При составлении таблицы, использовалось уравнение для связи ширины полосы пропускания по уровню –3 дБ с уширением импульса. В параметры внесена и рабочая длина волны, поскольку значения затухания и искажений меняются с ее изменением. В таблице также указан тип источника. Светодиод больше подходит для многомодовых СОВ в которых доминируют модовые искажения. Лазерный диод с узким спектром значительно не уменьшил бы суммарное уширение импульса в этом случае. Когда доминирует материальная дисперсия, как в ГОВ или одномодовом волоконном световоде, уширение импульса минимизируется при использовании лазерного источника. В длинноволновой области материальная дисперсия становится малой, так что в некоторых случаях светодиоды становятся подходящими.

3 Моделирование ОЭП

Свет может быть обнаружен глазом. Однако глаз не подходит для современной волоконной связи, из-за низкой чувствительности, медленного отклика и невозможности соединения с электронными устройствами для усиления, декодирования или другой обработки сигнала. Кроме того, спектральная чувствительность глаза ограничена длинами волны 0,4…0,7 мкм, где волокна имеют высокие потери. Тем не менее, глаз очень полезен при визуальной проверке волокон с помощью видимого света. Такие дефекты, как трещины и места обрывов волокон, могут быть обнаружены по рассеянному свету. Перед тем как ответвители и соединители присоединить к инфракрасному излучателю, целесообразно их проверить (“прозвонить”) с помощью источника видимого света. В этой главе рассматриваются устройства, которые преобразовывают оптическое излучение в электрический сигнал (ток, напряжение) и быстро откликаются (реагируют) на изменения уровня оптической мощности.

3.1 Параметры и характеристики p-i-n фотодиода

Фотодиоды p–i–n-типа являются наиболее широко используемыми детекторами в волоконных системах. Такой диод имеет широкую i-область из собственного полупроводника между p- и n-областями, как показано на рисунке 3.1. Слой собственной проводимости не имеет свободных носителей заряда, так что его сопротивление велико. Поэтому большая часть напряжения смещения диода приложена к этой области и электрическое поле в ней имеет большую напряженность. Поскольку слой собственной проводимости весьма широк, то имеется высокая вероятность, что приходящие фотоны будут поглощены именно в нем, а не в тонких p– или n–областях. Это увеличивает квантовую эффективность и скорость отклика по сравнению с p–n-фотодиодом.

Граничная длина волны

Чтобы создавать пару носителей электрон-дырка, приходящий фотон должен иметь энергию достаточную, чтобы электрон преодолел запрещенную зону полупроводника. Это требует выполнения условия hn ³ Wз, что дает значение граничной частоты

l = 1,24/Wз, (3.1)

где l подставляется в мкм, а Wз – энергия, необходимая для преодоления запрещенной зоны, эВ. Это выражение аналогично соотношению для вакуумного фотодиода.

Материалы

Кремний является наиболее широко используемым материалом для волоконно-оптических детекторов, работающих в первом окне прозрачности, но он не может использоваться во втором окне (длина волны около 1,3 мкм). Диоды из германия и InGaAs вносят большее количество шума, чем кремний, но они чувствительны во втором окне прозрачности. В табл. 3.1 приведены данные относительно области спектральной чувствительности, длины волны максимального отклика и значения максимального токового отклика p–i–n-диодов из наиболее распространенных полупроводниковых материалов. Спектральные характеристики фотодиодов из кремния (а) и InGaAs (б) показаны на рис. 3.2. Снижение чувствительности на более коротких длинах волн вызвано увеличением поглощения фотонов в p- и n-областях.

Таблица 3.1 Параметры p–i–n-фотодиодов

Материал	Область спектраль-ной чувствительности, мкм	Длина волны максимального отклика, мкм	Максимальный токовый отклик, А/Вт
Кремний (Si)	0,3…1,1	0,8	0,5
Германий (Ge)	0,5…1,8	1,55	0,7
InGaAs	1,0…1,7	1,7	1,1

Для фотодиода из InGaAs на l = 1,7 мкм при квантовой эффективности в 80 % получаем токовый отклик 1,1 A/Вт. Согласно кривой спектральной чувствительности на рисунке 7.6,б токовый отклик составляет приблизительно 70 % от этой величины, или 0,77 A/Вт на l = 1,3 мкм. Максимальный отклик германия имеет место вблизи 1,55 мкм, где квантовая эффективность составляет приблизительно 55 %.

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) кремниевого диода, имеющего токовый отклик 0,5 A/Вт, приведены на рис. 3.3. Если на диод подано напряжение обратного смещения, то говорят, что он работает в фотодиодном (фотовентильном) режиме. В этом случае выходной ток пропорционален оптической мощности. Когда обратное смещение отсутствует, то, как показано на рисунке, принимаемая оптическая мощность приводит к возникновению на выводах диода прямого напряжения смещения. Это фотогальванический режим, являющийся основным для солнечных элементов, которые вырабатывают электрическое напряжение при облучении светом. Детекторы в системах волоконной связи работают в фотодиодном режиме.

Даже при отсутствии оптической мощности через обратносмещенный диод течет малый обратный ток. Его называют темновым током. Он обозначен символом Iт на рис. 3.3. Темновой ток вызван тепловой генерацией свободных носителей заряда в диоде. Он течет во всех диодах, где традиционно называется обратным током утечки. Максимальное его значение, наблюдаемое при больших отрицательных напряжениях, является обратным током насыщения. Темновой ток, имеющий тепловую природу, быстро увеличивается с температурой, практически удваивая свое значение на каждые 10°C увеличения температуры. Значения темновых токов составляют от долей наноампер до нескольких сотен наноампер. Кремниевые детекторы имеют самые низкие темновые токи. В диодах из InGaAs они несколько больше, а германиевые диоды обладают самыми большими темновыми токами. В этом одна из главных причин, почему кремниевые фотодиоды предпочитают германиевым в области длин волн, где их токовые отклики сравнимі.