Оптоэлектроника - Карих Е.Д.
Скачать (прямая ссылка):
(6.8)
Так как вероятность наложения одного импульса на другой увеличивается с увеличением мощности принимаемого излучения, метод счета фотонов пригоден для приема только слабых световых потоков.
Когерентный прием излучения. В этом методе исследуемое оптическое излучение смешивается на фотодетекторе с излучением от опорного источника (лазера) (рис. 6.3). Пусть напряженности электрических полей принимаемой и опорной световых волн равны:
E = E0 e - (ш+ф0), Et = El0 e -i ш+ф10). (6.9)
Если поляризации и волновые фронты полей совпадают, то
I=
ne
¦ uA ^ (E + Ei )(e *+ E*).
2
E
Рис. 6.3. Схемы приема излучения в методах прямого фотодетектирования (а) и фотосмешения (б):
1 - фотодетектор; 2 - светоделительный элемент (оптический
смеситель)
E
2 б 1
E,
(6.10)
J
I
Раскрывая скобки и подставляя E и Et в явном виде, получаем:
38
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
I =
uAss 0 ne 2Пт
{e02 + ei20 + 2E0Ei0 cos [(m - mi)t + Ф0 - Ф0 ]}. (6.11)
Используя соотношение (6.2), можно записать:
2 ^ . 2
E 02 =
P,
E10 =
uAss0
P,.
1 = ne {p + Pi + 24PPi cos [(m - mi)t + Ф0 - Ф,0]}.
Пт
(6.12)
(6.13)
Таким образом, выходной ток фотодетектора содержит постоянные составляющие, обусловленные прямым фотодетектированием исследуемого и опорного полей, а также составляющую на разностной частоте (m - mt). Так как амплитуда фототока на разностной частоте зависит от
мощности опорного излучения, существует возможность "усиления" слабого полезного сигнала за счет мощного опорного излучения. Кроме того, в фототоке сохраняется информация о частоте и фазе принимаемой световой волны. Третьей особенностью является перенос информации о частоте и фазе принимаемого излучения из оптической области (ю) в область радиочастот (m - mt). Это позволяет производить спектральный анализ полей с недоступным для обычной оптики разрешением вплоть до долей герца на уровне оптической несущей ~ 5 • 1014 Гц.
Режим фотосмешения, при котором ю, ф ю, называется оптическим
гетеродинированием, а при ю, = ю - оптическим гомодинированием. Термин когерентный прием излучения означает, что информацию о частоте и фазе можно извлекать только при взаимной когерентности исследуемого и опорного полей. Поэтому практическая реализация когерентного приема стала возможной только с появлением лазеров.
Предположим теперь, что угол между фронтами взаимодействующих волн равен в (рис. 6.4). Для того чтобы составляющие фототока от элементарных участков фотоповерхности dz не погасили друг друга, необходимо чтобы рассогласование фаз двух волн в точках 0 и z = a (a -размер площадки по оси z) не превышало 2п, т. е.
Рис. 6.4. К оценке предельно допустимого угла рассогласования для плоских волн при фотосмешении
L0
dl = a sin в » ав < X .
(6.14)
Отсюда следует, что предельно допустимый угол рассогласования между волновыми фронтами составляет:
39
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
2
в <-. (6.15)
a
Если положить 2 = 0,63 мкм (He-Ne-лазер) и a = 200 мкм (фотодиод ЛФД-2), то угол рассогласования должен быть менее 11 угловых минут.
Классификация приемников оптического излучения. По виду энергии, в которую преобразуется оптическое излучение, фотодетекторы делятся на тепловые, фотонные и фотохимические.
В тепловых приемниках оптическая энергия сначала преобразуется в тепловую, а затем происходит температурное изменение параметров приемника. К ним относятся: термоэлементы; болометры; пироэлектрические; оптико-акустические и другие приемники.
Действие фотонных приемников основано на непосредственном изменении их электрических свойств под действием света. Фотонные приемники подразделяются на: фотоэлектронные, в основе работы которых лежит явление внешнего фотоэффекта, и фотоэлектрические, использующие явление внутреннего фотоэффекта в полупроводниках.
К фотоэлектронным приемникам относятся фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи, передающие телевизионные трубки различных типов. Ввиду наличия вакуумируемого объема, больших размеров и высоковольтного питания они представляют меньший интерес для оптоэлектроники, чем монолитные твердотельные фотодетекторы.
Внутренний фотоэффект в проявляется в двух формах: эффекта фотопроводимости (изменение сопротивления фотодетектора под действием света) и фотогалъванического эффекта (возникновение фото-ЭДС в структурах с внутренними потенциальными барьерами).
В фотохимических приемниках (фотопластинка, глаз человека) энергия излучения вызывает химические процессы, по результатам которых судят об интенсивности падающего светового потока.
Шумы при фотодетектировании. К фундаментальным (неустранимым) видам шумов относятся тепловой и дробовый шумы.
Тепловой шум. Этот шум, называемый также джонсоновским шумом или шумом Найквиста, обусловлен хаотическим тепловым движением носителей заряда, в результате чего на концах любого омического сопротивления возникает напряжение, среднеквадратичное значение которого определяется формулой Найквиста:
