Большая База Данных Рефератов - Характеристики компонентов волоконно-оптических систем передачи

Рус Укр Eng

Характеристики компонентов волоконно-оптических систем передачи

)0,75 мкм - инфракрасная (ИК);

2) 0,3950,75 мкм - видимая (видимый свет);

3)0,395 мкм - ультрафиолетовая (УФ).

Каждая из этих областей делится на несколько поддиапазонов (см. рис. 1.1).

Как известно, свет обладает одновременно волновой и корпускулярной природой. В волновом аспекте он представляет собой электромагнитные колебания, излучаемые атомами вещества при изменении их энергетического состояния. Эти волны распространяются в вакууме со скоростью с = 299792458 м/с, а в веществе с меньшей скоростьюгде показатель преломления среды. Частота V и длина волны А. связаны соотношениемт.е. в вакууме

Световая монохроматическая волна создается взаимно ортогональными и синусоидально изменяющимися во времени и пространстве электрическим и магнитным полями, перпендикулярными направлению ее распространения. Световая волна может быть когерентной, если все атомы вещества излучают волны, фаза и направление распространения которых совпадают, либо некогерентной, если каждый атом излучает оптическую волну, имеющую независимые фазу и направление распространения, случайным образом меняю щиеся во времени. Фотоны рассматриваются как корпускулы, когда речь идет о взаимодействии света с веществом. В этом случае монохроматическое излучение можно представить как поток элементарных частиц, каждая из которых обладает элементарной энергией, где= 6,626 * 10-34 Дж * с - постоянная Планка. В веществе электроны связаны с атомами, и чтобы стать свободными, они должны получить энергию, равную энергии их связи. При поглощении фотона атомом происходит освобождение электрона, если т.е.. Максимальная длина волны излучения, способная вызвать освобождение электрона, называется пороговой длиной волныт. е.[мкм] = 1,237/[эВ].

Таблица 3.1 Основные энергетические и фотометрические величины

Рис. 3.1. Спектр электромагнитных излучений [1]

3.2 Энергетическая фотометрия

Величины, относящиеся к оптическому излучению, можно оценивать либо с учетом произведенного зрительного впечатления (визуальная фотометрия), либо исключительно по количеству энергии, ее распределению в пространстве и времени (энергетическая фотометрия). Основным параметром системы энергетических величин является поток излучения- средняя

мощность, передаваемая оптическим излучением за время, значительно большее периода электромагнитных колебаний.

Спектральный состав излучения характеризуется спектральным распределением потока излучения - функцией. Таким образом, мощность, переносимую потоком излучения во всем интервале длин волн, определяют

(1.1)

Основные величины, характеризующие энергетические и визуальные параметры оптического излучения, приведены в табл. 1.1 [2, 3].

В некоторых случаях, когда в качестве основного параметра при описании энергетической системы принимают энергию излучения, связь энергии с потоком излучения можно записать в дифференциальной форме

Оба варианта описания равнозначны и отличаются разве что формой написания основных формул. Рассмотрим подробнее основные фотометрические величины.

Энергетическая сила света (сила излучения) - пространственная плотность потока излучения, определяемая отношением потока излученияк телесному углу(в стерадианах), в пределах которого заключен этот поток

где- телесный угол, имеющий в вершине источник излучения, определяется как отношение площади сферической поверхностивнутри конуса этого угла к квадрату радиуса сферы (рис. 1.2)

Энергетическая светимость Мс(поверхностная плотность потока излучения) - поток излучения, отнесенный к единице площади излучающей поверхности

где- площадь поверхности источника излучения. Необходимо отметить,

что светимость недостаточно полно характеризует параметры излучателя, и для полной характеристики необходимо знать направленность потока излучения.

