Фотоприемники и оптический усилитель

Фотоприемники предназначены для преобразования входного оптического сигнала в электрический.

Различают следующие виды фотоприемников:
1. фотоэлемент;
2. фотоэлектронный умножитель;
3. фотодиод p-n-типа;
4. фотодиод p-i-n-типа;
5. лавинный фотодиод;
6. фототранзистор;
7. фототиристор.

В технике оптической связи нашли применение, в основном, различные типы фотодиодов. В фотодиодах оптическое излучение преобразуется в электрические сигналы за счет явления внутреннего фотоэффекта, при котором в области p-n- перехода полупроводника поглощаемый фотон образует пару новых носителей заряда – электрон и дырку.

При отсутствии внешнего поля, в области p-n-перехода существует внутреннее электрическое поле, препятствующее движению носителей. При облучении перехода фотонами света возникают электронно-дырочные пары. Поле p-n-перехода пространственно разделяет электроны и дырки, и создает тем самым фото-ЭДС между смежными областями кристалла. За счет этого образуется ток (фототок), вызванный движением электронов по внешней цепи.

Диод p-n-типа при наличии обратного смещения, созданного внешней электрической цепью создает обедненную область, в которой отсутствуют носители и действует сильное электрическое поле. Эта область образована неподвижными положительно заряженными атомами донора в n-области и неподвижными отрицательно заряженными атомами акцептора в p-области.

Если теперь осветить фотодиод, то возникшие носители (электроны и дырки) ускоряются в этом поле и движутся в n-слой (электроны) и в p-слой (дырки). Так фотодиод отрабатывает световые сигналы. Ширина обедненной области зависит от концентрации примесей и величины напряжения смещения. Чем меньше примесей, тем шире обедненная область. Положение и ширина поглощающей области зависят от длины волны падающего света и от материала фотодиода. Чем сильнее поглощается свет, тем тоньше поглощающая область. Ширину обедненного слоя можно увеличить, повысив напряжение смещения, но в таком обедненном слое очень слабое по напряженности поле.

Для устранения этого недостатка была создана p-i-n-структура фотодиода. В такой структуре между p- и n- слоями помещен слой полупроводника с высоким сопротивлением и толщиной в несколько десятков микрометров. В таком фотодиоде свет падает на i-слой и носители ускоряются сильным полем в этом слое. Это понижает инертность и повышает частоту преобразования до нескольких гигагерц.

Для повышения чувствительности увеличивают светопоглощающую поверхность, а для понижения емкости перехода повышают напряжение обратного смещения.
Чаще всего p-i-n-фотодиоды на длину волны 0,85 мкм изготавливают из кремния (Si), а на большие длины волн (1,2 – 1,6 мкм) – из германия (Ge), InGaAs или InGaAsP.
Лавинные фотодиоды (ЛФД или APD-фотодиоды). Рассмотренные типы фотодиодов только отдают во внешнюю цепь электрический ток, вызванный светом, но не усиливают его. Ток на их выходе обычно равен нескольким наноамперам или меньше. В отличие от них ЛФД усиливает фототок.

Основное отличие ЛФД от PIN фотодиодрв заключается в наличии дополнительного p-слоя. Обратное смещение при этом сильно увеличивается и расширяет обедненный слой до размеров i-слоя, а напряженность электрического поля в нем возрастает. Электронно-дырочные пары, рожденные светом, разделяются и ускоряются этим полем в обедненном слое, получая энергию, превышающую энергию ионизации атомов кристалла. Сталкиваясь затем с нейтральными атомами, носители вызывают увеличивающееся в геометрической прогрессии рождение электронов и дырок.

При явлении, называемом лавинным эффектом коэффициент усиления возрастает с увеличением обратного смещения и достигает значений порядка 1000 .
ЛФД имеют высокое быстродействие и их пороговая частота достигает нескольких гигагерц. К недостаткам этих приборов можно отнести сильную температурную зависимость коэффициента усиления, нелинейность преобразования и малую площадь рабочей поверхности (0,05 мм²).

Оптический усилитель. Усилители оптического диапазона применяются для того, чтобы компенсировать ослабление сигнала при прохождении ими оптических волокон большой длины. Чаще всего применяются волоконные усилители, легированные эрбием (EDFA). Такие усилители изготавливают из отрезка волокна со специальными примесями, имеющими высокую излучательную способность. Эти усилители работают в окне 1550 мкм (1530…1560 мкм). На Рис. А показан принцип действия волоконного усилителя, легированного эрбием.

Оптическая мощность накачки лазера с длиной волны 1480 нм поступает в отрезок волокна длиной 10…20 метров через устройство спектрального мультиплексирования. Это излучение переводит электроны атомов эрбия на более высокий энергетический уровень, т.е. на более высокую орбиту. Если теперь атом подвергается воздействию света с другой длиной волны, электроны переходят на более низкий энергетический уровень (на более низкую орбиту) и при этом испускают свет, по длине волны и фазе полностью соответствующий воздействию.
Усиление при этом может достигать 15…30 дБ, но оно зависит от уровня входного излучения и, незначительно, от длины волны.

Рис. А. Принцип действия оптического усилителя

Легированный эрбием волоконный усилитель может использоваться также для систем спектрального мультиплексирования со многими длинами волн в окне 1550 мкм. В этом случае полное усиление разделяется между оптическими сигналами системы спектрального мультиплексирования. Для такого использования равномерность усиления является одним из наиболее критичных параметров.