Взаимодействие оптического излучения с оптическими

Средами

При прохождении оптического излучения сквозь реальные среды, (атмосферу, элементы конструкций оптических систем и фотоприемников) происходит отражение, поглощение, преломление и рассеяние потока излучения. Электрический сигнал, снимаемый непосредственно с фоточувствительного элемента, как правило, не пригоден для непосредственного использования в исполнительных устройствах аппаратуры, как по амплитуде, так и по форме (спектру). Поэтому его необходимо усиливать и подвергать определенной обработке. Эти функции возлагаются на предварительный усилитель. К электрической схеме усилителя предъявляются высокие требования по уровню собственных входных шумов, входному сопротивлению и входной емкости, которые определяются свойствами фоточувствительного элемента и принципом его действия. При совместном включении фотоприемника и серийных микросхем, выполненных по обычной планарной технологии, зачастую не удается реализовать максимальную пороговую чувствительность фотоприемника.

 

3.1.1. Основные требования к приемникам волоконно-оптического излучения

 

Для обеспечения эффективного преобразования оптического сигнала необходимо по возможности уменьшить потери света при стыковке приемника с волокном. Световод непосредственно состыкован с приемником и образует вместе с ним единый конструктивный узел. Эпоксидная смола не только обеспечивает механическое соединение, но и вместе с наружным покрытием устраняет внешнюю фоновую засветку. Возможно применение разъемного сочленения, где конец волокна монтируется внутри втулки оптического разъема. Втулка прижимается к поверхности приемника наружной гайкой, соединяемой с корпусом приемника с помощью резьбы. Эффективность ввода зависит от числовой апертуры световода, соотношения площадей приемника и сердцевины волокна, расстояния между световодом и приемником.

Числовая апертура является важной характеристикой световода [30]

(3.1)

где χ_КР – угол полного внутреннего отражения; n_c и n_o – показатели преломления материалов сердцевины и оболочки.

С ростом числовой апертуры NA растет диапазон углов, в пределах которых может выходить излучение из световода. Коэффициент отражения от поверхности приемника зависит от соотношения показателей преломления материалов фотоприемника, сердечника волокна или воздуха, если между световодом и приемником имеется воздушный промежуток. Для увеличения эффективности ввода площадку приемника делают несколько больше площади сердцевины волокна, на фоточувствительную поверхность наносят покрытие, уменьшающее отражение, принимаются меры па сокращению воздушного промежутка. Иногда воздушный промежуток заполняют прозрачной смолой или жидкостью (в случае разъемного сочленения), позволяющей частично согласовывать оптические характеристики материалов световода и приемника. Согласование апертур световода и приемника с помощью линз, как правило, не применяется. Оно может иметь смысл лишь при очень малой площади приемника. Все это дает возможность уменьшить потери света при вводе до десятых долей децибела.

Приемники должны обладать высокой чувствительностью в спектральных диапазонах, используемых в волоконно-оптических системах передачи (ВОСП), т.е. в интервале длин волн 0,8...1,6 мкм, или в области 10,6 мкм.

Важным требованием, предъявляемым к приемникам ВОСП, является малая инерционность. Только приемники с высокими предельными частотами могут позволить реализовать передачу информации со скоростью порядка гигабит в секунду. Часто время отклика ограничивается параметрами электрической эквивалентной схемы. В этом случае уменьшение размеров приемника будет сопровождаться снижением паразитных емкостей и индуктивностей и улучшением частотных свойств. Однако при очень малых размерах приемника могут возникнуть трудности, связанные с вводом излучения.

И, наконец, приемники ВОСП должны быть малошумящими и обладать низким порогом чувствительности. Одним из источников шума является темновой ток. Для его уменьшения желательно уменьшать площадь приемника, но не за счет эффективности ввода. При малых шумах вследствие темнового тока уровень шума фотоприемного устройства (ФПУ) может определяться последующим усилителем. Для уменьшения влияния шумов схемы на порог чувствительности ФПУ желательно иметь в приемнике внутреннее усиление. При относительно больших уровнях входного сигнала порог чувствительности ФПУ ограничивается квантовым шумом. В этом случае уровень шума зависит от качества преобразования квантов исходного оптического излучения в электрический сигнал. Порог чувствительности снижается с ростом квантовой эффективности.

