шумом равна

i_Т² = 4kTF G_Ф

где k - константа Больцмана (дж/град);

T - температура, К

или

i_Т² = 4kTF e μ Q τ d w/ L

В реальных фотодетекторах чувствительность зависит от ГР и теплового шума. При увеличении напряжения вклад теплового шума становиться меньше и чувствительность увеличивается до тех пор, пока ГР-шум не начинает преобладать над тепловым шумом, при условии, что такая точка достижима без разрушения прибора.

Зная значение лимитирующего шума можно определить минимальную обнаружительную мощность излучения

P_мин = i_шум U

На практике обычно используется эквивалентная мощность шума NEP

NEP = P_мин / (F)^1/2

и обнаружительная способность D^*

D^* = √ A / NEP

где А – площадь поверхности фоторезистора

Это выражение можно использовать для оптимизации геометрических размеров и условий эксплуатации фоторезисторов. Когда РГ- шум является определяющим, D^* с учетом можно изобразить в виде

D^* = L / 2eU(μ_n n_o d)^1/2

Из данного выражения видно, что важно использовать тонкие (d) пленки, но при условии полного поглощения света и длинные образцы (L), при условии сохранения высокого К_ус . Снизить (μ_n n_o) и соответственно увеличить D^* возможно путем снижения рабочей температуры ( охлаждения фоторезистора). Это особенно важно для детекторов, работающих в ИК – области спектра.

Несмотря на свою простоту, малые размеры и массу фоторезисторы нашли ограниченное применение, что связано с низким быстродействием 10^-2- 10^-3 с., со значительной температурной зависимостью параметров и нелинейностью световой характеристики.

Литература

1. Васильев А.М., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.:Советское радио, 1971, 248 с.

2. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. М.: Советское радио,1977,232 с.

3. Свечников С.В. Элементы оптоэлектроники. М.: Советское радио, 1971, 272 с.

4. Шурупич Л.С., Тугов Н. М. Оптоэлектроника. М.: Энергоатомиздат, 1984, 2256 с.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ (ВОЛС)

Современные системы электросвязи (телеграф, теле­фон и радио) достигли высокого уровня развития. Даль­нейшее их совершенствование, как отмечалось во введе­нии, требует огромных средств, усилий, времени и может привести лишь к некоторым количественным улучшениям. В то же время назрела необходимость качественного из­менения состояния современной связи.

Вся история развития радио и других методов связи показывала, что с уменьшением длины волны информа­ционного сигнала улучшается качество связи: увеличива­ется число возможных каналов связи и повышается поме­хоустойчивость. Это объясняется тем, что с уменьшением длины волны падает уровень атмосферных и промышлен­ных помех.

С появлением лазеров появилась возможность продви­жения в область более коротковолнового электромагнит­ного излучения и начались интенсивные разработки опти­ческих линий связи. Однако с течением времени стало ясно, что открытые линии лазерной связи недостаточно надежны. Даже на расстоянии в несколько километров сильный дождь, снегопад или туман могут нарушить связь. Поэтому потенциальные возможности оптической связи долгое время оставались практически не реализованными из-за отсутствия оптического аналога электрического кабе­ля. Лишь в середине шестидесятых годов появились во­локонные световоды—основа современных ВОЛС.

Структурная схема ВОЛС.

Структурная схема волоконно-оптической линии связи изображена на рис.1. Она включает в себя следующие основные элементы: вход­ное кодирующее устройство КУ, передатчик, оптический кабель, ретранслятор Р, приемник, выходное декодирую­щее устройство ДКУ.

Рис. 1. Структурная схема волоконно-оптической линии связи

Кодирующее устройство преобразует исходную инфор­мацию в форму, удобную для передачи. Главная часть передатчика — это обычно полупроводниковый лазер Л. Закодированная в электрическом сигнале информация по­ступает на модулятор М, который управляет интенсивно­стью излучения лазера. Модулированный оптический сиг­нал передается далее по оптическому кабелю. В месте приема с помощью фотоприемника ФП оптический сигнал будет вновь преобразован в электрический и усилен в уси­лителе слабых фотосигналов У. Ретранслятор служит для восстановления уровня передаваемого на большие расстоя­ния сигнала.

В зависимости от назначения ВОЛС, ее протяженности, быстродействия, качества используемых элементов струк­турная схема ВОЛС рис.1 может изменяться. Иногда нет необходимости в ретрансляторе. В простейшем случае, если ВОЛС очень короткая, она может состоять лишь из излучателя, кабеля и фотоприемника.

Рассмотрение структуры ВОЛС позволяет выделить основные отличительные особенности таких линий связи:

1) высокая помехозащищенность от внешних электро­магнитных воздействий и от межканальных взаимонаво­док; это особенно важно при повышенной плотности ком­муникаций и при их размещении вблизи источников помех;

2) малые габариты и масса из-за низкой плотности всех исходных материалов .и отказа от тяжелых экрани­рующих оболочек; по сравнению с линиями проводной свя­зи выигрыш по этим показателям в 3—5 раз и более; это качество ВОЛС особое значение имеет для бортовой ап­паратуры;

3. широкий диапазон рабочих частот (вплоть до 1 ГГц и более). В результате по одной линии оптической связи может одновременно передаваться 10¹⁰ телефонных разго­воров или 10⁶ телепрограмм;

4. секретность передачи информации: излучения в окружающее пространство ВОЛС почти не дает, а изго­товление отводов оптической энергии без разрушения ка­беля практически невозможно;

5) потенциально низкая стоимость, обусловленная как заменой дорогостоящих цветных металлов (медь, свинец) материалами с неограниченным сырьевым ресурсом (стек­ло, кварц, полимеры), так и простотой изготовления про­кладки и эксплуатации ВОЛС.

Волоконный световод—основа ВОЛС.

Основные элементы ВОЛС — излучатели и фотоприемники, оптиче­ские модуляторы и др. Современную основу волоконно-оптиче­ских линий связи составляют оптические кабели, изготав­ливаемые из отдельных световодов.

Передача оптической энергии по волоконно-оптическо­му световоду обеспечивается с помощью эффекта полного внутреннего отражения.

Рис. 2. Распространение излучения и изменение показателя прелом­ления в волоконных световодах: а — в двухслойном волокне; б—в селфоке

Рассмотрим, как проявляется этот эффект в цилиндрическом двухслойном световоде (рис.2,а). Пусть материал внутренней жилы имеет по­казатель преломления n₁, а материал внешнего слоя (обо­лочки) n₂. При этом n₁>n₂, т. е. материал жилы оптиче­ски более плотный, чем материал оболочки. Для излуче­ния, входящего в световод под малыми углами по отно­шению к оси цилиндра, выполняется условие полного вну­треннего отражения: при падении излучения на границу с оболочкой вся энергия излучения отражается внутрь жи­лы световода. То же самое происходит и при всех после­дующих отражениях; в результате излучение распростра­няется вдоль оси световода, не выходя через оболочку. Максимальный угол отклонения от оси, при котором еще имеется полное внутреннее отражение, определяется вы­ражением

(1)

Величина Ао называется числовой апертурой световода и учитывается при согласовании световода с излучателем. Излучение, падающее на торец под углами φ>φ₀ (вне-апертурные лучи), при взаимодействии с оболочкой не только отражается, но и преломляется; часть оптической энергии уходит из световода. В конечном итоге после мно­гократных встреч с границей жила — оболочка такое излу­чение полностью рассеивается из световода.

Излучение распространяется вдоль световода и в том случае, если уменьшение показателя преломления от цен­тра к краю происходит не ступенчато, а постепенно. В та­ких световодах лучи, входящие в торец, преломляясь, фо­кусируются вблизи осевой линии (рис. 4.22,6). Любой отрезок такого световода действует как короткофокусная линза, вызывая эффект самофокусировки. Эти световоды называют селфоками (от англ. слов self — сам и focus — фокус) или градиентными световодами.

Потери излучения при прохождении через световод должны быть минимальными. Количественно эти потери, которые называют потерями пропускания, определяются значением ослабления оптического сигнала В:

(2)

где Р_вх—мощность входного оптического сигнала; Р_вых— мощность выходного оптического сигнала (на выходе из световода); L—длина световода.

