3.6.5.3 Акустооптические модуляторы)

Рисунок 3.29 – Акустооптический модулятор

Работа этих модуляторов основана на акустооптическом эффекте – изменении показателя преломления вещества Δn под воздействием ультразвуковых волн (УЗВ). Наиболее ярко этот эффект проявляется в ряде материалов: тяжёлом оптическом стекле (флинтглассе); диоксиде теллура (TeO₂); молибдонате свинца (PbMoO₄) и др.

Для получения УЗВ используют генератор с большой акустической мощностью Pа, которая поступает на пьезокристалл. При прямом пьезоэффекте механические колебания резонатора передаются твёрдому телу, по которому распространяются УЗВ. В результате в твёрдом теле создаются зоны сжатия и разрежения плотности ρ вещества, что приводит к изменению показателя преломления Δn

Если кристалл осветить потоком света от источника света (ИС), то созданные УЗВ зоны сжатия и разряжения будут для света представлять собой дифракционную решетку (ДР) с периодом Λ. В результате произойдёт дифракция света, появятся дифракционные максимумы и минимумы. Когда генератор УЗВ выключен, кристалл прозрачен для света, и свет от источника сигнала поступает на выход схемы. Когда генератор УЗВ включён, то свет преломляется дифракционной решёткой и не попадает на выход АОМ. Таким образом, дифрагированный свет будет модулирован по интенсивности с частотой модуляции ультразвука.

Недостатком АОМ является ограниченная частота модуляции – не выше 1 ГГц.

3.7 Приемники оптиче­ского излучения

Фотоприёмники служат для преобразования оптического сигнала в электрический. Их изготавливают обычно из полупроводникового материала. В основе работы фотоприёмников лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения полупроводником фотонов с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар).

При наличии электрического напряжения с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток.

Требования, предъявляемые к фотоприёмникам:

1. высокая чувствительность;

2. требуемые спектральные характеристики и широкополосность;

3. низкий уровень шумов;

4. требуемое быстродействие;

5. длительный срок службы;

6. использование в интегральных микросхемах.

В ВОСП в качестве фотоприёмников получили распространение: p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды.

3.7.1 Принцип работы р – i – n фотодиода

Рисунок 3.30 – Принцип работы р – i – n фотодиода

Для p-i-n фотодиода характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями p⁺ и n⁺ типа (знак‘⁺’ означает сильное легирование). i-слой называют обеднённым слоем, поскольку в нём нет свободных носителей. На p-i-n структуру подаётся напряжение с обратным смещением U₀ (по сравнению со светоизлучающим диодом).

Сильное легирование крайних слоёв делает их проводящими, и максимальное значение электрического поля создаётся в i-слое. Но поскольку нет свободных носителей в i-слое, нет и электрического тока. При наличии падающего излучения на i-слой в нём образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам (положительно заряженные дырки направляются к минусу источника, а отрицательно заряженные электроны – к плюсу источника), образуя электрический ток. При изготовлении фотодиодов стремятся делать p⁺ и n⁺-слои как можно тоньше (не более 0,3 мкм), а обеднённую область достаточно большой протяженности (порядка 40 мкм), чтобы она полностью поглощала весь падающий свет. Однако часть падающего излучения испытывает френелевское отражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на границе между этой поверхностью и средой.

Таблица 3.2 – Элементы, используемые для создания фотоприёмников

Материал	Диапазон принимаемых длин волн λ, нм.
Кремний Si	400-1000
Германий Ge	600-1600
GaAs	800-1000
JnGaAs	1000-1700
JnGaAsP	1100-1600

Для уменьшения отражения приёмную поверхность обедненного слоя покрывают антиотражающим слоем – специально подобранным прозрачным материалом толщиной около λ/4 и показателем преломления, равным , гдеn₁ и n₂ – показатели преломления i-слоя и воздуха. Данные ФД просты по структуре и сравнительно дёшевы.

3.7.2 Принцип работы лавинного фотодиода

Главным отличием лавинного фотодиода (ЛФД) от обычного фотодиода является внутреннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала. Если структура слоёв у обычных ФД имеет вид p⁺- i -n⁺, то у ЛФД добавляется дополнительный р-слой. (p⁺- i - p - n⁺).

Рисунок 3.31 – Лавинный фотодиод

Лавинное умножение достигается за счёт увеличения напряжения смещения до величины близкой к пробойной. Профиль распределения легирующих примесей выбирается так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряженность электрического поля имел p-слой. При воздействии света на i-слой образуются электронно-дырочные пары. Благодаря электрическому полю происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам. При попадании свободных электронов из i-слоя в p-слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокого электрического поля в p-слое. Ускоряясь в зоне проводимости p-слоя, такие электроны накапливают энергию достаточную, чтобы выбить другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. При этом возникает явление ударной ионизации. Суть этого явления состоит в том, что носители, проходящие через p-слой, порождают новых носителей, которые в свою очередь так же вызывают порождение очередных носителей. Лавинное умножение носителей (усиление фототока) происходит из-за того что: электроны, достигшие p-слоя, сталкиваются с атомами и выбивают из них вторичные электроны, которые благодаря высокому напряжению ускоряются, снова сталкиваются с атомами, возникают новые электроны и т. д. то есть происходит лавинообразный процесс, в результате которого резко увеличивается число электронов. От одного фотона может образоваться до 1000 электронов

В отличие от фототока у p-i-n фотодиода фототок в ЛФД получается в М раз большим.

I_{ф ЛФД} =М× I_{ф pin} ; (3.5)

где М – коэффициент лавинного умножения (усиления).

Реальная величина усиления для кремниевых ЛФД – 50..100, для германиевых ЛФД – 2…15, для арсенидгалиевых – 10…35. Чувствительность ЛФД в М раз выше токовой чувствительности p-i-n фотодиодов. Коэффициент лавинного умножения М определяется по эмпирической формуле:

, (3.6)

где U – напряжение внешнего обратного смещения,

Uв – напряжение пробоя ЛФД, обычно ≈ 100 В, но может достигать в некоторых устройствах нескольких сот вольт,

n – коэффициент преломления, n = 1,5 ÷ 4 для кремния и n = 2,5 ÷ 9 для германия.

Обратное напряжение U_в обычно выбирают равным 0,95*U_пр от напряжения пробоя. Коэффициент лавинного умножения М сильно зависит от температуры.

Достоинствами ЛФД являются высокий коэффициент усиления, высокая чувствительность и быстродействие.

Недостатками ЛФД являются: более высокое рабочее напряжение по сравнению с p-i-n фотодиодами (до 400 В); повышенная температурная чувствительность коэффициента умножения, что требует использования специальной электрической цепи, вырабатывающей необходимое рабочее напряжение, а также системы термостабилизации. Недостатком ЛФД является также то, что случайная природа лавинообразного нарастания тока приводит к шуму, который в отличие от полезного сигнала усиливается пропорционально M (≈ в М^2,1). В результате этого оптимальное значение М выбирают обычно в пределах от 30 до 100.