Главная  Оптические магистрали 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [ 136 ] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

ФОТОДЕТЕКТОРЫ

16.4.1. Общая характеристика фотодетекторов

Для передачи сигналов в диапазоне длин волн 1 ... 2 мка прямое детектирование с использованием p-t-n-фотодиодов или лавинных фотодиодов остается самым удобным методом восстановления электрического сигнала из оптического как в замкнутых, так и в открытых системах связи. Однако возможное использование более длинных или более коротких волн заставляет рассмотреть другие методы и другие типы устройств детектирования оптических сигналов. При длинах воли меньше 1 мкм становится целесообразным использовать фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Достоинством ФЭУ является то, что они имеют большую площадь фотокатода (до 10 см**), очень высокий внутренний коэффициент умножения (более 10*), вносят относительно небольшой аддитивный шум и имеют полосу пропускания свыше 1 ГГц. Основными недостатками ФЭУ являются низкая квантовая эффективность (менее 0,1), большой размер, ограниченный срок Службы, хрупкость и необходимость использования стабилизированных высоковольтных источников питания (обычно около 1 кВ). На более длинных волнах, в частности на 10 мкм, связанных с лазерными источниками излучения на COj, становится целесообразным использование гетеродинного детектирования, обеспечивающего более высокую чувствительность и дающего возможность реализовать другие методы модуляции.

16.4.2. Использование ФЭУ на более коротких длинах волн

Основной процесс преобразования оптического сигнала в электри-чаский, используемый в ФЭУ, - это внешний фотоэффект, при котором энергия падающего на фотокатод излучения достаточна, чтобы выбить возбужденный электрон с его поверхности. Этот процесс показан на диаграмме энергетических зон электрона, приведенной на рис. 16.10. Здесь в качестве фотокатода используется полупроводник р-типа, так как этот материал является предпочтительным по ряду причин. Пороговая длина волны Я, для фотоэмиссии с поверхности полупроводника р-типа определяется суммой ширины запрещенной зоны и электронного сродства, т. е.

\п = - = -Г. (16.4.1)

Кроме того, для полупроводника р-типа падающее излучение имеет более высокую вероятность взаимодействия с электроном валентной зоны, чем со свободным электроном, как в металле, так и в зоне проводимости полупроводника п-типа. Использование полупроводника р-типа дает два дополнительных преимущества, во-первых, увеличивается работа выхода ф, в результате чего уменьшается термоэлектрон-




Вакуумный 3 перге-muvpruu I/parent,

ШупраШнин р-типа ggpgmb

Рис. 16.10. Зонная диаграмма, иллюстрирующая внешний фотоэффект в полупроводнике l-типa

ная эмиссия с фотокатода в отсутствие падающего излучения (темповая эмиссия) и, во-вторых, состояние поверхности полупроводника р-типа имеет тенденцию создавать результирующий положительный поверхностный заряд и таким образом заставляет энергетические зоны изгибаться вниз, как показано на рис. 16.10. В полупроводнике п-типа более вероятно, что зонная структура отклонится вверх, увеличивая таким образом электронное сродство. Это ие только повышает пороговую энергию фотона, необходимую для фотоэмиссии, ио также означает уменьшение вероятности вылета с поверхности фотокатода 31,mAJ8t электрона, обладающего для этого достаточной энергией.

Зависимость квантовой эффективности ряда фотокатодов от длины волны показана на рис. 16.11. Параметры некоторых из них сведены в табл. 16.1. Необходимо отметить важность недавно разработанных материалов с отрицательным электронным сродс1вом (ОЭС). В них энергия, соответствующая нижнему уровню зоны проводимости выше, чем вакуумный уровень.

Даже наилучшая интегральная квантовая эффективность ФЭУ значительно ниже той, которая получена в детекторах на фотодиоде.


0,Ъ 0,8 !,0 Л.тм Длина волны Второй гармонаии. неодииоЗогалазера. Nd*

Однако это компенсируется воз- .уг:: можностью использовать вторично- лов, обычно используемых для фотока-электронный умножитель (ВЭУ) тодов. [Взято из [12.1].©, 1970, IEEE.1



Сшенлянная планшайба

Дипады, работающие йретиме бтаричнай эмиссии элептрапод


Ноллептор

Прозрачный (ратанатад Рис. 16.12. Схема устройства фотоумножителя

С большим коэффициентом усиления, схематично изображенный иа рис. 16.12. Диноды ВЭУ должны быть покрыты материалом, имеющим большой коэффициент вторичной электронной эмиссии 6. Это опять может быть материал с ОЭС. Если ВЭУ имеет N каскадов, каждый из которых обеспечивает коэффициент умножения 6 общий коэффициент усиления ВЭУ

(16.4.2)

Если /V - 10 и 6 = 4, то iW « 10«.

На фотокатоде так же, как и в лавинном фотодиоде (см. гл. 13), в ходе процесса квантового преобразования генерируется ток дробового шума /s,,, который усиливается вместе с сигналом. Кроме того, добавляется еще некоторый шум, возникающий в процессе умножения, и это, как и ранее, можно учесть с помощью коэффициента шу.ма F. В соответствии с теорией (см., например, § 13.1 в 114,31), при 6 > 1, коэффициент шума ВЭУ

F X 6,/ (6 - 1).

(16.4.3)

Таким образом, в нашем примере при 6 = 4 получаем F х 1,33. Анализ выражения (14.4.10) показывает, что использование ФЭУ обыч-

Габлица 16.1. Некоторые материалы фотокатодов

Тип фотокатода

Материал

eg. эВ

X. эВ

ж1,0 эВ

0,45

0,55

1 ,4

-0,55

- 0,25

.S~ 17 S -20 (Многоще-лочной)

Ag 0-Cs CssSb

Sb -К-Na-Cs GaAs -Cs,0

lnAso,i5Po 8» - - CsaO

Неопределенная структура

Полупроводники р-типа

Материалы с отрицательным электронным сродством



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [ 136 ] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

0.0012