Распространение света в волоконном световоде характери­зуется множеством параметров, но самыми важными из них являются параметры, характеризующие потери на распростра­нение и спектральную полосу пропускания. Потери при рас­пространении характеризуются величиной затухания световой энергии на единичной длине световода (дБ) и зависят от дли­ны волны излучения (рис.3.). На самом первом этапе иссле­дований волоконных световодов (до 1975 г.) использовались светоизлучающие и фотоприемные элементы только для ближ­ней ИК-области около 0,8 мкм. Хотя из-за наличия примесей поглощение в световоде было довольно большим, минимум потерь излучения приходится на эту область спектра. По этой причине самая первая система оптической связи действовала в спектральной области вблизи 0,8 мкм. Позже в более длин­новолновой части спектра была обнаружена область волн, в которой можно получить крайне низкие потери и широкую полосу пропускания. Благодаря развитию технологии был из­готовлен почти не содержащий примесей волоконный световод с очень низкими потерями 0,2 дБ/км на длине волны 1,55 мкм (рис. 3.13).

Рис.3. Спектральные характеристики потерь излучения в кварцевом во­локонном световоде.

Единицей измерения ослабления оптического сигнала служит децибел на километр (дБ/км). Современные све­товоды имеют высокую чистоту волокна — ослабление сиг­нала составляет 0,5 дБ/км при длине волны λ==1,2 мкм, что близко к теоретическому пределу для кварцевых све­товодов. Для сравнения укажем, что такой световод кило­метровой длины прозрачнее чисто вымытого оконного стекла.

Потери пропускания в световоде обусловлены абсорб­цией и рассеянием оптического излучения. Абсорбционные потери связаны прежде всего с поглощением излучения на ионах примесей, главным образом на ионах металлов груп­пы медь—хром. Интенсивность поглощения на ионах ме­таллов зависит от спектра передаваемого сигнала, а также многих других факторов (от заряда ионов и др.). Дейст­вие примесей сильно зависит и от той основы, в которой они растворены. Так, в кварце медь дает в 30 раз, а ни­кель в 10 раз меньшие потери, чем в стекле; примеси хро­ма и кобальта, напротив, более опасны в кварце.

1 2 3 4

Рис. 4. Конструкция оптических кабелей различного применения:

1—волокно; 2 — упрочняющий элемент; 3—внутренняя оболочка; 4—наруж­ная оболочка

Сильно поглощающие центры образуют ионы гидроксильной группы ОН, неизбежно присутствующие в мате­риале световода.

Потери на рассеяние зависят прежде всего от наличия в материале световода пузырьков, кристаллических вклю­чений и других технологических дефектов. При совершен­ной технологии, когда указанные дефекты устранены, оста­ется рассеяние, вызванное неоднородностью плотности или состава материала по объему. Эти потери, определяющие теоретический нижний предел для световодов, близки к 0,7 дБ/км для кварца (при λ=1 мкм) и несколько больше у многокомпонентных стекол.

В оптических кабелях световоды дополняются элемен­тами, повышающими эластичность и прочность кабеля. Конструктивно оптические кабели достаточно разнообраз­ны, но имеется и ряд общих особенностей (рис.4.). Световоды покрываются индивидуальной тонкой защитной пленкой, исключающей взаимные наводки между волокна­ми. Затем жгут световодов объединяется общей оболоч­кой, сочетающей эластичность с некоторой жесткостью. Наружная оплетка обеспечивает прочность кабеля и его стойкость к внешним воздействиям в процессе эксплуата­ции. Все защитные оболочки являются полимерными.

Классификация волоконных световодов по диаметру серд­цевины и характеру распределения показателя преломления в ней представлены в табл. 3.1. Ниже обсуждаются их основ­ные характеристики.

Рис. Распространение света

а- в волоконном световоде со ступенчатым профилем показателя преломления б- в градиентном световоде в – в одномодовом световоде

Волоконный световод как среда распространения сигнала в связи имеет следующие основные особенности:

1. Низкие потери. Потери на 2 порядка меньше, чем в приме­нявшихся раньше медных линиях, что позволяет удлинить участки между ретрансляторами.