Энергетическая яркость -сила излучения с единицы излучающей поверхности в данном направлении, отнесенная к площади ортогональной проекции излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную указанному направлению (рис. 3.2)

,(1.6)

где- угол между нормалью К излучающей поверхности и направлением, в котором производится изме-

„с. 3.2. Пояснения к определению силы света

рение силы излучения;- энергетическая сила света в направлении

- площадь элемента поверхности источника. Необходимо отметить, что яркость не является основной характеристикой источника. Например, у двух излучателей, обладающих одинаковой яркостью, но разной площадью светящейся поверхности, можно с помощью оптической системы уравнять наблюдаемые площади свечения. В этом случае излучатель с большей активной площадью окажется ярче в число раз, равное отношению (если

принять).

Энергетическая освещенность (плотность мощности) - мощность потока излучения, приходящаяся на единицу площади облучаемой поверхности

(1.7)

где- площадь облучаемой поверхности.

В случае, когда приходится иметь дело с равнояркими источниками, для определения силы света и потока излучения от тел простой формы легко получить следующие расчетные формулы:

Рис. 1.4. Диаграммы направленности равноярких излучателей: а - плоского; б - шарообразного; в - цилиндрического

для плоской излучающейв одну сторону площадки (рис. 1.4, а)

для шара диаметром(рис. 1.4, б)

для цилиндра с неизлучающимиторцами (рис. 1.4,в)

Связь между интегральными и спектральными характеристиками определяется выражениями

3.3 Визуальная фотометрия

При определении мощности излучения по производимому им световому ощущению, т.е. по реакции глаза человека, пользуются световым потоком и другими соответствующими величинами (см.табл.1.1). Причем учет чувствительности глаза к различным участкам видимого спектра производится с помощью кривой относительной спектральной световой эффективности У(Х) (старое название - кривая дневной видности) (рис. 1.5).

Для длины волны= 0,555 мкм эта чувствительность максимальна:= 1,0. Различные величины в визуальной фотометрии можно оценить умножением соответствующей энергетической величины на коэффициент где- кривая видности, а - эмпирический коэффициент, который взят из определения канделы*. Тогда

для монохроматического излучения с диной волныможно записать

Для непрерывного спектра излучений полный поток можно получить суммированием потоков, соответствующих различным длинам волн спектра

где величинапредставляет собой поток заключенный в диа-

пазоне от Если в качестве пределов интегрирования подставить

значения 0,38 и 0,76 мкм, соответствующие границам видимого диапазона, то можно оценить эффективный поток для человеческого глаза. Аналогичным образом может быть проведена оценка и для любого другого селективного фотодетектора. В этом случае в формулу (1.17) необходимо подставить вместо кривой видностифункцию относительной спектральной чувст-

вительности детектора

Выражения, аналогичные (1.16) и (1.17), можно записать для любой величиныв визуальной фотометрии из соответствующей ей энергетической величиныТогда для монохроматическогоизлучения

а для непрерывного спектра излучений, заключенного между длинами волн соответственно имеем

В таб. 1.2 приведены оценочные значения величин яркости и освещенности, создаваемых различными источниками света.

4. ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

4.1 Классификация приемников излучения

Приемник оптического излучения (фотоприемник, ФПМ) - это опто-электронный прибор, предназначенный для приема и преобразования оптического излучения в какие-либо другие виды энергии. По механизму преобразования энергии можно разбить на три основные группы (рис. 2.1) [4,5]:

фотоэлектрические, работающие на основе внутреннего и внешнего фотоэффекта:

тепловые, преобразующие оптическую энергию сначала в тепловую, а потом в электрическую или какую-либо иную;

фотохимические, преобразующие энергию излучения в энергию химических реакций.

4.2 Параметры и характеристики ФПМ

Для описания технических свойств ФПМ с целью их эффективного применения разработана система параметров и характеристик - ГОСТ 21934-83 и ГОСТ 20526-82. В этом разделе рассмотрим те из них, которые наиболее важны при разработке электронных устройств на основе оптоэлек-тронных приборов [6, 7].

2.2.1. Параметры напряжений, сопротивлений и токов ФПМ

Рабочее напряжение- постоянное напряжение, приложенное к ФПМ, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе.

Темновой ток- ток, протекающий через ФПМ при указанном напряжении на нем в отсутствие потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности.

Фототок- ток, проходящий через ФПМ при указанном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спектральным распределением.

Общий ток- ток ФПМ, состоящий из темнового тока и фототока.

Напряжение (ток) фотосигнала- изменение напряжения (тока) на ФПМ, вызванное действием на ФПМ потока излучения источника фотосигнала.

Темновое сопротивление- сопротивление ФПМ в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности.

Световое сопротивление- сопротивление ФПМ при воздействии на него потока излучения в диапазоне его спектральной чувствительности.

Рис. 2.1. Классификация приемников оптического излучения

4.2.2 Параметры чувствительности фотоэлектронных приборов

1. Чувствительность- отношение изменения значения электрической величины на выходе ФПМ, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения, представленной любой энергетической или фотометрической величиной. Наиболее часто используются:

чувствительность ФПМ к потоку излучения;

чувствительность к световому потокуили

чувствительность к облученности;

чувствительность к освещенностиили

вольтовая чувствительность

токовая чувствительность

Интегральная чувствительность- чувствительность ФПМ к излучению данного спектрального состава.

Монохроматическая чувствительность- чувствительность ФПМ к монохроматическому излучению.

Наклон люксометрической характеристики фоторезистора- тангенс угла наклона линейного участка люксометрической характеристики, построенной в двойном логарифмическом масштабе.

4.2.3 Пороговые и шумовые параметры ФПМ

1. Напряжениешума ФПМ - среднее квадратичное значение флуктуации напряжения (общего тока) в цепи ФПМ в заданной полосе частот.

2. Порог чувствительности- среднее квадратичное значение первой гармоники действующего на ФПМ модулированного потока излучения сигнала с заданным спектральным распределением, при котором среднее квадратичное значение первой гармоники напряжения (тока) фотосигнала равно среднему квадратичному значению напряжения (тока) шума в заданной полосе на частоте модуляции потока излучения.

3. Порог чувствительности в единичной полосе частотили ЫЕР
среднее квадратичное значение первой гармоники действующего на ФПМ
модулированного потока излучения источника фотосигнала с заданным
спектральным распределением, при котором среднее квадратичное значение
первой гармоники напряжения (тока) фотосигнала равно среднему квадра
тичному значению напряжения (тока) шума, приведенному к единичной по
лосе на частоте модуляции потока излучения.

4. Удельный порог чувствительностиили - порог чувствительности, приведенный к единичной полосе частот и единичному по площади фоточувствительному элементу.

5. Обнаружительная способность- величина, обратная порогу чувст вительности,

6. Удельная обнаружительная способность - величина, обратная удельному порогу чувствительности,

4.2.4 Параметры спектральной характеристики ФПМ

1. Длина волны максимума спектральной чувствительности ^.„акс ~ длина волны, соответствующая максимуму спектральной характеристики чувствительности.

Коротковолновая (длинноволновая) граница спектральной чувствительности- наименьшая (наибольшая) длина волны монохроматического излучения, при которой монохроматическая чувствительность ФПМ равна 0,1 ее максимального значения.

Область спектральной чувствительности- диапазон длин волн спектральной характеристики, в котором чувствительность ФПМ составляет не менеесвоего максимального значения.

4.2.5 Геометрические параметры ФПМ

1. Эффективная фоточувствительная площадь ФПМ (АЭф) _ площадь фоточувствительного элемента эквивалентного по сигналу ФПМ, чувствительность которого равномерно распределена по фоточувствительному элементу и равна номинальному значению локальной чувствительности данного ФПМ. Определяется соотношением

где- номинальное значение локальной чувствительности в точке

(обычно центр чувствительного элемента в ФПМ); А - полная площадь чувствительного элемента ФПМ: - чувствительность к потоку излучения точки на фоточувствительном элементе ФПМ с координатами

Плоский угол зрения- угол в нормальной к фоточувствительному элементу плоскости между направлениями падения параллельного пучка излучения, при которых фотосигнал уменьшается до заданного уровня.

Эффективное поле зрения- телесный угол, определяемый соотношением

где- напряжение фотосигнала;- азимутальный угол;- угол между направлением падающего излучения и нормалью к фоточувствительному элементу.

4.2.6 Параметры инерционности ФПМ

1. Время нарастания (спада)илисоответственно - ми нимальный интервал времени между точками нормированной переходной (обратной переходной) характеристики со значениями 0,1 и 0,9 соответственно.

2. Время установления переходной характеристики ФПМ по уровню - минимальное время от начала импульса излучения, по истечении

которого максимальное отклонение нормированной переходной характеристикиот установившегосязначения не превышает

3. Предельная частота ФПМ- частота синусоидально модулированного потока излучения, при которой чувствительность ФПМ падает до значения 0,707 от чувствительности при немодулированном напряжении.

4. Емкость ФПМ С - собственная емкость ФПМ.

4.2.7 Спектральные характеристики ФПМ

Спектральная характеристика чувствительности- зависимость монохроматической чувствительности ФПМ от длины волны регистрируемого потока излучения.

Абсолютная спектральная характеристика чувствительности-зависимость монохроматической чувствительности, измеренной в абсолютных единицах от длины волны регистрируемого потока излучения.

3. Относительная спектральная характеристика чувствительности зависимость монохроматической чувствительности, отнесенной к значению максимальной монохроматической чувствительности, от длины волны регистрируемого потока излучения.

2.2.8. Основные характеристики зависимости параметров ФПМ

Энергетическая характеристика фототока ФПМ- зависимость фототока от потока или плотности потока излучения, падающего на ФПМ.

Энергетическая характеристика напряжения(токаI фотосигнала - зависимость напряжения (тока) фотосигнала от потока или плотности потока излучения падающего на ФПМ.

Частотная характеристика чувствительности ФПМ- зависимость чувствительности ФПМ от частоты модуляции потока излучения.

4. Переходная (обратная переходная) нормированная характеристика - отношение фототока, описывающего реакцию ФПМ в зависимости от

времени, к установившемуся значению фототока при воздействии импульса излучения в форме единичной ступени (при резком прекращении воздействия излучения).

Устройство р-i-п-фотодиода

В предыдущем разделе мы рассмотрели взаимодействие света с ри-переходом. На основе-переходов функционирует основная масса современных ФПМ. К числу наиболее простых и распространенных ФПМ относятсяфотодиоды (ФД). Такие ФД представляют собой трехслойную структуру, в которой между слоямитипов находится слаболегированный тонкийслой, или, как говорят, слой с собственной проводимостью. Такая структура позволяет сформировать тонкий высоколегированный ¦слой, практически полностью пропускающий падающее излучение, на поверхностислоя с собственной проводимостьютипа. Как известно, распространение обедненного слоя внутрь материала пропорционально удельному сопротивлению материала; особенно широк этот слой, следовательно, на границах

Обратного напряжения в несколько вольт достаточно, чтобы обедненная область распространилась на весьслой. Ширинаслоя выбирается таким

Рис. 2.20.Конструкция и диаграмма, поясняющие действиефотодиода:

а - структурафотодиода; б - распределение заряда в-структуре; в - распределение напряженности поля вструктуре; г - распределение потенциала в обратносмещенной

структуре

образом, чтобы обеспечить практически полное поглощение падающего излучения, что позволяет получить высокую квантовую эффективность. Поперечное сечениефотодиода, а также распределение концентраций зарядов, напряженности электрического поля и потенциала вструктуре при обратном смещении, представлено на рис. 2.20. Считая в первом приближении поле внутрислоя однородным, можно записать

где- напряжение обратного смещения, приложенное к электродам ФД;

Страницы: 1, 2, 3, 4

Меню

Характеристики компонентов волоконно-оптических систем передачи