Материал: Элементы оптических систем связи

а                                             б

Рис. 38

Фильтр состоит из чередующихся слоев материалов с высоким и низким показателем преломления, нанесенных на стеклянной подложке. Оптическая толщина центрального слоя равна половине длины волны, внешних слоев - четверти длины волны каждая. Внешние HLH диэлектрические наборы слоев действуют как сильно отражающие пластины резонатора Фабри-Перо, разделенные LL диэлектрической пластиной.

Преимущество, многослойных диэлектрических фильтров по сравнению с металлическими интерференционными фильтрами состоит в том, что диэлектрические пластины имеют более высокое отражение и более низкое поглощение, чем металлические пластины. На рис. 39 приведены характеристики пропускания некоторых интерференционных фильтров.

Как было сказано выше, за фильтрами следует, определяющий основные характеристики фотоприемника элемент - фотодетектор.

Лазеры и светодиоды излучают свет, который детекторы принимают. Они размешаются в приемных устройствах и обеспечивают преобразовывать сигналы из оптической формы в электрическую.

Рис. 39

Основным элементом современных фотоприемных устройств систем связи являются различные полупроводниковые элементы на основе внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых в полупроводнике электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда. Для этого используется конструкция с р-n-переходом, которая называется фотодиодом. Из фотоприемников, применяемых в ЛАСС и ВОСС, получили распространение р-i-n-фотодиоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы.

Величина тока вырабатываемого фотодетектором, зависит от свойств материала, который определяет спектральный диапазон, в пределах которого может приниматься сигнал. Кремний пригоден для детектирования света в диапазоне длин волн 400-1100 нм, что близко к свойствам арсенида галлия (400-1000 нм). При больших длинах волн (800-1600 нм) используется германий, тогда как InGaAs и InGaAsP оказываются эффективными для детектирования оптических сигналов в ближней инфракрасной области, используемой в телекоммуникационных каналах.

Важными являются и ряд других характеристики и параметров детекторов. Это время отклика, которое определяет, насколько быстро данное устройство может отслеживать поступающие сигналы или на какой частоте оно может работать и шумовые характеристики, которые могут приводить к регистрации ложных сигналов, генерируемых в результате тепловых эффектов. Учет этих факторов особенно важен при определении минимального уровня входного светового сигнала, при котором данное устройство еще способно обеспечивать нормальную работу.

Основными параметрами фотодетектора являются.

. Чувствительность интегральная (S_å) и монохроматическая (S_l), которые определяются поглощательной способностью элемента, принимающего излучения, но при измерении зависят также от спектральной характеристики излучения и поэтому измеряются с использованием стандартных излучателей. S_l подразумевает чувствительность по отношению к монохроматическому потоку излучения Ф_l измеренному в ваттах. На практике в зависимости от необходимости пользуются понятием токовой (S_i) и вольтовой (S_U) чувствительностей:

 (63)

где DI и U - изменение тока через фотодетектор (ФД) и появляющееся падение напряжения на ФД в результате действия DФ и DФ_l, причем вместо ватт в (63) могут стоять люмены. Зависимости величины S_l от длины волны l называются спектральными характеристиками чувствительности ФД, которые являются основными характеристиками ФД и приведены для ряда используемых для ФД материалов и p-n-переходов на рис.40, где по вертикальной оси отложен квантовый выход h пропорциональный чувствительности.

. Пороговый поток (Ф_П) и обнаружительная способность ФД (D_П = 1/Ф_П). Минимальный поток полезного излучения, который может быть обнаружен ФД, ограничивается шумами, называется пороговым потоком Ф_П и определяется величиной хаотического сигнала, появляющегося на выходе ФД в отсутствие полезного излучения.

Рис. 40

Величину флуктуаций принято оценивать дисперсией , то есть средним значением квадрата отклонения случайной величины V от ее среднего значения V₀ за временной интервал t, протяженность которого значительно больше периода флуктуации.

Среднеквадратичные значения флуктуаций напряжения  на нагрузке в цепи ФД и тока  ФД в указанной полосе частот определяют соответственно напряжение шума U_Ш и ток шума I_Ш и являются параметрами фотоприемников.

Шумы ФД можно подразделить на собственные (внутренние) шумы ФД и на радиационный (фотонный) шум (шум из-за флуктуаций излучения).

К основным видам собственных шумов ФД относятся:

Шум дробового эффекта, характерный для приемников, использующих фотогальванический фотоэффект. Он вызывается флуктуациями прохождения носителей заряда через p-n-переход около некоторой средней величины. Для перехода с барьером Шотки и для p-n-перехода, имеющих вольтамперную характеристику

I = I₀[exp(qU₀/kT) - 1],

среднеквадратичное значение шума дробового эффекта  определяется формулой Шотки:

 (64)

где q - заряд электрона; U₀ - напряжение на переходе; k -постоянная Больцмана; Т - температура диода в Кельвинах; Df - эквивалентная (эффективная) полоса пропускания частот усилителя регистрирующего шумы.

На нагрузке R_н в цепи ФД этот ток создает флуктуационное напряжение, среднеквадратичное значение которого

(65)

Для случая лавинного фотодиода в формулах (64) и (65) следует заменить (I+2I₀) на I₀M²/[1 + (2pft)²], где М - коэффициент умножения носителей, t - время их пролета через диод, f - частота изменения света.