2. Широкая полоса пропускания. Полоса пропускания свыше 1 ГГц-км обеспечивает одновременное увеличение протяжен­ности участков между ретрансляторами и объема передавае­мой информации.

3. Малая толщина и вес. Световодные линии легко проклады­вать.

4. Не подвержены влиянию электромагнитной индукции. Мож­но прокладывать вблизи электрических кабелей и электрифи­цированных железнодорожных путей. Устойчивы к ударам мол­ний.

5.Малые утечки излучения делают возможной высокую степень секретности передачи информации.

Рис. 3.12. Конструкция волоконного кабеля (размеры указаны в милли­метрах): .1—второе покрытие (найлон); 2—амортизирующий слой; 3—пер­вое покрытие; 4 — оболочка; 5 — сердцевина.

Принцип голографии.

Попытайтесь, разглядывая фотографию, заглянуть за предметы, находящиеся на переднем плане. Это, конечно, не удается, так как фотография — плоское изображение, полученное из определенной точки наблюдения. Голография же позволяет это сделать. Световые волны, записанные и восстановленные голограммой, создают полную иллюзию реальности наблюдаемых предметов — объемность, цвет, возможность изменения точки наблюдения. Голография — это спо­соб регистрации и последующего восстановления световых волн, полу­чивший развитие благодаря оптоэлектронике и прежде всего созданию лазера.

Для записи информации об объекте необходимо каким-либо обра­зом зафиксировать как амплитуду, так и фазу отраженной от объекта пространственной волны. Наблюдать изменение фазы волны можно только в результате интерференции данной волны с другой, когерент­ной ей волной .

В основе принципа, голографии лежит интерференция когерентных волн: волны, отраженной от объекта, и некоторой вспомогательной (опорной) когерентной ей волной. Фиксируя на фотопластинке ампли­туду результирующей волны, т. е. интерференционную картину, полу­чающуюся при сложении двух когерентных волн, записывают полную информацию (амплитудно-фазовую) об отраженной от объекта волне. Полученную картину называют голограммой. Чтобы восстановить за­писанное на голограмме изображение объекта, надо осветить ее опор­ной световой волной. При этом происходит дифракция опорной волны на интерференционной картине и исходная волна полностью восстанав­ливается. Это означает, что на стадии восстановления (считывания) го­лограмма обеспечивает формирование точно такой же световой волны, которая На стадии записи отражалась от объекта. Таким образом, ко­герентные оптические сигналы позволяют осуществлять обработку мно­гомерной информации, например анализ изображений, графиков, чер­тежей, или одновременную параллельную отработку информации — многоканальную обработку.

Потери пропускания — важнейшая характеристика световодов, определяющая возможность их практическо­го применения. Для .их количественной оценки служит затухание светового сигнала [дБ/км], определяемое как

где P_вх и Р_вых—мощности сигнала в световоде длиной l [км] у входного и выходного торцов. Иногда—для не очень прозрачных волокон—используется светопро­пускание b, измеряемое в %/м. Эти два показателя связаны следующими соотношениями:

Приближенное равенство справедливо при достаточно малых значениях В «10² дБ/км).

Потери пропускания в оптической среде обусловлены действием механизмов абсорбции и рассеяния. Абсорб­ционные потери связаны прежде всего с поглощением света на красящих центрах—ло'нах примесей, из кото­рых наиболее «неприятными» являются металлы группы медь — хром.

Рис. 5.4. Спектральные ха­рактеристики поглощения света на ионах различных примесей в известково-натриевом стекле.

Интенсивность поглощения на ионах металлов зависит не только от спектрального соста­ва света (рис. 5.4), но и от мно­гих других факторов. Так, на­пример, при восстановлении Сu++ до Сu+ максимум спектра поглощения сдвигается от 800 к 200 нм, а значение потерь в максимуме уменьша­ется примерно в 10³ раз; ана­логично этому окисление Fe++ до Fe+++ уменьшает потери в 4.10³ раз и сдвигает макси­мум спектра поглощения от 1100 до 300 нм. Исходя из этого, оптимизируя действие окислительно - восстановитель­ных процессов и переводя ионы примесей в «нужное» зарядовое состояние, можно достигнуть минимальных по­терь пропускания. Действие примесей сильно зависит и от той основы, в которой они растворены. Так, в кварце медь дает в 30 раз, а никель в 10 раз меньшие потери, чем в стекле; примеси хрома и кобальта, напротив, бо­лее опасны в кварце.

