- •Введение. Особенности оптического диапазона эмв. Достоинства волс.
- •2.1.1. Достоинства и область применения волс.
- •Волоконно-оптическая система передачи
- •Структурная схема волоконно-оптической системы передачи сигналов
- •1. Передача оптических сигналов.
- •Диапазоны эмв.
- •1. Особенности оптического излучения. Диапазон оптических длин волн.
- •Лекция 2. Основные положения и понятия волновой, квантовой и геометрической оптик
- •Параметры оптического излучения. Поляризация, монохроматичность и когерентность оптического излучения
- •Преломление света. Полное внутреннее отражение.
- •Волоконный световод (оптоволокно)
- •Параметры оптических волокон
- •2.1.3 Дисперсия
- •2.3. Межмодовая дисперсия
- •2.4. Материальная дисперсия и информационная емкость
- •Задача № 1
- •Задача № 2
- •2.5. Информационные параметры волс
- •Задача №3
- •2.6. Особенности работы и режимы волоконных световодов
- •2.7. Особенности расчетов и применения многомодовых волоконных световодов
- •2.8. Разновидности и применение одномодовых световодов (омвс)
- •Задача№4
- •2.10. Технология и материалы вс
- •2.11. Геометрические и механические характеристики вс
- •2.13. Разновидности и поколения волс
- •3. Оптические волноводы
- •3.1. Парамeтры оптических волноводов
- •3.2. Потери в оптических волноводах. Методы изготовления оптических волноводов
- •,Где – усредненная глубина шероховатостей.
- •3.2.2. Методы изготовления планарных и полосковых ов заимствованы из технологии пп электроники. Их можно условно разделить на три категории:
- •3.3. Связанные волны в оптических волноводах
- •Задача №5
- •Задача №6
- •Задача №7
- •Лекция 3
- •3.4. Пассивные элементы интегрально-оптических схем
- •4. Пассивные элементы волс
- •4.1. Оптические разветвители (ответвители)
- •4.2. Оптические аттенюаторы
- •4.3. Оптические мультиплексоры/демультиплексоры и фильтры
- •4. Управление временными параметрами оптического излучения
- •4.1. Модуляция лазерного излучения
- •4.2 Физические эффекты в кристаллах
- •4.3. ЭлектрОоптические модуляторы (эом)
- •Задача n9.
- •4.4. Акустооптические модуляторы (аом)
- •4.5. Магнитооптические модуляторы (мом)
- •5. Управление пространственными характеристиками оптического излучения
- •5.1. Основные определения
- •5.2. Электрооптические дефлекторы (эод)
- •Задача №10.
- •5.3 Акустооптические дефлекторы (аод)
- •Задача №11
- •6. Особенности источников оптического излучения для волс и ов.
- •7. Приемники оптического излучения
- •7.1. Принцип действия фотоприемников
- •7.2. Классификация, параметры и характеристики фотоприёмников
- •7.3 Фотодиоды с обычным p-nпереходом
- •7.4. Специальные типы фотодиодов
- •7.5. Фототранзисторы
- •7.6. Многоэлементные ФотоПриёмники
- •Задача №12.
- •8. Интегрально-оптические схемы
- •8.1. Основные определения
- •8.2. Примеры реализации Интегрально-оптических схем
- •9. Волоконноотические датчики (вод)
- •Принцип работы, классификация и параметры вод
- •9.2. Вод амплитудной модуляции
- •9.3. Вод фазовой модуляции.
- •9.4. Поляризационные вод.
- •9.5. Вод с управляемой связью в коаксиальных оптических волноводах.
- •10. Оптические методы обработки информации.
- •10.1 Основы голографии.
- •10.2 Элементы оптической памяти оптических и электронных процессоров.
- •10.3. Оптическая фильтрация.
- •11. Радиооптические антенные решетки (роар)
- •11.1. Основные понятия
- •11.2. Оптическое управление задержками свч - сигналов
- •11.3. Оптическое управление фар на основе оптического процессора
- •11.4 Фар с “экзотическими” методами управления.
7.3 Фотодиоды с обычным p-nпереходом
В фотодиодах (ФД) используется один из видов внутреннего фотоэффекта, называемый фотовольтаическим эффектом. Он проявляется в неоднородных ПП с p-n переходом или другим видом потенциального барьера.
Один из вариантов конструкции ФД показан на рис.7.2,а. Один из электродов делается полупрозрачным или с отверстием для прохождения светового потока. Основным светочувствительным элементом является область d0 вблизи p-n перехода. В качестве материалов используются Ge и Si.
