Джерела оптичних сигналів
Два типи джерел оптичних сигналів: Світловипромінюючі діоди (LED) та напівпровідникові лазерні діоди. Світлодіод або світловипромінюючий діод - напівпровідниковий прилад, що випромінює некогерентне світло при пропусканні через нього електричного струму. Світло, що випромінюється, лежить у вузькому діапазоні спектру, його колірні характеристики залежать від хімічного складу використаного в ньому напівпровідника. Як і в будь-якому напівпровідниковому діоді, світлодіод має p-n перехід. При пропущенні електричного струму в прямому напрямку носії заряду - електрони та дірки - рекомбінують з випромінюванням фотонів. Не всякі напівпровідникові матеріали ефективно випромінюють світло при рекомбінації. Варіюючи склад напівпровідників, можна створювати світлодіоди для різних довжин хвиль від ультрафіолету до середнього інфрачервоного діапазону. Діоди, виготовлені з непрямозонних напівпровідників (наприклад, кремнію, германію або карбіду кремнію), світло практично не випромінюють. Лазерний діод - напівпровідниковий лазер, побудований з урахуванням діода. Його робота заснована на виникненні інверсії населення в області p-n переходу при інжекції носіїв заряду. Коли анод звичайного діода подається позитивний потенціал, то кажуть, що діод зміщений у напрямі. При цьому дірки з p-області інжектуються в n-область p-n переходу, а електрони з n-області інжектуються в p-область напівпровідника. Якщо електрон та дірка виявляються «поблизу», то вони можуть рекомбінувати з виділенням енергії у вигляді фотона певної довжини хвилі. Такий процес називається спонтанним випромінюванням та є основним джерелом випромінювання у світлодіодах. Однак, за певних умов, електрон та дірка перед рекомбінацією можуть перебувати в однійобласті простору досить довгий час (до мікросекунд). Якщо в цей момент через цю область простору пройде фотон потрібної (резонансної) частоти, він може викликати вимушену рекомбінацію з виділенням другого фотона, причому його напрям, вектор поляризації і фаза точно збігатимуться з тими ж характеристиками першого фотона. У лазерному діоді напівпровідниковий кристал виготовляють у вигляді дуже тонкої прямокутної платівки. Така платівка по суті є оптичним хвилеводом, де випромінювання обмежене відносно невеликому просторі. Верхній шар кристала легується до створення n-области, а нижньому шарі створюють p-область. В результаті виходить плоский p-n перехід великої площі. Дві бічні сторони (торці) кристала поліруються для утворення гладких паралельних площин, що утворюють оптичний резонатор. Випадковий фотон спонтанного випромінювання, випущений перпендикулярно до цих площин, пройде через весь оптичний хвилевід і кілька разів позначиться від торців, перш ніж вийде назовні. Проходячи вздовж резонатора, він викликатиме вимушену рекомбінацію, створюючи нові та нові фотони з тими ж параметрами, і випромінювання посилюватиметься (механізм вимушеного випромінювання). Щойно посилення перевищить втрати, почнеться лазерна генерація. Лазерні діоди може бути кількох типів. У основної частини шари зроблені дуже тонкими, і така структура може генерувати випромінювання тільки в напрямку, паралельному цим шарам. З іншого боку, якщо хвилевод зробити досить широким у порівнянні з довжиною хвилі, він зможе працювати вже у кількох поперечних режимах. Такий діод називається багатомодовим. Застосування таких лазерів можливе в тих випадках, коли від пристрою потрібна висока потужність випромінювання і не ставиться умовагарної збіжності променя. З іншого боку, якщо потрібно хороше фокусування променя, ширина хвилеводу повинна виготовлятись порівнянною з довжиною хвилі випромінювання. Тут уже ширина променя визначатиметься лише межами, що накладаються дифракцією. Довжина хвилі випромінювання лазерного діода залежить від ширини забороненої зони між енергетичними рівнями p-і n-областей напівпровідника. У зв'язку з тим, що випромінюючий елемент досить тонкий, промінь на виході діода завдяки дифракції практично відразу розходиться. Для компенсації цього ефекту та отримання тонкого променя необхідно застосовувати лінзи, що збирають. Для багатомодових широких лазерів найчастіше використовуються циліндричні лінзи. Для одномодових лазерів, при використанні симетричних лінз, переріз променя буде еліптичним, оскільки розбіжність у вертикальній площині перевищує розбіжність у горизонтальній. У багатьох випадках, включаючи більшість лазерів з видимим випромінюванням, вони працюють на єдиній довжині хвилі, яка, однак, має сильну нестабільність і залежить від безлічі факторів - зміни сили струму, зовнішньої температури і т. д. В останні роки описана вище конструкція найпростішого лазерного діода піддавалася численним удосконаленням, щоб пристрої на їх основі могли відповідати сучасним вимогам. У цих пристроях шар матеріалу з більш вузькою забороненою зоною розташовується між двома шарами матеріалу з ширшою забороненою зоною. Найчастіше для реалізації лазера на основі подвійної гетероструктури використовують арсенід галію та арсенід алюмінію-галію. Кожне з'єднання двох різних напівпровідників називається гетероструктурою, а пристрій — «діод з подвійною гетероструктурою» (ДГС). Перевага лазерів з подвійною гетероструктурою полягає в тому, що область співіснуванняелектронів і дірок укладено у тонкому середньому шарі. Це означає, що багато більше електронно-діркових пар даватимуть внесок у посилення — не так багато їх залишиться на периферії в області з низьким посиленням. Додатково, світло