Фотоефект

Існує два різновиди фотоефекту. При першому електрони вивільнюються з поверхні металу при поглинанні енергії потоку фотонів. Це явище називається зовнішнім фотоелектричним ефектом. Такі приймачі випромінювання, як вакуумний фотодіод (ФД) і фотоелектричний помножувач (ФЕП), засновані на цьому ефекті. Друга група приймачів випромінювання -напівпровідникові прилади на основі р-л-переходу, у яких при поглинанні фотонів генеруються вільні носії заряду - електрони і дірки. Цей механізм називають внутрішнім фотоелектричним ефектом. На цьому явищі засновані такі прилади, як р-л-ФД, р-/-л-ФД і лавинний ФД (ЛФД).

Найбільш важливими показниками приймача випромінювання (далі приймача) є відгук, спектральна характеристика і час наростання. Струмовий відгук р₍ (А/Вт) дорівнює відношенню струму на виході приймача до вхідної оптичної потужності Р

У ряді приймачів вихідним параметром є напруга. У цьому випадку використовують такий параметр, як вольтовий відгук р_и = и/Р, В/Вт. Спектральна характеристика - це залежність відгуку (струмового або вольтового) приймача від довжини хвилі. Внаслідок різкої зміни відгуку з довжиною хвилі приймачі з різних матеріалів мають застосовуватися в різних ділянках оптичного спектра, де використовуються волокна. У разі проектування приймального пристрою, що працює усередині будь-якого з вікон прозорості оптичного волокна, необхідно використовувати значення струмового відгуку приймача на довжині хвилі, що випромінюється конкретним джерелом.

Час наростання відгуку f„ - це час, протягом якого вихідний струм приймача наростає з 10 % до 90 % від сталого значення при східчастій зміні вхідної оптичної потужності. Це аналогічно визначенню часу наростання джерела випромінювання, розглянутого у розділі 6. Принцип визначення часу наростання приймача показано на рисунку 7.1. Ширина смуги пропускання частот модуляції рівнем –ЗдБ

На цій частоті потужність електричного сигналу дорівнює половині значення, здобутого на дуже низьких частотах модуляції, припускаючи в обох випадках однакову потужність оптичного сигналу, що надходить на приймач.

В якості приймача у волоконно-оптичній системі передачі використовується р-і-п-або лавинний фотодіод. Перший прилад дешевший, менш чутливий до коливань температури і потребує значно меншої напруги зворотного зміщення, ніж ЛФД. Швидкодія цих двох приладів приблизно однакова, так що р-/-л-діод кращий у більшості систем. Лавинний фотодіод потрібний, коли система обмежена втратами, що має місце в лініях далекого зв'язку.

Припустимо, що приймальний пристрій із ЛФД може виявити сигнал із рівнем потужності на 9 дБ нижче, ніж приймальний пристрій з р-/-л-діодом. Якщо коефіцієнт згасання волокна дорівнює 3 дБ/км, тоді лінія передачі з ЛФД може бути на 3 км довше, ніж із р-/-л-діодом. Якщо в нашому прикладі потрібні регенератори, то відстань між ними може бути збільшена на 3 км у разі використання ЛФД.

Хоча є багато приймачів з різними характеристиками, корисно розглянути типові значення найбільш важливих параметрів фотодіодів, таблиця 7.4. Струмовий відгук тут наведено для області довжин хвиль, у якій використовується прилад, тобто для X = 0, 8 мкм для кремнію; 1, 3 і 1, 5 мкм для германію і InGaAs відповідно. Струмовий відгук зменшується, якщо довжина хвилі наближається до меж області спектральної чутливості, як показано на рисунку 7.6.

Частину інформації, здобуту під час вивчення джерел, волокон і приймачів, підсумовано на рисунку 7.14. На підставі цього рисунка проектувальник системи може зробити вибір придатних (узгоджених) компонентів, а саме: робочу довжину хвилі у видимому спектрі, першому, другому або третьому вікнах прозорості; джерело світла (світлодіод або лазерний діод); матеріал волокна (кварц/кварц, кварц/полімер або полімер/полімер); тип волокна (східчасте, градієнтне або одномодове); фотоприймач (р-/-л-типу або лавинний).

Матеріал попередніх розділів допоможе у виборі узгоджених компонентів. У деяких випадках може знадобитися подальша інформація.

Наприклад, щоб визначити, чи потрібен ЛФД, треба знати рівень потужності світла, що надходить на приймач. Це, у свою чергу, потребує знання усіх втрат у системі, а не тільки згасання у волокні. Додаткові втрати виникають при вводі світла від джерела у волокно, у рознімних і нерознімних з'єднувачах і в пристроях розподілу потужності у випадку волоконно-оптичних мереж. Крім того, потрібно оцінити вплив шуму. Ці проблеми будуть досліджені в наступних розділах.

Контрольні запитання:

1. Який механізм підсилення фотоструму використовується у фотоелектронному помножувачі і в чому його перевага?

2. Які з відомих вам напівпровідникових матеріалів (Ge, Si, InGaAs) використовують для створення фотодіодів ВОСП і в яких випадках?

3. Що таке Спектральна характеристика?

4. Назвіть оновне призначення фотоприймачів?