Требования к источникам излучения для волс

1. Лазеры и светодиоды должны изучать световую энергию на длине волны, соответствующей одному из минимумов полных потерь в волоконном световоде оптического кабеля.

2. Обеспечивать эффективный ввод излучения в световод.

3. Иметь малые габаритные размеры, массу.

4. Иметь малую потребляемую мощность.

5. Отличаться простотой, надежность, долговечностью.

Основные параметры и характеристики источников излучения.

1. Длина волны излучения λ,

2. Ширина спектра излучения Δλ,

3. Мощность излучения P,

4. Потребляемая мощность,

5. Максимально предельная частота модуляции f_max,

6. Диаграмма направленности мощности излучения,

7. Ватт-амперная характеристика,

8. Спектральная характеристика.

Сравнительная характеристика светодиода и лазера.

В отличие от лазера в светодиоде излучение происходит спонтанно (самопроизвольно) и луч имеет меньшую мощность излучения и широкую диаграмму направленности излучения.

Зависимость мощности выходного излучения светодиода от тока возбуждения практически линейна (рис. 15.4). У лазеров эта зависимость резко Нелинейная. После некоторого значения, называемого поро-говым уровнем, мощность резко возрастает и сущест-венно изменяется ее зависимость от тока. Незначительное превышение поро-гового уровня тока приводит к воз-растанию лазерного шума и снижению срока службы прибора. Порог генерации зависит от рабочей температуры и со временем изменяется. Поэтому для регулировки смещения и модулирующего сигнала в передатчике следует пересмотреть цепь обратной связи.

Полупроводниковые лазеры генерируют большую, чем светодиоды, выходную мощность - до 10 15мВт, у светодиодов - 1…3мВт.

Широкий спектр излучения у светодиодов Δλ=30…100нм, превосходит ширину спектра лазеров в десятки раз, у лазеров Δλ=2нм.

Мощность излучения является постоянной до f_max - предельно допустимой частоты модуляции. На частотах выше f_max эффективность источника излучения падает. У светодиодов f_max равна 100…200 МГц, тогда как у лазеров более 2 ГГц.

Светодиоды используются при скорости передачи информации до 100 Мбит/с, а лазеры - так же и выше 100 Мбит/c.

Однако светодиоды проще в изготовлении, дешевле и отличаются более высокой долговечностью (у светодиода 10⁶ часов, у лазера - до 10⁵ часов).

15.2 Оптические приемники Принцип действия p-I-n - фотодиода и лфд

П риемники излучения предназначены для преобразования энергии, оптического излучения в электрическую или какую-либо другую энергию, удобную для непосредственного измерения (рис. 15.5).

В настоящее время разработано несколько разновидностей фотодиодов. В волоконно-оптических линиях связи используют p-i-n – фотодиоды и ЛФД.

p-i-n – фотодиод (рис. 15.6) состоит из 3-х областей: сильно легированной n+ - области, слоя с малой концентрацией примесей n-типа (i - область) и сильно-легированной p+ - области (знак + - область с более высоким содержанием примеси, т.е. с более высокой удельной проводимостью). На диод подается обратное напряжение, достаточное для обеднения свободными носителями заряда всего i – слоя. Под действием света в i – слое возникают пары носителей тока. Фототок в p-i-n - ФД можно записать как:

,

где η - квантовая эффективность (выход фотодетектора), q – заряд, P – мощность оптического излучения.

З начения квантовой эффективности η кремниевого и германиевого фотодетекторов приведены на рис. 15.7.

Конструктивно p-i-n - ФД выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощения излучения вне i – слоя. p-i-n – ФД просты по структуре, обладают хорошей линейностью в широком динамическом диапазоне (по мощности нВт…мВт), просты в эксплуатации и дешевы.

Л авинный фотодиод (ЛФД) состоит из четырех областей: сильнолегированных n+, p+, слаболегированной p и i – области (рис. 15.8).

Если увеличить внешнее смещение до величины, когда в запирающем n-p - слое электрическое поле приблизиться к пробивной напряженности (5∙10⁵...1∙10⁶ В/см), то электроны приобретают в таком поле энергию, большую, чем они теряют при столкновениях с атомами решетки. Если полученная электроном энергия превышает энергию ионизации E_i (обычно ΔE < E_i < 1,5 ΔE), то электрон может создать новую электронно-дырочную пару.

При достаточно протяженной области поля возникшие электрон и дырка тоже могут ускориться до энергии E_i и совершить новые ионизации, т. е. будет наблюдаться лавинное нарастание числа носителей заряда.

Э то умножение носителей происходит в узкой области вблизи пика электрического поля. Электроны приобретают кинетическую энергию, равную ширине запрещенной зоны. Т.к. вновь появившиеся носители, в свою очередь, участвуют в ударной ионизации, первоначально слабый фототок возрастает лавинообразно. Для ЛФД:

. (15.2)

где М - коэффициент лавинного умножения. Как видно из (15.2), фототок пропорционален М, но при возрастании коэффициента лавинного умножения растет постоянная времени (время переходного процесса), а, следовательно, уменьшается полоса пропускания. Так, для кремниевого ЛФД при М ≈ 100 постоянная времени увеличивается в 3 раза, во столько же раз уменьшается полоса пропускания.

Для устранения этого недостатка i - область заменяют слаболегированной π - областью. ЛФД с π - областью имеют постоянную времени как у p-i-n - ФД, а коэффициент усиления, как у ЛФД (рис. 15.9).