відбиватиметься від самих гетеропереходів, тобто випромінювання буде цілком укладено в області максимально ефективного посилення. Якщо середній шар діода ДГС зробити ще тоншим, такий шар почне працювати як квантова яма. Це означає, що у вертикальному напрямку енергія електронів почне квантуватись. Ефективність такого лазера буде вищою порівняно з одношаровим лазером завдяки тому, що залежність щільності електронів та дірок, що беруть участь у процесі випромінювання, має більш рівномірний розподіл. Основна проблема гетероструктурних лазерів з тонким шаром – неможливість ефективного утримання світла. Щоб подолати її, із двох сторін кристала додають ще два шари. Ці шари мають менший коефіцієнт заломлення проти центральними шарами. Така структура, що нагадує світловод, ефективніше утримує світло. Ці пристрої називаються гетероструктур з роздільним утриманням. Лазери з розподіленим зворотним зв'язком (РОС) найчастіше використовуються в системах багаточастотного волоконно-оптичного зв'язку. Щоб стабілізувати довжину хвилі, у районі p-n переходу створюється поперечна насічка, що утворює дифракційну решітку. Завдяки цій насічці, випромінювання тільки з однією довжиною хвилі повертається назад в резонатор і бере участь у подальшому посиленні. РОС-лазери мають стабільну довжину хвилі випромінювання, яка визначається на етапі виробництва кроком насічки, але може трохи змінюватись під впливом температури. Такі лазери є основою сучасних оптичних телекомунікаційних систем.Фотодіод - приймач оптичноговипромінювання, який перетворює світло, що потрапило на його фоточутливу область, в електричний заряд за рахунок процесів в p-n-переході. Фотодіод, робота якого ґрунтується на фотовольтаїчному ефекті, називається сонячним елементом. Крім p-n фотодіодів, існують і p-i-n фотодіоди, в яких між шарами p-і n знаходиться шар нелегованого напівпровідника i. p-n і p-i-n фотодіоди лише перетворюють світло на електричний струм, але не підсилюють його, на відміну від лавинних фотодіодів і фототранзисторів. При вплив квантів випромінювання у основі відбувається генерація вільних носіїв, які прагнуть межі p-n-перехода. Ширина бази (n-область) робиться такою, щоб дірки не встигали рекомбінувати до переходу в p-область. Струм фотодіода визначається струмом неосновних носіїв - дрейфовим струмом. Швидкодія фотодіода визначається швидкістю поділу носіїв полем p-n-переходу та ємністю p-n-переходу Cp-n. Фотодіод може працювати у двох режимах: 1. фотогальванічний – без зовнішньої напруги та 2. фотодіодний – із зовнішньою зворотною напругою. Особливості: * простота технології виготовлення та структур * поєднання високої фоточутливості та швидкодії, * малий опір бази, * мала інерційність. Кількісно чутливість вимірюється відношенням зміни електричної характеристики, що знімається на виході фотоприймача, до світлового потоку або потоку випромінювання, що його викликав.
струмова чутливість по світловому потоку
вольтаїчна чутливість по енергетичному потоку
Крім корисного сигналу на виході фотодіода з'являється хаотичний сигнал із випадковою амплітудою та спектром – шум фотодіода. Він не дозволяє реєструвати будь-які малі корисні сигнали. Шум фотодіода складається із шумів напівпровідникового.матеріалу та фотонного шуму. Характеристики фотодіода: вольт-амперна характеристика (ВАХ): залежність вихідної напруги від вхідного струму. UΦ = f(IΦ). Спектральні характеристики: залежність фотоструму від довжини хвилі падаючого світла на фотодіод. Вона визначається з боку великих довжин хвиль шириною забороненої зони, при малих довжинах хвиль великим показником поглинання та збільшення впливу поверхневої рекомбінації носіїв заряду із зменшенням довжини хвилі квантів світла. Тобто короткохвильова межа чутливості залежить від товщини бази та від швидкості поверхневої рекомбінації. Світлові характеристики: залежність фотоструму від освітленості, відповідає прямій пропорційності фотоструму від освітленості. Це зумовлено тим, що товщина бази фотодіода значно менша за дифузійну довжину неосновних носіїв заряду. Тобто практично всі неосновні носії заряду, що виникли в базі, беруть участь в утворенні фотоструму.Постійна часу : це час, протягом якого фотострум фотодіода змінюється після освітлення або після затемнення фотодіода в раз (63%) по відношенню до значення, що встановилося.Темновий опір : опір фотодіода без освітлення. Оптичні підсилювачі: EDFA – волоконно-оптичний підсилювач на оптичному волокні, легованому іонами ербію. Застосовується у волоконно-оптичних лініях передачі відновлення рівня оптичного сигналу. Перевагою ербієвих підсилювачів є відсутність перетворення в електричний сигнал, можливість одночасного посилення сигналів з різними довжинами хвиль, практично точна відповідність робочого діапазону ербієвих підсилювачів області мінімальних оптичних втрат світловодів на основі кварцового скла, порівняно низький рівень шуму та простота включення вволоконно-оптичну систему. Оптичні підсилювачі характеризуються, насамперед, своїм коефіцієнтом посилення, що залежить, на жаль, від довжини хвилі. Для компенсації цієї залежності застосовують додаткові атенюатори. Крім того, підсилювачі роблять істотний внесок у міжканальний вплив. Особливо сильно нелінійні ефекти виявляються за великих потужностей сигналу. Поява оптичних підсилювачів на основі світловодів, легованих ербієм, здатних посилювати сигнали, що проходять по світловоду на 30 dB, дало початок п'ятому поколінню систем оптичного зв'язку.