В равновесном состоянии (до воздействия света) в области d0 присутствует контактное поле, образовавшееся в результате переноса некоторого количества электронов в p-область и дырок в n-область. Это поле препятствует попаданию в область d0 электронов и дырок, поэтому область становится обеднённой носителями. Энергетическая характеристика в этом случае не отличается от любого p-n перехода (например светодиода или лазерного диода) – рис. 7.2,б. При освещении p-n перехода светом с энергией большей, чем Е=Ес-Еv , по обе стороны перехода и в самом переходе возникают пары электрон-дырка, которые движутся (диффундируют) к p-n переходу. Для основных носителей (дырок в p-области и электронов в n-области) поле перехода является ускоряющим, а для неосновных - тормозящим (рис.7.2,в). Поэтому основные носители собираются в своих областях (электроны в n-области и дырки в p-области). Иначе говоря, создаются объёмные заряды, в результате чего и возникает разность потенциалов– фото ЭДС, а во внешней цепи – фототок. Вклад в фото ЭДС дают лишь те носители, которые генерируются вблизи области объёмного заряда на расстояниях меньших Ln и Lp. Эти расстояния, которые носители успевают пройти за своё время жизни , называются диффузионными длинами. В противном случае они не успевают дойти до p-n перехода и рекомбинируют. Такого рода потери неосновных носителей характеризуются коэффициентом собирания Ксоб.
С увеличением светового потока фото ЭДС растёт нелинейно, так как она смещает p-n переход в прямом направлении и снижает высоту барьера для электронов и дырок. Это облегчает переход быстрых электронов в p-область и поэтому рост UФ с увеличением Ф постепенно замедляется.
Режим работы ФД, при котором он непосредственно подключается к нагрузке без источника смещения, называется вентильным (фотогальваническим, фотогенераторным). В этом случае напряжение холостого хода (фото ЭДС)
(7.4)
где вентильный темновой ток неосновных носителей;k-постоянная Больцмана; е- заряд электрона; Т- абсолютная температура; Iф=SIФ.
Рис.7.2. Конструкция ФД и его энергетические диаграммы
Если к р-п переходу приложить обратное (запирающее) напряжение, то оно препятствует движению основных носителей и возникает фототок, образованный неосновными носителями. Такой режим работы ФД называется фотодиодным.
В общем случае выражение вольт-амперной характеристики (ВАХ) ФД имеет вид
, (7.5)
где uR=IRн- падение напряжения на нагрузке; uП- напряжение источника питания; IT- фотодиодный темновой ток. ВАХ ФД показана на рис.7.3. Рабочими являются третий и четвёртый квадранты ВАХ.
Третий квадрант показывает фотодиодный режим. Схемы включения ФД показаны на рис.7.4.а, б. Поскольку IФ=SIФ и Su=SIRн, то uФ=SuФ=SIRнФ, т.е. напряжение пропорционально Rн, а IФ от Rн и uП не зависит. От uП и Rн зависит динамический диапазон воспринимаемых освещённостей. Это показывает и нагрузочная прямая, соответствующая определённому Rн.
Так как IT<<IФ и полный ток I=IT+IФIФ, то наблюдается линейная зависимость фототоков от освещённости, что является основным достоинством фотодиодного режима. Для повышения вольтовой чувствительности Su и динамического диапазона необходимо увеличивать uП и Rн, но Rнмакс=uП/(IФмакс+IT) ограничено возможностью пробоя. Для устранения влияния постоянной фоновой засветки при модулированном световом потоке вместо Rн ставится дроссель L (рис.7.4,в) или используется трансформатор (рис.7.4,г). В этом случае для фона Zн мало, а для сигнала - велико. Недостатками фотодиодного режима являются необходимость источника UП и повышенный уровень шума.
Четвёртый квадрант ВАХ показывает вентильный режим, схемы включения показаны на рис.7.5 и аналогичны рис.7.4. На рис.7.3 показана нагрузочная прямая, а площадь заштрихованного прямоугольника равна мощности, отдаваемой в нагрузку, т.е. .
Рис. 7.3. ВАХ ФД
Оптимальным режимом, например, солнечных батарей, в которых используется вентильный режим, является Rн, обеспечивающее максимальную Рн при определённой освещённости. Отсюда следует, что оптимизация Rн во всём диапазоне освещённостей невозможна. Вольтовая чувствительность уменьшается с ростом освещённостей и при известном максимальное сопротивление нагрузки (- токовая чувствительность в вентильном режиме).
Рис.7.4. Схемы включения ФД в фотодиодном режиме
Рис. 7.5. Схемы подключения ФД в вентильном режиме
(7.6)
Достоинствами вентильного режима являются отсутствие источника питания и меньший уровень шумов. Недостатками являются меньшая чувствительность и большая нелинейность фототока . Поэтому вентильный режим может применяться только для импульсных сигналов.
Достоинства ФД по сравнению с ФР:
большие значения темнового сопротивления;
повышенные быстродействие (за счёт большой скорости дрейфа носителей в области р-п перехода с сильным электрическим полем) и чувствительность (за счёт увеличения коэффициента собирания);
меньше пороговая чувствительность из-за использования больших Rн (малых обратных токов);
меньшая температурная зависимость параметров.
Однако, ФД с обычным переходом имеют сравнительно малый Ксоб<1 и ограниченное быстродействие.