- •Часть 1:
- •1.1. Структурная схема волоконно-оптической системы передачи.
- •1.2. Конструкции плоских световодов.
- •1.3. Конструкции волоконных световодов.
- •1.4. Принцип действия волоконного световода. Типы лучей. Понятие моды.
- •1.5. Типы волокна.
- •1.6. Лучевой принцип распространения электромагнитной энергии по ступенчатому мм, градиентному мм и ступенчатому ом волокну.
- •1.7. Ход лучей в волоконном световоде со ступенчатым профилем показателя преломления.
- •1.8. Классы волн.
- •1.9. Типы волн. Пояснение к понятию «тип волны».
- •1.11. Дисперсионные характеристики ступенчатого волоконного световода для нескольких первых мод.
- •Часть 2:
- •2.1. Структура основных типов потерь в ов.
- •2.2. Механизм основных потерь в ов.
- •2.3. Обобщённая спектральная зависимость собственных потерь в кварцевом ов.
- •2.4. Потери на изгибах волокна.
- •2.5. Уширение импульсов из-за дисперсии в ов.
- •2.6. Структура видов дисперсии в ов.
- •2.7. Явление временного запаздывания лучей разных мод в вс.
- •2.8. Характер распространения света в вс с различным профилем показателя преломления и дисперсия.
- •2.9. Материальная дисперсия. Скорости распространения света разной длины волны.
- •2.10. Зависимость удельной материальной дисперсии объёмного кварцевого стекла от длины волны.
- •2.11. Зависимость удельной волноводной дисперсии кварцевого волокна от длины волны.
- •2.12. Профиль показателя преломления одномодового волокна со смещённой в область длин волн 1550нм ненулевой дисперсией.
- •2.13. Появление поляризационной модовой дисперсии.
- •Часть 3:
- •3.1. Искажение импульса из-за повторного отражения.
- •3.2 Способ ввода излучения в вс с помощью оптического конуса.
- •3.3 Способ соединение волокна с помощью трубки.
- •3.4 Способы соединения волокна с помощью пластин.
- •3.5 Виды дефектов при торцевом соединении вс.
- •3.6 Схематическое изображение разветвителя х-типа.
- •3.7 Схематическое изображение древовидного разветвителя.
- •3.9 Устройство разветвителя торцевого типа.
- •3.10 Устройство разветвителя с ветвящейся структурой.
- •3.11 Устройство разветвителя с расщеплением пучка.
- •3.14 Схематическое изображение ответвителя.
- •3.15 Устройство биконического сварного ответвителя и ход лучей.
- •3.16 Схематическое изображение звёздообразного разветвителя.
- •Часть 4:
- •4.1. Схематическое представление процессов поглощения и излучения.
- •4.2 Зонная диаграмма уровней энергии электронов двойной гетероструктуры при помощи смещения u.
- •4.5 Структура продольного сечения сид с торцевым и боковым излучением.
- •4.6 Ватт-амперные характеристики сид.
- •4.8 Спектральная характеристика сид.
- •4.9 Форма импульса и время нарастания.
- •4.10 Упрощённая физическая модель лазера.
- •4.11 Структура поперечного сечения полоскового лазера типа n-p-p.
- •4.13 Диаграмма направленности и характер оптического излучения лд.
- •4.14 Спектральная характеристика многомодового и одномодового лд.
- •4.15 Структурная схема пом.
- •4.16 Принципиальная схема простейшего пом.
- •Часть 5:
- •5.1. Процесс перехода электрона в зону проводимости.
- •5.2 Зонная диаграмма энергетических уровней электронов для р-n-перехода при обратном смещении u.
- •5.4 Вольт – амперные характеристики фотодиода.
- •5.5 Процесс образования носителей тока в p-n фотодиоде.
- •5.7 Процесс образования носителей тока в p-I-n фотодиоде и распределение электрического поля в структуре.
- •5.9 Структура продольного сечения лфд.
- •5.10 Процесс образования носителей тока в лфд, возникновение фототока и распределение электрического поля в структуре
- •5.11 Зависимость квантовой эффективности от длины волны для германиевого и кремниевого фотодиодов.
- •5.12 Структурные схемы аналогового и цифрового приёмных оптоэлектронных модулей.
5.2 Зонная диаграмма энергетических уровней электронов для р-n-перехода при обратном смещении u.
Неосновные носители, генерируемые в р- и n-областях на большом расстоянии от границы перехода, вследствие рекомбинации не попадают в обеднённую область, где сосредоточено электрическое поле перехода.
Рисунок 5.2 – Зонная диаграмма энергетических уровней электронов для р-n-перехода при обратном смещении U
Обеднённый слой не имеет свободных носителей, поэтому его сопротивление очень велико, и практически всё падение напряжения приходится на область контакта. В результате электрические силы очень велики в области контакта и пренебрежимо малы в других областях. За счёт напряжения смещения U возникает дополнительное ускоряющее электрическое поле, которое действует на электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне и «растаскивает» носители, появившиеся при поглощении фотона, улучшая тем самым характеристики фотодиода. В результате электроны дрейфуют в n-область, а дырки – в p-область, где вероятность их рекомбинации мала. Величина приложенного напряжения напрямую связана с напряжённостью электрического поля, а, следовательно, и с кулоновской силой, действующей на заряженные частицы.
