3.4.2 Оптический приемник

Приёмные оптические модули (ПРОМ) являются важными элементами волоконно-оптических систем. Их функция - преобразование оптического сигнала, принятого из волокна, в электрический, который обрабатывается далее электронными устройствами.

Основными элементами ПРОМ являются фотоприёмник, преобразующий полученный оптический сигнал в электрический, и каскад электрических усилителей, усиливающих сигнал и преобразующих его в форму, пригодную для обработки.
Фотодетектор, как и источник оптического излучения, должен отвечать определенным требованиям, а именно: обладать высокой чувствительностью и быстродействием, вносить минимальные шумы в приемную систему, отличаться стабильностью рабочих характеристик, иметь небольшие размеры, быть высоконадежным и недорогим.

Полнее всего этим требованиям удовлетворяют полупроводниковые фотодетекторы.

Принцип работы фотоприемника. Среди полупроводниковых фотодетекторов наибольшее применение в ВОСП получили pin-фотодиоды (ФД) и лавинные фотодиоды (ЛФД). В основе работы фотоприёмника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещённой зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). Если к полупроводнику приложить напряжение, то появится электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной  зоне.
Эффективная регистрация генерируемых в полупроводнике электронно-дырочных пар обеспечивается путём разделения носителей заряда. Для этого используется полупроводниковая конструкция с р-n-переходом, которая называется фотодиодом.

p-i-n-фотодиод. Отличительной особенностью p-i-n - фотодиода является наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями p⁺- и n⁺-типа (+ означает сильное легирование) (рис. 3.29).

Такой i-слой называется обеднённым слоем, поскольку в нём нет свободных носителей. Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, поэтому всё напряжение падает на i-слое и в нём создаётся максимальное значение электрического поля. Но поскольку в i-слое нет свободных носителей, то в нём нет и электрического тока.

Рис. 3.29 Схема структуры p-i-n - фотодиода

При наличии падающего на i-слой излучения в нём образуются свободные электронно-дырочные пары, которые под воздействием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам, образуя электрический ток. Электрический ток идёт до тех пор, пока образуются электронно-дырочные пары, то есть пока на фотодиод падает свет. Эффективным является взаимодействие излучения только с i-слоем, поэтому его делают протяжённым, а крайние слои узкими.

Лавинные фотодиоды. Главное отличие ЛФД от обычного фотодиода - наличие внутреннего усиления сигнала. Если структура слоев у обычного фотодиода имеет вид p⁺-i-n⁺, то в ЛФД добавляют р-слой (p⁺-i-p-n⁺). Причём профиль распределения легирующих примесей выбирается так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряжённость электрического поля имел р-слой.

При воздействии света на i-слой образуются электронно-дырочные пары и благодаря небольшому полю происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам (рис. 3.30).

Рис. 3.30 Схема структуры лавинного фотодиода

Лавинные фотодиоды имеют преимущество перед p-i-n-фотодиодами по чувствительности. Однако они обладают рядом недостатков по сравнению с p-i-n-фотодиодами. Основными недостатками ЛФД являются более высокое рабочее напряжение питания по сравнению с p-i-n-фотодиодами и довольно сильная зависимость коэффициента умножения от температуры. Другими недостатками являются меньшая надёжность и относительно высокая стоимость. Поэтому в ВОЛС более широко используются - p-i-n-фотодиоды.

Основным параметром оптического приемника является пороговая чувствительность (минимально допустимый уровень мощности принимаемого оптического сигнала), квантовая эффективность и время отклика.

Квантовой эффективностью называется отношение числа первичных пар электрон-дырка к числу падающих на материал диода фотонов. Данный параметр является либо безразмерным, либо выражается в процентах. Квантовая эффективность 1, или 100%, означает, что каждый поглощенный фотон приводит к образованию электронно-дырочной пары.

Временем отклика называется время, которое требуется фотодиоду для преобразования поступающей оптической энергии в электрический ток.

Чувствительность современных p-i-n составляет величину от 10нВт до 100пВт (что соответствует -50 дБм - -70 дБм).