Оптические приемники

Обобщенная структурная схема оптического приемника, реали­зуемого в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ), представлена на рис. 5, где приняты следующие обозначения:

ОК - оптический кабель; ОС - оптический соединитель; ФД - фо­тодиод или фотодетектор; ПМШУ - предварительный малошумя­щий усилитель; МУ с АРУ - мощный усилитель с автоматической регулировкой усиления; ФК - фильтр-корректор.

Оптический сигнал с выхода оптического кабеля (ОК) через оп­тический соединитель (ОС) поступает на фотодетектор (ФД), где происходит его преобразование в электрический сигнал. На выходе ФД электрический сигнал весьма мал и сопровождается различного вида шумами. Для его усиления без существенной потери в шумозащищенности используется предварительный малошумя­щий усилитель (ПМШУ). Усиленный электрический сигнал далее усиливается мощным усилителем с автоматической регулировкой

усиления (МУ с АРУ) и затем с помощью фильтра-корректора (ФК) осуществляется отфильтровывание помех и коррекция формы электрического сигнала, который и подается на оборудование сопряжения тракта приема ВОСП (см. рис. 1 лекции 13).

Базовым элементом оптического приемника ВОСП является фотодетектор - оптоэлектронный прибор, преобразующий опти­ческий сигнал в электрический сигнал соответствующей формы.

Фотодетектор реализуется на основе полупроводниковых фото­диодов (ФД) с обратносмещенными переходами, работающих на принципах внутреннего фотоэффекта.

В технике ВОСП широкое применение находят два типа фото­диодов: p-i-n и лавинный ФД.

Сущность внутреннего фотоэффекта в полупроводниковом материале заключается в поглощении фототока, энергия которого более ширины запрещенной зоны материала полупроводникового материала, а длина волны оптического излучения не превышает критического значения , и сопровождается переходом электрона из валентной зоны в зону проводимости, а дырок - из зоны проводимости в валентную зону (генерация пар «электрон-дырка»). Фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны, или длиной волны больше критической, не поглощают­ся и, следовательно, не происходит генерации пары «электрон-дырка».

Эффективное поглощение падающего излучения, как правило, связано с эффектом примесного поглощения.

Примесное поглощение имеет место в примесных полупроводниковых материалах, электрические свойства которых получаются путем добавки небольшого количества примесей в структуру собственных полупроводни­ков, например, германия - Ge, кремния - Si, а также соединений элементов третьей и пятой групп Периодической системы элементов Д. И. Менделеева (ПСЭМ): алюминия - AI, галлия - Ga, индия - In из третьей группы и фос­фора - Р, мышьяка - As и сурьмы - Sb из пятой группы, например, арсенид галлия - GaAs и фосфид индия - InP. Возможно образование тройных и четверных соединений типа арсенида галлия с добавкой алюминия -GaAIAs или галий – индий - аосенид фосфора - GalnAsP.

Примеси могут создать избыток электронов (полупроводник -типа) или дырок (полупроводник -типа). Процесс добавки примесей называется легированием. В легированном полупроводниковом материале имеются основные носители (свободные электроны в материале - типа и дырки в материале -типа). Такие материалы известны как примесные полупро­водники. В этих материалах концентрация примесей настолько велика, что она (не температура) является основным фактором, определяющим число свободных носителей и, следовательно, электрическую проводимость и быстродействие прибора.

Собственные полупроводники четвертой группы ПСЭМ кремний и гер­маний могут быть полупроводниками n-типа после введения небольших концентраций донорных примесей элементов пятой группы ПСЭМ - мышья­ка или фосфора. Они же могут стать полупроводниками р -типа в результате введения акцепторных примесей из группы элементов треть­ей группы ПСЭМ - галлия или индия.

Во многих полупроводниковых материалах одновременно присутствуют как донорные, так и акцепторные примеси и такие материалы становятся полупроводниками соответствующего вида проводимости.

p-i-n-фотодиоды. Структурная схема обратно смещенного ФД представлена на рис. 6. Сконструированный таким обра­зом полупроводниковый прибор, получил название фотодиода, происходящего из сокращенных названий составляю­щих его слоев: р - positive (положительный), - intrinsic (внутрен­ний), - negative (отрицательный). Обедненный -слой такого ФД сделан максимально широким из полупроводникового материала, легированного в такой степени, чтобы не относиться ни к полупро­водникам -типа с электронным видом проводимости, ни к полупро­водникам -типа с дырочной проводимостью.

