Лазеры, модуляторы и приемники оптических сигналов

3 - непрозрачное зеркало;
4 - полупрозрачное зеркало;
5 - лазерный луч.

Гелий-неоновый лазер
Светящийся луч в центре — это не собственно лазерный луч, а электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Луч проецируется на экран справа в виде светящейся красной точки.

«обратно» должна складываться в фазе сама с собой, т.е. фазовый набег должен быть кратен 2*pi.

λ - длина волны,
m – целое число,
L – оптическая длина резонатора

Длины волн мод резонатора:

Интервал между соседними модами резонатора:

«обратно» не должна уменьшаться.

I0 – интенсивность,
β – коэффициент усиления,
α – коэффициент усредненных потерь

R1 и R2 – коэффициенты отражения от зеркал

Баланс амплитуды

– коэффициенты усиления при котором начинается
лазерная генерация

R1 – коэффициенты отражения от полупрозрачного зеркала

– коэффициенты усиления нелинеен и ограничивает
выходую мощность лазера

оптического резонатора со сферическими зеркалами

напряжения (а);
p-n переход при приложении внешнего напряжения в прямом направлении (б).
d - ширина p-n перехода, l - реальная ширина области, обеспечивающей работу лазера.

…

изменении интенсивности излучения

среду в тв. тел. лазерах

изменении показателей преломления света в кристаллах под действием внеш. электрич. поля пропорционально напряжённости электрич. поля Е. Следствием этого эффекта в кристаллах является двойное лучепреломление или изменение величины уже имеющегося двулучепреломления.

Изменение показателя преломления:

Изменение показателя фазового набега:

L – длина фазового модулятора

модуляция

Изменение плоскости поляризации

Поляризатор

+

=

Внешняя (непрямая) модуляция интенсивности

Изменение показателя преломления

Резонатор лазера

+

=

Частотная модуляция

Изменение показателя преломления

Интерферометр

+

=

Внешняя (непрямая) модуляция интенсивности

1.

2.

3.

4.

выходе

Интенсивность в плечах

воздействием оптического излучения.

Через фоторезистор, включенный в электрическую цепь, содержащую источник постоянного тока, протекает электрический ток.
При облучении фоторезистора ток увеличивается в результате появления фототока, который пропорционален уровню воздействующего сигнала и совсем не зависит от полярности приложенного к фоторезистору напряжения.
Появление фототока в фоторезисторе используется для регистрации излучений. 

Быстродействие фоторезисторов невелико, поэтому работать они могут лишь
на очень низких частотах

p – база фотодиода

В фотодиодах на основе p-n переходов используется эффект разделения на границе электронно-дырочного перехода созданных оптическим излучением неосновных неравновесных носителей.

При попадании кванта света с энергией hV в полосе собственного поглощения в полупроводнике возникает пара неравновесных носителей – электрон и дырка. При регистрации электрического сигнала необходимо зарегистрировать изменение концентрацией носителей.

фотодиод,
в) фотодиод на основе барьера Шоттки,
г) фотодиод основе p-n перехода с лавинным умножением,
д) фотодиод на основе p-i-n гетероструктуры

дырочной (p) проводимости находится собственный полупроводник (i-область).

При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле.

Достоинства:
есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.
высокая чувствительность и быстродействие
малое рабочее напряжение Uраб
Недостатки: сложность получения высокой чистоты i-области

волоконно-оптических кабелей.

В качестве фотодетектора pin-диод работает при обратном смещении. При этом он закрыт и не пропускает ток (за исключением незначительного тока утечки). Фотон входит в i-область, порождая образование электронно-дырочных пар. Носители заряда, попадая в электрическое поле ОПЗ, начинают двигаться к высоколегированным областям, создавая электрический ток, который может быть детектирован внешней цепью. Проводимость диода зависит от длины волны, интенсивности и частоты модуляции падающего излучения.

При проектировании pin-диода приходится искать компромисс: с одной стороны, увеличивая величину i-области (а соответственно, и количество накопленного заряда) можно добиться резистивного поведения диода на более низких частотах, но с другой стороны, при этом для рекомбинации заряда и перехода в закрытое состояние потребуется большее время.

антиотражающее покрытие

Лавинные фотодиоды  — высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта.

При подаче сильного обратного смещения (близкого к напряжению лавинного пробоя, обычно порядка нескольких сотен вольт для кремниевых приборов), происходит усиление фототока (примерно в 100 раз) за счёт ударной ионизации (лавинного умножения) генерированных светом носителей заряда.
Суть процесса в том, что энергия образовавшегося под действием света электрона увеличивается под действием внешнего приложенного поля и может превысить порог ионизации вещества, так что столкновение такого «горячего» электрона с электроном из валентной зоны может привести к возникновению новой электрон-дырочной пары, носители заряда которой также будут ускоряться полем и могут стать причиной образования всё новых и новых носителей заряда.

светового потока Ф будем поддерживать постоянной при любой длине волны света.
Зависимость фототока JФ(λ) будет определяться зависимостью квантового выхода η(λ) и коэффициента поглощения α(λ) от длины волны

накладывают ёмкости, времена транзита электронов и дырок и время лавинного умножения. Ёмкость увеличивается с ростом площади переходов и уменьшением толщины. Время транзита электронов и дырок возрастает с увеличением толщины, что заставляет идти на компромисс между емкостью и временем. Задержки, связанные с лавинным умножением определяются структурой диодов применяемыми материалам, существует зависимость от .