56.Структури фотодетекторів

Детектор выполняет противоположную функцию по сравнению с источ­ником: он преобразует оптическую энергию в электрическую и является оптоэлектронным преобразователем. Существуют разнообразные детекторы. Наиболее известный тип детектора — фотодиод, вырабатывающий ток при попадании на него света. В волоконной оптике достаточно интенсивно ис­пользуются два вида фотодиодов: pin-типа и лавинный.

В фотодиоде происходит обратный процесс: свет, падающий на диод, приводит к генерации тока во внешнем контуре. Поглощение фотона приводит к появлению возбужденных электронов, переходящих из валентной зоны в зону проводимости. Данный процесс, в результате которого образуется пара электрон-дырка, получил название внутреннего поглощения. Эти носители тока при наличии приложенного смещающего напряжения дрейфуют вдоль вещества и возбуждают ток во внешнем контуре. В возникшей паре электрон-дырка в образовании тока во внешней цепи участвует электрон.

Простейшим видом фотодиода является р-n фотодиод, схематически изо­браженный на рис. 9.1. Данный вид фотодиода достаточно редко встречается в волоконной оптике.

Когда к нему приложено напряжение с обратным знаком (отрицательная клемма батареи подключена к участку проводника р-типа), через него начинает течь слабый ток. Приложенное электрическое поле создает обедненное пространство по обе стороны р-n перехода. Обедненная зона не имеет свободных носителей, поэтому ее сопротивление очень велико, и практически все падение напряжения приходится на зону контакта. В результате электрические силы очень велики в области контакта и пренебрежимо малы в других областях.

При поглощении падающего фотона связанному электрону передается до­статочное количество энергии для перехода из валентной зоны в зону про­водимости, при этом образуетя пара: свободный электрон + дырка. Если это происходит в обедненной зоне контакта, носители быстро разделяются и смещаются в противоположных направлениях. Это смещение возбуждает движение электронов и во внешнем контуре.

Две характеристики p-n-фотодиодов ограничивают их применение в боль­шинстве волоконно-оптических приложений. Во-первых, для генерации тока достаточной силы требуется мощный световой источник. Во-вторых, наличие медленного отклика, обусловленного медленной диффузией, замедляет работу диода, делая его не­пригодным для средне- и высокоскоростных применений. Это позволяет ис­пользовать диод только в килогерцовом диапазоне.

Приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) являются важными элементами волоконно-оптической системы. Их функция - преобразование оптического сигнала, принятого из волок­на, в электрический. Последний обрабатывается далее электронными устройствами.

Основными функциональными элементами ПРОМ являются:

• фотоприемник, преобразующий полученный оптический сигнал в электрическую форму;

• каскад электрических усилителей, усиливающих сигнал и преобразующих его в форму, пригодную к обработке;

• демодулятор, воспроизводящий первоначальную форму сигнала.

На практике функциональные элементы могут несколько отличаться у разных ПРОМ. На­пример, детектор типа лавинный фотодиод обеспечивает внутреннее усиление, в результате чего собственные шумы последующего электронного усилителя становятся не столь замет­ными по сравнению с уровнем полезного сигнала. В некоторых ПРОМ отсутствует демодуля­тор, или цепь принятия решения, поскольку электрический сигнал с выхода каскада усилите­лей приемлем для непосредственной обработки другими электронными устройствами. Иногда для более эффективной работы ПРОМ перед детектором устанавливается оптический усили­тель.

На рис. 4.6 приведены функцион элементы аналогового (а) и цифрового (б) ПРОМ. Аналоговые ПРОМ принимают аналоговый оптический сигнал и на выходе также вы­дают аналоговый электрический сигнал. К аналоговым приемникам предъявляются требова­ния высокой линейности преобразования и усиления сигнала при минимуме вносимых шумов - в противном случае возрастают искажения сигнала. На протяженных линиях с большим ко­личеством приемо-передающих узлов искажения и шумы накапливаются, что снижает эффек­тивность аналоговых многоретрансляционных линий связи.

При цифровой передаче не требуется очень точная ретрансляция форм импульсов. Цифровой приемник должен включать узел принятия решения или дискриминатор, имеющий установленные пороги на принятие сигналов 0 и 1, который распознает, какой сигнал пришел, устраняет шумы и восстанавливает необходимую амплитуду сигнала. Правильное выделение нужного сигнала может происходить при большом уровне шумов.

Принципы работы фотоприемника. Основным элементом ПРОМ является фотоприемник, изготавливаемый обычно из полу­проводникового материала. В основе работы фотоприемника лежит явление 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 ВОЛС, получили распространение p-i-n фотодиоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы.

Рассмотрим принципы работы фотоприемника на примере p-i-n фотодиода, для которо­го характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями р+-и п+-типа (+ означает сильное легирование), рис. 4.7 а. Также i-слой называют обедненным слоем, поскольку в нем нет свободных носителей. На p-i-n структуру подается напряжение с обратным смещением Uo (по сравнению со светоизлучающим диодом). Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальное значение электрического поля (гра­диент потенциала) создается в i-слое. Но поскольку нет свободных носителей в i-слое, нет и электрического тока, так что i-слой испытывает только поляризацию. При наличии падающего излучения на i-слой, в нем образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направле­ниях к своим электродам, образуя электрический ток. Эффективным является взаимодейст­вие излучения только с i-слоем, так как при попадании фотонов в р+- и п+-слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. По­этому при изготовлении фотодиодов стремятся делать р+- и п+-слои как можно тоньше, а обедненную область достаточно большой протяженности, чтобы она полностью поглощала весь падающий свет. Фотодиоды могут изготавливаться из разных материаловОднако часть падающего излучения испытывает френелевское от­ражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на гра­нице между этой поверхность и средой. Для уменьшения отражения приемную поверхность обедненного слоя покрывают антиотражающим слоем