Эффективные абсорбционные центры образуют ионы гидроксильной группы ОН, неизбежно присутствующие в материале световода. Резонансные колебания связи О-Н кроме основного максимума при λ=2,72 мкм имеют много меньших пиков, обусловленных обертонами (табл. 5.1). Особенно значительным поглощение может быть вблизи λ=1,24; 0,94; 0,88 и 0,72 мкм. Эти пики до­статочно остры, поэтому они проявляются и в результи­рующих спектральных характеристиках светодиодов; спектры же поглощения ионов металлов, напротив, размыты, поэтому, повышая величину абсолютных потерь, они .не изменяют вида результирующих характеристик.

Потери на рассеяние зависят прежде всего от нали­чия в стекле или кварце пузырьков, кристаллических включений, нерастворявшейся шихты и т. п. При совер­шенной технологии, когда указанные факторы устране­ны, остается релеевское рассеяние, вызванное флюктуациями плотности или состава материала по объему. Эти потери, определяющие теоретический нижний предел для световодов, близки к 0,7... 1 дБ/км для кварца (при λ=1мкм) и несколько больше у многокомпонентных стекол. Характерная особенность релеевского рассеяния состоит в резкой зависимости потерь от длины волны света (λ^-4).

Таблица 5.1

Пики поглощения гидроксильных ионов ОН в кварце

\, мкм	0,60	0,68	0,72	0,82	0,88	0,945	1,13	1,24	……..	2,7
Поглоще­ние, отн.ед.	6.10-3	4.10-3	7.10-2	4.10-2	9 10-2	1	1,1.10-2	2,8	……..	104

Рассмотренными особенностями потерь световой энер­гии в стекле объясняются спектральные характеристики волокон (рис. 5.5). Общая формула, описывающая ос­лабление светового сигнала при его передаче с помощью волоконно-оптического жгута, имеет вид

B_полн = B_ап + B_уп + В_Фр + В_отр + В_погл

где B_an - апертурные потери, обусловленные несовпаде­нием апертур излучателя и световодов; В_уп - потери упаковки, связанные с тем, что лишь часть площади торца жгута волокон занята световедущими жилами; В_Фр - френелевские потери на отражение от торцев световодов; В_отр-потери отражения на границе жила - оболочка при многократных актах полного 'внутреннего отражения; В_погл - потери поглощения в материале световедущей жилы. Параметры B_an и В_уп связаны с конструкциями кабеля и устройства ввода излучения и рассмотрены в следующем параграфе. Френелевские потери в стекле с п= 1,6 при углах падения лучей вплоть до 60° не превышают 0,4...0,6 дБ. Сумма В_т = (В_ап + В_уп + В_фр ) определяет торцевые потери, независящие от длины световода.

Потери отражения на границе жила—оболочка опре­деляются соотношением

B_отр = 0,5(A₀/n₂)(l/D₁)ξ

где ξ—доля потерь энергии при единичном акте отраже­ния. При 5<10 ^-6 (что экспериментально наблюдается для достаточно совершенных границ раздела) можно иметь В_отр <0,5 дБ при длине волокна l =1 км.

B,дб/км

Рис. 5.5. Спектральная характеристика потерь пропускания кварце­вого световода (---релеевское рассеяние).

Если считать, что потери поглощения в стекле, обус­ловленные различными факторами, независимы друг от друга, то справедливо соотношение

где В_р—релеевские потери, дБ/км; σ - удельные потери для данной примеси (см. рис. 5.4), a N_i—концентрация этой примеси в %. При использовании этой формулы не­обходимо иметь в виду сильную зависимость В_р и σ, от К. Сумма В_л= (В_отр + В_погл) представляет собой ли­нейные потери, пропорциональные длине волокна.

Потери на внеапертурные потери для плоского ламбертовского источника близки к

B_ап=10lgA₀^-2

Для А₀=0,54 В_ап =5,4 дБ, а для А₀ = 0,14 В_ап =17 дБ.