Как следует из рис. 6, структура такого диода состоит из сильно легированного - слоя (подложки), слаболегированного - слоя и тонкого сильнолегированного - слоя. Толщина -слоя должна быть во много раз больше, чем длина поглощения оптического излучения соответствующих длин волн. Так, если толщина тонкого -слоя не превышает 0,3 мкм, то ширина -слоя составляет несколько десят­ков мкм.

Так как сильное легирование - и - слоев увеличивает их прово­димость, то обратное смещение напряжением , приложенное к этим слоям, создает в - слое сильное внутренне электрическое поле напряженностью Е_в. При этом образуется обедненная зона, толщина которой сравнима с размером диода. Широкий - слой приводит к увеличению интенсивности поглощения фотонов в обедненном слое.

В результате чего падающие фотоны возбуждают ток во внешней цепи более эффективно и с меньшим запаздыванием. Носители, возникающие внутри обедненной зоны, мгновенно сдвигаются в сильном электрическом поле к - и -областям диода.

В результате поглощения кванта света с энергией в нагрузке диода R_H протекает импульс тока. Если каждый поглощенный квант рождает электронно-дырочную пару, то число носителей тока N, равное отношению мощности оптического излучения W к энергии кванта, умноженное на величину носителя q, определит средний ток , протекающий через нагрузку R_H

Как правило, не все поглощенные кванты света приводят к появ­лению импульсов тока. Этот факт необходимо учитывать коэффи­циентом, характеризующим эффективность преобразования фотонов в электрический сигнал. Этот коэффициент называется квантовой эффективностью (выходом) фотодетектора. Следова­тельно, средний фототок, протекающий через нагрузку фотодетек­тора, будет равен

.

Коэффициент полезного действия фотодетектора, определяе­мый как отношение среднего значения фототока к среднему значению оптической мощности (А /Вт), называется токовой чув­ствительностью

.

Отсюда следует, что чувствительность оптического приемника тем выше, чем больше квантовый выход , т.е. чем больше доля светового потока, поглощаемая в активной зоне фотодиода.

Токовая чувствительность зависит от длины волны падающего излучения. Характер этой зависимости определяется спектральной характеристикой квантового выхода, которая обычно имеет вид плавной кривой с более или менее выраженным максимумом и определяется материалом полупроводника (рис. 7).

Квантовый выход фотодиода однозначно связан с токовой чув­ствительностью следующей зависимостью: , где - длина волны, мкм.

Конструктивно ФД выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощения излучения вне - слоя. С этой целью переход формируется у самой поверхности кристалла. Следова­тельно, постоянная времени такого ФД определяется временем перехода носителей заряда через обедненный слой в сильном электрическом поле.

При отсутствии внешнего оптического излучения и наличии об­ратного смещающего напряжения в фотодиодах обедненный слой поляризуется и через нагрузку протекает постоянный ток малой величины, который называется темповым током. Значение этого тока определяется свойствами полупроводникового материа­ла, толщиной структуры и температурой окружающей среды.

В настоящее время фотодиоды являются довольно рас­пространенным типом фотодетектора. Это объясняется простотой их изготовления, достаточно высокой временной и температурной стабильностью и относительно широкой полосой рабочих частот, они обладают хорошей линейностью в широком динамическом диапазоне (от нескольких пиковатт до нескольких милливат), обес­печивают детектирование оптических сигналов, модулируемых частотами гигагерцового диапазона.

Для изготовления таких ФД обычно используют кремний (Si), германий (Ge), арсенид галия (GaAs), соединения вида InAs, InGaAs, AIGaSb и InGaAsP. Кремниевые ФД считаются идеальными для применения в ВОСП, работающих на длине волны от 0,6 до 1 мкм с максимальной чувствитель­ностью около 0,9 мкм и квантовой эффективностью до 0,9. Для длин волн 1 мкм и выше (вплоть до 1,8 мкм) часто используют ФД на основе Ge. При использовании соединения вида Al_хGa1_-х AsSb получены ФД для работы на длинах волн от 0,9 до 1,3 мкм с квантовой эффективностью не хуже 0,8.

В фотодиодах типа каждый поглощенный фотон в идеале приво­дит к образованию одной пары «электрон-дырка», которая приводит к генерации тока во внешней цепи. Квантовую эффективность ФД можно повысить путем использования лавинного усиления (умножения), реали­зуемого в структуре, называемой лавинным фотодиодом (ЛФД), где один фотон порождает М электронов.