В идеальном фотодиоде весь падающий свет поглощается в обеднённом слое, и все рождающиеся носители собираются на контактах. Тогда фототок под действием оптической мощности P определяется из выражения , где Р – оптическая мощность, Eф– фото-ЭДС, e – заряд электрона. На практике часть падающего света отражается.
5.4 Вольт – амперные характеристики фотодиода.
Вольт-амперные характеристики ФД в области прямого и обратного смещения p-n-перехода.
Рисунок 5.4 – Вольт-амперные характеристики фотодиода
Фототок может уже возникать за счёт вольтаического эффекта даже при нулевом смещении (конечно при наличии оптической мощности (P)). Здесь изображены три ветви характеристики, соответствующие различным значениям оптической мощности на фоточувствительной площадке. Увеличение светового потока вызывает увеличение фототока. При отсутствии оптической мощности (P=0), ток через ФД не исчезает полностью. Этот ток называется темновым и обычно имеет значение IT∼10-9−10-7. Величина его является важным параметром ФД, поскольку IT определяет значительную долю шумов оптического тракта. Фототок может значительно превышать темновой ток.
5.5 Процесс образования носителей тока в p-n фотодиоде.
Рисунок 5.5 – Процесс образования носителей тока в p-n-фотодиоде
Диод имеет обеднённую область, образованную неподвижными положительно заряженными атомами донора в n-области перехода и неподвижными отрицательно заряженными атомами акцептора в р-области, а также область поглощения падающего света. Ширина обёдненной области зависит от концентрации легирующих примесей: чем меньше примесей, тем шире обеднённый слой. Положение и ширина поглощающей области зависит от длины волны падающего света и материала, из которого изготовлен фотодиод. Чем сильнее поглощается свет, тем тоньше поглощающая область. Когда поглощаются фотоны, электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости и образуются электронно-дырочные пары. Если такие пары создаются в обеднённой области, электроны и дырки под влиянием сильного поля в этой области будут быстро дрейфовать в обе стороны (электроны в n-слой, а дырки в p-слой) и в цепи смещения возникнет ток. Если электронно-дырочная пара образуется вне обеднённой области, то дырка вначале диффундирует в направлении градиента концентрации, а уже затем попадёт на внешний контакт. Так как процесс диффузии по сравнению с дрейфом происходит медленнее, то желательно, чтобы большая часть света поглощалась в обеднённой области. Увеличение этой области достигается уменьшением концентрации легирующей примеси в n-слое. Слабо легированный n-слой можно считать теперь собственным, т.е. i-слоем (от англ. intrisic – собственный). Если теперь добавить сильно легированную n-область, то получим известную p-i-n-структуру.
5.6 р-i-n-фотодиод.
p-i-n-фотодиод получил своё название благодаря структуре слоёв полупроводниковых материалов, из которых он образован:
Рисунок 5.6 – Структура продольного сечения p-i-n-фотодиода
где 1 – тонкий слой полупроводника p-типа с концентрацией основных носителей (дырок) Nр на несколько порядков выше, чем у собственного полупроводника; 2 – слой собственного полупроводника i-типа (обеднённый слой); 3 – слой полупроводника n-типа с концентрацией основных носителей (электронов) Nn на несколько порядков выше, чем у собственного полупроводника; 4 – изолирующий слой SiO2; 5 – отрицательный контакт, обеспечивающий подачу отрицательного потенциала на полупроводниковый слой 1; 6 – просветляющее покрытие, нанесённое на внешнюю поверхность слоя 1, представляет собой тонкую плёнку вещества толщиной λ/4, что уменьшает потери на отражение; 7 – положительный контакт, нанесённый на внешнюю поверхность слоя 3. Оптическое излучение проникает внутрь ФД через просветляющее покрытие 6 и область 1, где поглощение фотонов практически не происходит, из-за высокой концентрации основных носителей (дырок) в слое 1. Все верхние энергетические уровни валентной зоны лишены электронов, поэтому фотон не может перевести электрон в зону проводимости, не создаёт электронно-дырочную пару. Из-за существенной разности в концентрациях носителей проводимость слоя 2 оказывается значительно ниже, чем у 1-го и 3-го. Это означает, что напряжение U на контактах 5 и 7 оказывается практически полностью приложенным к границам области 2. Поглощение фотонов и рождение электронно-дырочных пар происходит именно в слое 2, где фотоны эффективно поглощаются за счёт практически полного заселения электронами верхних энергетических уровней валентной зоны. Это обусловлено малым значением концентрации основных носителей (дырок). Электрическое поле выводит появившиеся носители тока к областям 1 и 3. Ширина слоя 2 выбирается, исходя из того, что все влетевшие в неё фотоны должны быть поглощены, что обеспечивает максимально возможное значение фототока – для этого ширину слоя необходимо увеличивать, а так же из-за того, что созданные электронно-дырочные пары за возможно более короткий интервал времени должны достигнуть областей 1 и 3, что обеспечивает максимальное быстродействие фотодиода – для этого ширину слоя 2 необходимо уменьшать. Эти два требования альтернативны. При разработке ФД всегда выбирают компромиссный вариант.