Оптоэлектроника - Карих Е.Д.
Скачать (прямая ссылка):
uT =44kTWi. (6.16)
Здесь А/ - ширина полосы регистрируемых частот, Rt - внутреннее сопротивление фотодетектора. Спектр теплового шума равномерный (белый) до частот порядка 100 ГГц.
40
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Дробовый шум (или шум Шоттки). Он обусловлен тем, что электрический ток представляет собой поток дискретных заряженных частиц, создающий на нагрузке с сопротивлением R шумовое напряжение, среднеквадратичное значение которого дается формулой:
UJn = RV2eIAf , (6.17)
где I - среднее значение тока. Спектр этого шума также равномерный.
Фотонный шум. Так как свет можно представить в виде потока дискретных частиц (фотонов), неизбежно имеют место флуктуации числа фотонов, поступающих на фотодетектор в единицу времени. Шум, обусловленный этими флуктуациями, называется фотонным.
Порог чувствительности и квантовый предел детектирования. Порогом чувствительности фотодетектора называется значение падающей на детектор оптической мощности, при котором сигнал равен среднеквадратичному значению шума в заданной полосе частот.
Найдем порог чувствительности фотодетектора при когерентном приеме излучения и прямом фотодетектировании.
При оптическом гетеродинировании в соответствии с (6.13) средняя мощность полезного сигнала на нагрузке фотодетектора R равна:
[ \ 2
Ps = (/? (t))R = 2[П1] PPR . (6.18)
' ' vhm0
Мощности теплового и дробового шумов на нагрузке равны:
pT = 4kTAf и PI = 2eIcRAf. (6.19)
Здесь Ic - постоянная составляющая тока, включающая фототоки прямого детектирования сигнального P, опорного P, и фонового Р0 излучений, а также темновой ток фотодетектора 10:
Ic = П- (р + Pi + P0) +10. (6.20)
hm
Таким образом, для отношения сигнал/шум получаем:
P P
* S * S
2
2
' ne hm
PP,R
Pn PI + P,T
n n 2e
ne (р+p, + p<>)+10
(6.21)
RAf + 4kTAf
hm
Мощность опорного излучения как правило выбирается достаточно большой, чтобы выполнялись соотношения:
P, >> P, P„; ^P, >> 10; 2П-PR >> 4kT. (6.22)
hm hm
В этих условиях преобладает дробовый шум, обусловленный прямым
41
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
фотодетектированием опорного излучения и вместо (6.21) будем иметь:
P = -!?- . (6.23)
P„ hrnAf У ’
Полагая, что Ps = Pn, для порога чувствительности получаем:
Ph = — Af . (6.24)
п
Предположим теперь, что частоты опорного и принимаемого излучений, а также их начальные фазы, совпадают (оптическое гомодиниро-вание). Тогда средняя мощность сигнала на нагрузке будет равна:
Ps = 4
s
/ Л 2
' ne Ню
PPR. (6.25)
Если выполняются те же условия (6.22), то порог чувствительности:
Ph = р Af. (6.26).
2q
Видно, что в режиме ограничения дробовым шумом гомодинный приемник имеет вдвое меньший порог, чем гетеродинный.
Сравним полученные результаты с порогом чувствительности при прямом фотодетектировании. Для этого положим Pt = 0, а числитель формулы (6.21) заменим на правую часть выражения (6.27), определяющую полезный сигнал при прямом фотодетектировании:
Ps =
2
P2R. (6.27)
Если пренебречь фоновым излучением, темновым током и тепловыми шумами, то для порога чувствительности получим:
Ph = — Af. (6.28)
п
Формулы (6.24) и (6.26) выражают собой квантовый предел детектирования. Таким образом, квантовый предел для прямого фотодетектирования всего лишь в два раза хуже, чем для оптического гетеродини-рования и в четыре раза хуже, чем для оптического гомодинирования. Однако следует учесть, что для достижения квантового предела при прямом фотодетектировании необходимо обеспечить тщательное экранирование фонового излучения, иметь фотодетектор с исчезающе малым темновым током и работать в условиях глубокого охлаждения приемника. В противоположность этому достижение квантового предела при фотосмешении сравнительно просто обеспечивается путем увеличения мощности опорного лазерного излучения.
42
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Лекция 7. ПРИНЦИПЫ ФОТОЭЛЕКТРОННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Явление фотопроводимости: фоторезисторы. Внутренний фотоэффект - это изменение электрического сопротивления полупроводника за счет генерации дополнительных свободных носителей заряда под действием падающего на него излучения. Фотодетекторы, действие которых основано на данном явлении, называют фоторезисторами (ФР).
Структура фоторезистора очень проста: это могут быть монокри-сталлическая пластинка или пленка полупроводника на диэлектрике, снабженные металлическими контактами. Фоторезистор подключается к источнику питания последовательно с нагрузочным сопротивлением, падение напряжения на котором и регистрируется как полезный сигнал.
Рассмотрим процессы в однородной пластинке полупроводника длиной l, на контакты которой подается напряжение U. Мощность падающего на пластинку излучения обозначим P. Будем считать, что светом создаются свободные носители одного знака, например электроны. Число электронов G, создаваемых светом в единицу времени, равно
П
G =P. hm
(7.1)
За то же время при рекомбинации исчезнет следующее число носителей:
