Здавалка
Главная | Обратная связь

Детектори оптичного випромінювання.



Детектори оптичного випромінювання (або фотоприймачі) вирішують протилежне у порівнянні з випромінювачами завдання–вони перетворюють оптичні сигнали в ідентичні їм електричні. Фотоелектричне перетворення дозволяє здійснювати подальшу обробку інформації будь-якими засобами на основі електронних схем. Фотодетектор має оптичний вхід (управляюче коло) та електричний вихід (сигнальне коло). Параметри фотодетекторів повинні бути узгоджені з параметрами випромінювача та оптичного кабелю, а також з параметрами електричних кіл оптичного приймального пристрою.

До фотодетекторів ставляться такі вимоги:

-максимальна спектральна чутливість фотодетектора повинна співпадати з одним з вікон прозорості ВС;

-висока швидкодія;

-низький рівень власних шумів;

-забезпечення максимальної потужності електричного сигналу на навантаженні фотодетектора

-висока надійність.

Детектор світла є не що інше, як лічильник фотонів, що перетворює енергію падаючого світла в електричну енергію.

У ВОСП застосовуються напівпровідникові фотодетектори, основою яких є фотодіодна структура. Принцип дії напівпровідникового фотодетектора полягає в тому, що при падінні світла на p-n перехід в останньому генерується фотострум (рис.3.31). Напівпровідникова структура на основі p-n переходу зветься фотодіодною а сам прилад – фотодіодом (ФД). Основними типи фотодіодів:--РIN-діоди та лавинні фотодіоди (ЛФД).

Перетворення оптичного сигналу в електричний характеризується струмовою чутливістю ( чутливістю відгуку) ФД

(4.22)

де η–квантова ефективність матеріалу ФД–це відношення кількості фотонів що надійшли до світлочутливої площини ФД до кількості згенерованих електронів, q–заряд електрона, h – постійна Планка, ν – частота оптичної носійної. Чутливість відгуку визначається в А/Вт, іноді називається просто чутливістю.

Струмова чутливість ФД залежить від його матеріалу, довжини хвилі та визначає у подальшому якість приймання оптичних сигналів, фактично вона визначає ефективність перетворення оптичної потужності на струм. Важливими також є такі параметри ФД:

-співвідношення сигнал/шум, виміряне на певній електричній частоті в смузі 1 Гц, коли променева енергія падає на активну область детектора--відносна міра чутливості, яка використовується для порівняння детектуючої здатності різних детекторів;

-час наростання (спаду) імпульсу струму, що визначається часом наростання імпульсу від рівня 0,1 до рівня 0,9 (спаду від рівня 0,9 до рівня 0,1) від максимально зафіксованого значення сигналу, максимальна з цих двох величин визначає швидкодію ФД (рис.3.32);

-еквівалентна шумова потужність (NЕР) - кількість променистої енергії сигналу, що падає на активну область детектора, необхідна для одержання одиничного співвідношення сигнал/шум, вказує на мінімальний рівень випромінювання, що детектується; чим нижче рівень NЕР, тим краще характеристики детектора;

-темновий опір--відношення напруги постійного струму на детекторі до постійного струму через нього, при відсуності випромінювання;

-темновий струм--струм, виміряний у колі детектора в робочому режимі, за умови, що випромінювання не падає на детекторний елемент, в сучасних фотодіодах він не перевищує 10 нА;

-напруга зсуву - постійна напруга, прикладена до кола детектора;

-опір навантаження - елемент опору, включений послідовно з детектором і напругою зсуву;

-постійна часу–визначає швидкість відгуку детектора за умови, що на детектор подана послідовність прямокутних імпульсів випромінювання, визначається

(

де Rн – опір навантаження ФД, С – ємність p-n – переходу;

-постійна часу наростання--час, необхідний для досягнення напругою сигналу рівня, рівного 0,63 від його амплітудного значення;

-постійна часу спаду--час, необхідний для зниження напруги сигналу до рівня, 0,37 від його амплітудного значення;

-час наростання й час спаду - час (у сек), необхідний для збільшення відгуку сигналу від 10 до 90% або зменшення його її від 90 до 10% від максимально зафіксованого значення сигналу;

-довжина хвилі відсікання–точка з боку довгих хвиль, у якій чутливість відгуку детектора падає до певної від пікової чутливості відгуку (звичайно до 20 або 50% пікової чутливості відгуку).

 

Рис.3.32 Визначення часу наростання та спаду імпульсу

В лавинних фотодіодах відбувається підсилення фотоструму, яке визначається коефіцієнтом лавинного множення

(4.24)

де U – напруга, прикладена до ФД, Unp–напруга лавинного пробою, n=3…8 в залежності від матеріалу ФД. Струмова чутливість ЛФД дорівнює

.

Лавинні фотодіоди мають більш високу чутливість та швидкодію ніж звичайні, але вони потребують досить високої напруги зворотного зміщення, та мають більший рівень шумів. Для фотодіодів використовуються: германій, кремній та арсенід галлію.

Спектральна характеристика ФД—це залежність струмової чутливості від довжини хвилі, падаючого на світлочутливу площину випромінювання. Типові спектральні характеристики наведені на рис. 3.33.

Рис.3.33 типові спектральні характер

Рис.3.33 Типові спектральні характеристики струмової чутливості фотодетекторів

На рис. 3.34 наведена схема включення ФД та його вольт-амперна характеристика.

       
 
а)
   
б)
 


Рисунок 3.34 – Схема включення p-i-n діода а) та його вольт-амперна характеристика б)

На основі фотодіодної структури розроблені фототранзистори, які являють два p-n-переходи, один з яких зміщений в прямому напрямку, а другий в зворотному, в цій структурі сигнал посилюється. Але фото транзистори не знайшли широкого застосування в техніці волоконно-оптичного зв’язку внаслідок високого рівня власних шумів та обмеженого частотного діапазону. В табл. 3.3 наведені типові параметри фотоприймачів.

Таблиця 3.3. Типові параметри фотоприймачів

Фотодетектор Струмова чутливість, А/Вт Темновий струм, нА Час наростання, нс
p-i-n фотодиод (InGaAs) 0,8 0,1-3 0,01-5
p-i-n фотодиод (Si) 0,5 0,1-5
Лавинний фотодіод (InGaAs) 20-60 0,3
Лавинний фотодіод (Ge) 20-60 0,3-1
Фототранзистор (Si)

 

Оптоелектронні елементи ВОСП визначають такі важливі характеристик ВОСП як довжина лінії, швидкість передачі, якість зв’язку. Вибір того чи іншого оптоелектронного компонента визначається галуззю застосування системи, її призначенням.







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.