PIN фотодиод

    Рассмотрим принцип работы pin фотодиода.

Допустим, что у нашего pin фотодиода слаболегированный i-слой находится между сильно легированными слоями n+ и p+. Также i-слой является обедненным слоем, т.к. нет свободных носителей заряда. Тогда на pin - переход будем подавать напряжение с обратным смещением. Сильно легированные слои станут проводящими. А слаболегированный слой, т.к. там нет носителей заряда, будет испытывать только поляризацию.

    

    При падении светового излучения на i-слой, в pin фотодиоде будут возникать свободные носители, а именно электронно-дырочные пары. Под действием электрического поля они разделятся и начнут двигаться в противоположных направлениях к своим электродам. Образуется электрический ток.

        PIN фотодиод является неэффективным, если световое излучение падает на сильно легированные слои n+ и p+. При этом будет возникать диффузионный ток, который из-за большей инерционности ухудшает эффективность. 

      По этой причине слои  n+ и p+ нужно делать как можно тоньше, а i-слой обедненный слой - как можно больше, чтобы он поглощал все падающие лучи.

     Электрический ток будет течь, пока будут образовываться электронно - дырочные пары, т.е. пока будет падать световое излучение.

      PIN фотодиоды изготавливаются из разных материалов. Для различных материалов различна длина волны светового излучения, в которых достигается максимальный эффект фотодиода.

Фотоприемник

    С основными элементами мы познакомились в прошлый раз.  В этой статье разберем более подробней фотоприемник.

   Главными материалами, которые используются в фотоприемнике, являются  полупроводниковые материалы. 

       В основе работы фотоприемника лежит явление фотоэффекта. В результате поглощения фотонов энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электрона из валентной зоны в зону проводимости.  Под действием напряжения на электронно - дырочные пары появляется электрический ток. Он образуется за счет движения электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне.

     Образование электронно-дырочных пар в полупроводнике обеспечивается путем разделения носителей заряда. В основе лежит p-n-переход. Одним из таких элементов называется фотодиод.

     На практике применяется несколько разновидностей фотоприемников. К ним относятся такие виды:

• p - i - n  фотодиоды;
• лавинные фотодиоды;
• фототранзиторы.

     Их мы и рассмотрим в следующий раз.

   Фотодиоды изготавливаются из разных материалов. Для различных материалов различна длина волны светового излучения, в которых достигается максимальный эффект фотодиода. Например:

• для кремния -   400-1000 нм
• для германия - 600-1600 нм
• GaAs  -              800-1000 нм
• InGaAs -          1000-1700 нм

Приемный оптический модуль

      Приемный оптический модуль играет важную роль в системе волоконно-оптической связи.  Основная задача ПрОМ - преобразование оптического сигнала обратно в электрический.

    

      Напомню, что за преобразование электрического сигнала в оптический отвечает ПОМ.  Мы его уже здесь разбирали.

     Основные элементы приемного оптического модуля:

• фотоприемник - непосредственно преобразует оптический сигнал в электрический;
• каскад электрических усилителей - усиливают электрический сигнал;
• демодулятор - восстанавливает исходную форму сигнала.

   Существует аналоговые и цифровые приемные оптические модули:

• Аналоговые ПрОМ

- преобразуют входящий аналоговый оптический сигнал в аналоговый электрический.

      Большую роль здесь уделяют искажению сигнала. Усилительных каскадов в сети если много, то и вносимых шумов и искажений сигнала будет больше, с каждого элемента. 

• Цифровые ПрОМ

- при цифровом сигнале не требуется точной передачи формы импульсов

     В цепи цифрового ПрОМ должен обязательно присутствовать узел принятия решения, принимающий 0 или 1. Также восстанавливает форму импульсов и амплитуду сигнала.

LED светодиоды

    LED светодиоды из-за своей простоты и невысокой стоимости получили большую распространенность.

     Рассмотрим принцип работы LED светодиодов.

    В основе лежит рекомбинация носителей заряда в активной области при подачи тока  (p-n-переход). При подаче напряжения на p-n-переход носители заряда, а именно электроны и дырки, проникают из активного слоя  в пассивный слой (p- и n-слои), и в следствии этого испытывают рекомбинацию, сопровождающую излучением света. 

     Показатель преломления активного слоя на много больше показателя преломления пассивного слоя, поэтому рекомбинационное излучение проходит полностью в активном слое, испытывая многократное излучение, в следствии  чего КПД светодиода увеличивается.

       Гетеропереходы в LED  светодиодах создаются на основе переходов из разных полупроводниковых материалов. Чаще всего в качестве подложки используются материалы GaAs и InP. Составной элемент определяется с учетом длины волны излучения. Подложка обязательно обрабатывается напылением.

Источники оптического излучения

     Источники оптического излучения - один из главных элементов, применяемые в ВОЛС. Вводиться в волокно они должны с минимальными потерями. На практике используются различные источники оптического излучения, отличающиеся как по конструкции, так и по типу источника излучения. Одни работают на телефонных проводах и передают информацию всего на несколько метров, другие же передают на десятки километров Мбиты информации. 

    В настоящее время используется  два типа источников оптического излучения - светодиоды LED и полупроводниковые лазерные диоды LD. Их рассмотрим в следующей статье.

Требования источников оптического излучения

1.    Излучение должно вестись на длине волны из окон прозрачности: 850, 1310 или 1550 нм;

Напомню, что окна прозрачности мы уже упоминали.

2.  Источник излучения должен использовать ту частоту модуляции, при которой будет передаваться информация на требуемой скорости;

3.  Излучение должно вносить минимум потерь в волокно;

4.  Излучение должно быть мощным, для предачи сигнала на большие расстояния;

5.  Стоимость источника излучения должно быть не дорогим.

    Главным отличием LED от LD является большая ширина спектра излучения:

• светодиод:  30-50 нм;
• п/п лазерный диод:  MMF -  1-3 нм, SMF -  0,1-0,4 нм.