Тепловой шум, обусловленный хаотическим тепловым движением носителей заряда в полупроводниках и определяемый по формуле Найквиста

 (66)

здесь R - сопротивление резистора

Генерационно-рекомбинационный шум, вызываемый флуктуациями скоростей генерации и рекомбинации носителей заряда, что приводит к флуктуациям концентрации свободных носителей заряда и, следовательно, к флуктуациям тока. Среднеквадратичное значение тока генерационно-рекомбинационного шума  можно определить с учетом того, что при генерации и рекомбинации флуктуируют и электроны и дырки, давая согласно формуле Шотки суммарный дробовой шум , где q - заряд электрона, а I₀ - среднее значение тока. Но если учесть, что носители “живут” время , то лишь доля их равная t/T внесет свой вклад в общий ток I₀, где Т - время движения носителей от одного электрода ФД до другого. Кроме того, из теории случайных процессов известно, что если они релаксируют с временем t, то в правой части формул для  должен появиться множитель 1/[1 + (2pft)²], где f - средняя частота полосы Df. При этом

 (67)

а среднеквадратичное значение напряжения на сопротивлении R_н нагрузки

 (68)

Избыточный шум, объединяющий несколько видов шумов. Все они изменяются обратно пропорционально частоте и имеют место только при протекании тока через приемник, поэтому их называют также токовыми шумами или шумами, типа 1/f. Применительно к различным ФД этот шум в зависимости от его источника имеет специфические наименования. В фотоэмиссионных приемниках его называют шумом мерцания (фликкер-эффектом), в приемниках с внутренним фотоэффектом - модуляционным и контактным шумами. Истинная природа этого шума недостаточно ясна. Полагают, что источником избыточного шума являются поверхностные эффекты и электрические контакты. Поэтому этот вид шума связан с технологией изготовления и конструкцией прибора.

Среднеквадратичное значение тока избыточного шума

 (69)

где В - коэффициент пропорциональности; a и b - постоянные, характеризующие конкретный ФД (в большинстве случаев величина a близка к 2, а b лежит в диапазоне 0,8-1,5).

Среднеквадратичное значение напряжения избыточного шума фоторезистора

 (70)

где А - постоянная, определяемая для каждого типа фоторезистора; R - сопротивление фоточувствительного слоя.

Избыточный шум наблюдается у ФД всех типов. Как правило, он является преобладающим по сравнению с другими видами шума при частотах до нескольких сотен герц.

Радиационный (фотонный) шум, возникающий вследствие флуктуации числа фотонов фона и источника излучения. Под фоном понимают излучение от окружающих предметов, оказавшихся в поле зрения ФД, не связанное с полезным, рабочим, излучением. Радиационный фоновой шум по воздействию на приемник не отличается от полезного сигнала, поэтому он подвергается такому же преобразованию со стороны ФД, как и сигнал.

На выходе ФД среднеквадратичное значение напряжения радиационного шума определяется произведением флуктуаций потока излучения на вольтовую чувствительность ФД

 (71)

В ФД с внутренним усилением (лавинные фотодиоды, фототранзисторы) возникают дополнительные шумы, связанные со случайным характером механизма усиления.

Источники рассмотренных шумов статически независимы, поэтому среднеквадратичное значение напряжения полного шума равно корню квадратному из суммы средних квадратов его составляющих

 (72)

Пороговым потоком называется минимальный поток излучения на входе фотоприемника, который создает на выходе электрический сигнал U_н, равный по величине среднеквадратичному значению напряжения шума

Минимальный сигнал U_н вызывается минимальным потоком излучения Ф_П, измеряемым в ваттах или люменах. Отношение этих величин является вольтовой чувствительностью фотоприемника S_u, так что можно записать

откуда

 (73)

Поскольку шум ФД зависит от ширины полосы пропускания Df усилителя, от этого же параметра зависит и величина порогового потока.

Поэтому для исключения зависимости порогового потока от измерительного устройства пороговый поток определяют в полосе 1 Гц:

 (74)

где величина Ф_П1 имеет размерность Вт×Гц ^-0,5 или Лм×Гц^-0,5.

Шумы, а значит, и пороговый поток ФД зависят от площади фоточувствительного слоя. Для учета этой зависимости и сравнения приемников различных типов и размеров служит параметр удельного порогового потока ФД Ф*_п. Это пороговый поток ФД в единичной полосе частот, отнесенный к единице площади А фоточувствительного элемента (Ф*_п измеряется в Вт×Гц ^-0,5×м^-2 или Лм×Гц^-0,5×м^-2):

 (75)

Чем меньше по абсолютной величине пороговый поток, тем лучше качество прибора. Небольшими удельными пороговыми потоками обладают малошумящие ФД с высокой вольтовой, а следовательно, и токовой чувствительностью. Величину обратную пороговому потоку, называют обнаружительной способностью D:

, (76)

а величину, обратную удельному пороговому потока. - удельной обнаружительной способностью D^*(D^*измеряется в Вт^-1×Гц^0,5×м², или

Лм^-1×Гц^0,5×м²):

 (77)

Условия определения удельной обнаружительной способности указывают отдельно. Этими условиями являются: длина волны регистрируемого монохроматического излучения или температура абсолютно черного тела, частота модуляции сигнала, полоса пропускания усилителя, телесный или плоский угол, характеризующий поле зрения на окружающий фон. Например, запись D^* (400К, 800, 2,2p) означает, что приводится удельная обнаружительная способность, измеренная при облучении приемника излучением абсолютно черного тела с T = 400 K, при частоте модуляции сигнала 800 Гц в частотной полосе Df = 2 Гц, при фоне, воздействующем на ФД в телесном угле 2p.