Оптоэлектроника - Карих Е.Д.
Скачать (прямая ссылка):
На рис. 8.5 б показан фрагмент строки многоэлементного приемника на основе МДП-структуры. Заряд дырок, накопленный при освещении под каждым полупрозрачным металлическим электродом, может быть передвинут вдоль строки при подаче на соседний электрод более высокого напряжения (при этом дырки диффундируют в более глубокую потенциальную яму). Таким способом электрический сигнал может быть проведен по строке и выведен во внешнюю цепь. Аналогичным образом получают сигналы и от других элементов и строк. Таким образом, отдельные фоточувствительные элементы взаимодействуют, передавая друг другу заряды через толщу полупроводника. Именно поэтому такие структуры получили название приборов с зарядовой связью (ПЗС).
Величина накопленного заряда зависит от мощности падающего излучения и времени его действия. Этот заряд сохраняется достаточно долго (порядка десятых долей секунды). Заметим, что высокая чувствительность ПЗС-приемника обусловлена как раз тем, что он работает в условиях накопления светового воздействия. Тактовая частота выборки сигнала обычно составляет от 0,1 МГц до сотен мегагерц, хотя известны приборы и со значительно более высокой частотой выборки. Фоточувст-вительные элементы приемника имеют размеры порядка 8 - 25 мкм и располагаются на расстояниях порядка 3 мкм друг от друга. Число элементов в ПЗС-линейках достигает 2048, в матрицах - 500 х 400.
Материалами для ПЗС-приемников служат кремний (Si), германий (Ge), сульфид кадмия (CdS), сульфид цинка (ZnS), селенид кадмия (CdSe), антимонид индия (InSb) и другие полупроводники.
54
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Лекция 9. ТРАНСПОРТИРОВКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Между источником излучения и фотоприемником всегда имеется среда, через которую проходит световой поток. В оптических системах передачи информации используются специальные направляющие системы, функцией которых является уменьшения потерь при распространении излучения от источника к приемнику. Известно несколько типов оптических направляющих систем (линзовые, зеркальные, диафрагменные, полые волноводные и др.). Однако к настоящему времени они практически утратили свое значение в связи с появлением оптических волокон, позволяющих передавать световые сигналы на большие расстояния с минимальными потерями и искажениями.
Распространение света в оптическом волокне. Передача излучения по оптическому волокну основана на эффекте полного внутреннего отражения. В самом простом варианте оптическое волокно представляет собой тонкую цилиндрическую нить из прозрачного диэлектрика с показателем преломления п1 большим, чем показатель преломления окружающей среды. На практике процесс передачи света по тонкой нити был бы сильно подвержен влиянию окружающей среды и внешних воздействий, нарушающих полное внутреннее отражение на открытой поверхности нити. По этой причине, а также в связи с низкой прочностью нити, ее окружают оболочкой с меньшим показателем преломления n2 (рис. 9.1 и 9.2). В этом случае центральную светопроводящую нить называют сердцевиной волокна. Оболочка граничит со свободным пространством или покрывается снаружи непрозрачным защитным слоем.
Рис. 9.1. Траектории лучей (а), распределение показателя преломления (б) и сечение ступенчатого оптического волокна (в):
1 - волна сердцевины; 2 - волна оболочки; 3 - пространственная волна
При полном внутреннем отражении часть энергии световой волны все же проникает в оболочку, поэтому для предотвращения потерь энергии ее изготавливают из оптически прозрачного материала.
Двухслойное волокно с резким скачком показателя преломления на границе сердцевины и оболочки называется ступенчатым волокном
55
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
(рис. 9.1). Волокно с плавным распределением показателя преломления по сечению называется градиентным волокном (рис. 9.2). Заметим, что короткий отрезок градиентного волокна действует как собирающая линза. Поэтому градиентные волокна называют также селфоками (от английского self-focusing - самофокусирующий).
Рис. 9.2. Траектории лучей (а), распределение показателя преломления (б) и сечение градиентного оптического волокна (в):
1 - профильная волна; 2 - волна оболочки; 3 - пространственная волна
Рассмотрим распространение света в волокне со ступенчатым распределением показателя преломления (рис. 9.1). Для строгого анализа этого процесса необходимо использовать уравнения Максвелла. Решение системы уравнений Максвелла для интересующего нас случая достаточно сложно. Поэтому будем рассматривать свет как пучок лучей, распространяющихся согласно законам геометрической оптики. Область применимости полученных результатов будет ограничена условием малости длины волны распространяющегося излучения по сравнению с радиусом сердцевины волокна.
Излучение, входящее в сердцевину с торца, будет распространяться без потерь при отражениях от границы с оболочкой, если угол падения на границу раздела будет превышать критический угол полного внутреннего отражения. Найдем максимальный угол а, при котором еще будет выполняться данное условие. Если свет падает на торец волокна из воздуха, на основании закона преломления можно записать:
