Важность оптических детекторов

Оптические детекторы, как следует из названия, могут определять количество полученного света. С одним из таких детекторов для смартфонов вы можете познакомиться на этом сайте. Наши собственные глаза — это пара детекторов, поскольку они могут получать световую информацию сетчаткой и передавать эти световые данные в наш мозг. В видимом спектре света наши глаза — отличные детекторы для проверки разрыва волокна или утечки света. Однако большая часть оптоволокна работает в невидимом спектре длин волн, где человеческий глаз не может видеть. Вот тут-то и пригодятся оптические детекторы..

Фотоэлектрический эффект

Невозможно объяснить, как работают оптические детекторы, без упоминания фотоэффекта. Проще говоря, металл высвобождает электроны, если в него попадают фотоны. Это явление впервые наблюдал немецкий ученый Генрих Герц, который только опубликовал свои наблюдения. Это был Альберт Эйнштейн, который позже изучил этот эффект и количественно определил дискретную световую энергию в виде фотонов в одной из своих знаменитых работ, принесших ему Нобелевскую премию в 1921 году. Вакуумные фотодиоды и фотоумножители используют эту технологию и могут преобразовывать световой сигнал обратно в электрический сигналы. Одним из критических параметров для характеристики детектора является чувствительность. Это отношение выходного электрического тока к входной оптической мощности в единицах А / Вт.

В конце мы сравним чувствительность разных детекторов и сделаем правильный выбор для каждого приложения.

Вакуумный фотодиод и фотоумножитель

Вакуумный фотодиод (или фототрубка) в основном состоит из катода и анода. Когда катод обнаруживает фотоны, электроны излучаются в соответствии с фотоэлектрическим эффектом, и ток будет проходить через цепь, поскольку электроны притягиваются к аноду. На следующем рисунке показано, как работает вакуумный фотодиод

Ограничение вакуумной трубки заключается в том, что она физически слишком велика и работает в диапазоне длин волн ниже, чем требуется для оптоволоконной связи. Другая проблема заключается в том, что для его питания требуется большое напряжение. Типичная чувствительность вакуумного фотодиода составляет мА / Вт.

Фотоумножитель, с другой стороны, работает более эффективно благодаря встроенному механизму усиления. Помимо анода и катода, он также имеет серию «динодов» для ускорения электронов.

Как и в вакуумной лампе, электроны излучаются после поглощения фотонов катодом. Однако испускаемые электроны притягиваются промежуточными динодами, имеющими очень высокое напряжение. Что так хорошо в динодах, так это то, что может быть испущено более одного электрона, когда к нему притягивается только один электрон. Это называется вторичной эмиссией, вызванной электронами с высокой кинетической энергией. Теперь каждый электрон становится более чем одним электроном после попадания в каждый динод, вызывая серию умножений, что в конечном итоге приводит к усилению электрического сигнала.

Коэффициент усиления на каждом диноде составляет около 5, поэтому, если в лампе 3 динода, общее увеличение будет 125 (5x5x5). На самом деле в каждом фотоумножителе обычно от 5 до 10 динодов, поэтому фактическое усиление исчисляется миллионами. Лампы фотоумножителя высокоскоростные, но также потребляют сотни напряжений для питания каждого динода. Он тяжелый и большой, размером почти с ручную гранату4. К сожалению, фотоумножители не подходят для оптоволоконной связи.

Полупроводниковый фотодиод

Как и оптические передатчики, наиболее эффективные оптические детекторы для оптоволоконной передачи также изготавливаются из полупроводниковых материалов. Детальный механизм их работы очень сложен, поэтому я опущу электрохимию и сосредоточусь на том, как фотоны превращаются в электроны.

Когда свет падает на pn переход (фундаментальный компонент любого полупроводника) в виде фотонов, каждый фотон должен иметь достаточно энергии, чтобы освободить электрон. После того, как электрон улетит, останется дырка, и она будет двигаться к аноду, в то время как электрон движется к катоду — поэтому возникает электрический ток. На изображении ниже каждый белый кружок представляет собой отверстие, азолотой круг представляет собой электрон. 5

Область между p-областью и n-областью называется зоной истощения, областью с высоким сопротивлением, в которой поглощаются фотоны. Когда некоторые фотоны попадают в область истощения, немедленно возникает ток.

PIN-фотодиод

Между p-областью и n-областью добавляется еще один слой, называемый внутренним слоем, чтобы расширить зону истощения, увеличивая вероятность того, что фотоны непосредственно поглощаются в этом слое. На следующей диаграмме 5 показан расширенный внутренний слой между p-областью и n-областью.

Эти полупроводниковые фотодиоды обычно изготавливаются из кремния или германия и имеют пиковую чувствительность 0,5–1 А / Вт, что считается огромным улучшением по сравнению с электронными лампами. Они также универсальны с длиной оптической волны от 300 до 1700 нм. Размер каждого полупроводника аналогичен размеру светодиода, который можно легко припаять к печатной плате. Кроме того, вам не нужно беспокоиться о соединении волокон, как в случае со светодиодами, потому что площадь детектора значительно больше диаметра волокна, что приводит к приему фотонов практически без потерь.

Лавинный фотодиод

Представьте, как было бы хорошо, если бы вы могли объединить высокое усиление фотоумножителя с чувствительностью и малой занимаемой площадью PIN-диода? Вы можете проверить это с помощью лавинного фотодиода или APD, который представляет собой разновидность PIN-диодов с внутренним усилением. Однако в отличие от фотоумножителей, которые используют несколько динодов для ускорения и дублирования электронов, механизм усиления APD работает путем приложения большого напряжения к парам электрон-дырка, преобразованным из фотонов, так что они сталкиваются с другими атомами, выбивая из них больше электронов. Эти новые электроны могут далее сталкиваться с большим количеством атомов, следовательно, быстро генерировать больший ток в процессе Лавины. Ниже представлена ​​упрощенная схема APD5.

Коэффициент усиления такого ЛФД, хотя и не будет исчисляться миллионами, как у фотоумножителя, варьируется от десятков до сотен. Таким образом, если фотодиод на кремниевом PIN-коде имеет чувствительность 0,5 А / Вт, чувствительность кремниевого ЛФД будет 75 А / Вт при условии, что коэффициент усиления составляет 150 в том же оптическом диапазоне длин волн.