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]

но дает возможность полностью подавить шум приемника усиленным дробовым шумом, представленным членом с в этом уравнении. Полоса частот, в пределах которой может поддерживаться коэффициент усиления М, зависит от времени пролета электрона через ФЭУ. Тщательная проработка конструкции электродов в электростатических ФЭУ, как это изображено на рис. 16.12, дает возможность увеличить полосу пропускания до 1 ГГц. Другие конструкции, использующие диоды с большими значениями б и скрещенные электрические и магнитные поля, обеспечивают большой коэффициент усиления при еще более высоких частотах модуляции.

16.4.3. Фотодетекторы для более длинных волн

Для детектирования излучения с длиной волны более 1 мкм требуются узкозонные полупроводники. Из перечисленных в таб-т. 7.2 двух-компонентных сложных полупроводников П1 - V групп InSb имеет наименьшую ширину запрещенной зоны и может быть использован в качестве фотодетектора вплоть до 6 мкм. Для детектирования излучения лазера на COj (10.6 мкм) необходимы другие материалы. Раньше на этих длинах волн использовались примесные полупроводники, такие как германий с примесью меди или ртути, действующие как примесное фотосопротивление. Возьмем в качестве примера соединение Ge - Hg. Ртуть вводит полосу акцепторных уровней с энергией на 0,09 эВ выше верхнего уровня валентной зоны. Конечно, при достаточно умеренных температурах они заполнены термически возбужденными электронами из валентной зоны. Но при достаточно низких температурах, менее 30 К, они оказываются в основном пустыми, и тогда электроны могут быть возбуждены оптически. Образованные таким образом дополнительные дырки увеличивают электрическую проводимость материала прямо пропорционально поглощенному световому потоку. Совсем недавно появились плоскостные фотодиоды с р-п-пере-ходом, сделанные на основе трехкомпонентного полупроводника из элементов И-VI групп - теллурнда кадмия с ртутью Cd;x.Hg, .v Те. Уменьшение содержания кадмия позволяет сузить ширину запрещенной зоны этого материала при комнатной температуре от 1,8 эВ до 0. Если X = 0,2, ширина запрещенной зоны eg ж 0,1 эВ при 77 К и могут быть получены диоды с квантовой эффективностью, превышающей 0,25 на длине волны 10,6 мкм. Для избежания избыточного темпового тока, вызываемого тепловым возбуждением, необходимо охладить фотодиод до 120 К или ниже. В наземных системах связи для охлаждения фотодиода может быть использован жидкий азот (77 К), а в космических для достижения этих температур потребуются пассивные охладители. Использование обратного смещения 0,2... 0,5 В минимизирует емкость и улучшает временные характеристики диода, не вызывая дополнительного темпового тока в результате туннелирования. В этом случае могут быть получены полосы пропускания свыше 100 МГц.



16.4.4. Использование гетеродинного детектирования

На длине волны 10,6 мкм становится целесообразным использовать гетеродинное детектирование благодаря его высокой чувствительности. Оно широко используется в СВЧ детекторах. Волна от гетеродина смешивается с принятой модулированной волной в области детекторного р-п-перехода. Если оба источника излучения являются когерентными и сохраняют свою взаимную когерентность в области детектора, ток фотодиода будет содержать компоненту, которая изменяется с разностной частотой. Говоря языком радиотехники, выделяется промежуточная частота (ПЧ). Она имеет ту же самую модуляцию, которая была и у принятой оптической волны. Чувствительность детектирования сильно ухудшается, если рассогласование волновых фронтов двух пучков на площади фотодетектора становится больше нескольких процентов от длины волны, а также если распределения интенсивности и поляризации не согласованы между собой. На практике требуемая точность согласования недостижима на длине волны 1 мкм, но становится вполне возможной на 10,6 мкм.

Рассмотрим фотодиод, который равномерно освещен по всей фоточувствительной поверхности одновременно плоской модулированной оптической волной с плотностью мощности Рц, а также плоской когерентной волной от гетеродина, создающего плотность мощности Pl. Для того чтобы увидеть, что происходит с модуляцией сигнала при таких обстоятельствах, следует вспомнить, что мгновенная мощность несущей волны пропорциональна квадрату амплитуды электромагнитного поля. Под мгновенной мы понимаем значение мощности, усредненное за интервал времени, который мал по сравнению с периодом модуляции, но включает в себя много оптических периодов. Амплитуда электромагнитного поля представлена в виде электрических составляющих электромагнитного поля Ец (t) и Ец (t), относящихся соответственно к принимаемому полю и к полю от гетеродина. Тогда

£д(0 = «со5(со«4-Фл) (16.4.4)

EL{t) = El cos (oit. (16.4.5)

Модуляция сигналом / (/) может быть включена в выражение (16.4.4). В случае амплитудной модуляции

E„ = Etio(l+f{t)). П6.4.6)

При модуляции по интенсивности

Ek = E%A+fit))- (16.4.7)



в случае фазовой модуляции

Ф« = Ф«о(1 (16.4.8)

Частотную модуляцию следует определять с осторожностью. Проще всего это сделать, исходя из фазы несущей (см. (1.21 - (fl.4i)

/1+ {f(t)dt\. (16.4.9)

Тогда мгновенная угловая частота

й)= -4-(«« + Фл) = й>«-гф/го/ at

Оптические плотности мощностей в двух волнах Рц и Pl пропорциональны Е\ и El соответственно. Таким образом,

Ра=аЕ%/2 (16.4.10)

PL-aEl/2, (16.4.11)

±:l±Ll±.y" = Z (16.4.12)

а \ «г во /

есть локальное волновое сопротивление свободного пространства (ftrfto - локальная магнитная проницаемость, а гг*о - локальная диэлектрическая проницаемость). В вакууме имеем 1/а = Zq = 377 Ом. Средняя плотность фототока, генерируемого двумя волнами,

7 = J?(P«-f Pt). N (16.4.13)

есть чувствительность фотодиода 1см. (12.1.2)1. Чтобы получить зависимость среднего тока / от оптических потоков и Ф/. следует проинтегрировать (16.4.13) по всей площади фотодетектора. При равномерном освещении и однородной чувствительности фотодиода 7 - 7А, Ф/? = Pff А н фl - Pl А, поэтому

7 = (Фд J-Ф.). (16.4.14)

Этот ток создаст среднеквадратическую спектральную плотность дробового шума

(/л)* = 2е7 = 2е.(Фд f Ф.). (16.4.15)



[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]

0.0011