Кроме перечисленных требований необходимо упомянуть и такие, как надежность, линейность энергетической характеристики, низкая стоимость, малая зависимость параметров от температуры. При выборе типа приемника часто приходится идти на компромиссы. Так, для коротких волоконно-оптических линий наиболее важным может оказаться: низкая стоимость приемников, для магистральных линий – низкий порог чувствительности и высокое быстродействие, для подводных линий – высокая надежность.

Прием светового излучения может происходить с помощью тепловых и фотоэлектрических приемников. В первых световое излучение преобразуется в тепло, которое, в свою очередь, вызывает изменение электрических характеристик. Во-вторых поглощение фотонов приводит к появлению дополнительных электрических, зарядов. В тепловых приемниках отклик пропорционален падающей мощности света, в фотоэлектрических – числу фотонов в единицу времени.

 

3.1.2. Материалы волоконно-оптических элементов

 

Материал, используемый для изготовления оптических элементов фотоприемников, должен:

– обладать максимальным пропусканием в рабочей части спектра;

– быть достаточно прочным и хорошо обрабатываться;

– иметь термический коэффициент расширения, близкий к соответствующему коэффициенту материала, с которым он соединяется в процессе изготовления фотоприемника;

– допускать вакуум-плотное соединение с элементами конструкции;

– быть достаточно стабильным по своим свойствам, устойчивым к воздействию факторов внешней среды и недорогим.

Существует большое количество различных материалов, пригодных для использования в качестве оптических элементов фотоприемников [31]. Однако многие из них из-за своих физических свойств могут использоваться только в лабораторных условиях, так как не обладают достаточной твердостью, прочностью, химической устойчивостью и влагостойкостью. Другие материалы сложны в изготовлении или могут быть получены только в небольших количествах, или являются весьма дорогостоящими для массового использования.

Наиболее широко применяются специальные сорта стекла, природные и синтетические кристаллы, полупроводниковые материалы, керамика и пластмассы.

Обычные оптические стекла пропускают излучение только до 2,7 мкм. У кронов граница пропускания лежит в области около 2,6 мкм, а у флинтов – около 2,7 мкм. Силикатные стекла (кроны) обладают небольшим показателем преломления и повышенным коэффициентом дисперсии. Они тугоплавки и допускают использование при температурах плюс 600 –700°С.

Для расширения области пропускания в некоторых стеклах окись кремния заменяется другими окислами. К этим стеклам относятся германатные (GeO₂,), прозрачные для излучения с длиной волны до 6 мкм и устойчивые до плюс 450°С, теллуритовые (ТeO₂), прозрачные также до 6 мкм и размягчающиеся при температуре плюс 450°С.

Сравнительно новыми стеклообразными материалами являются полупроводниковые халькогенидные стекла (бескислородные сплавы селенидов, сульфидов и теллуридов мышьяка, сурьмы, висмута, таллия, фосфора). Их недостатком является легкоплавкость (температура размягчения 140–220°С).

Широко применяются также кварцевые стекла, пропускающие излучение с длиной волны до 5 мкм. Показатель преломления кварца при изменении длины волны излучения от 0,5 до 5 мкм изменяется примерно от 1,55 до 1,4. Температура размягчения кварца выше 1500°С. Стекла и кварц благодаря своим хорошим оптическим и механическим свойствам являются очень удобным материалом для изготовления защитных и входных окон, фильтров и других элементов.

Для изготовления вакуум-плотных корпусов фотоприемников и входных окон приемников, работающих в коротковолновой части спектра, наиболее широко используются легкоплавкие стекла (с температурой размягчения до 500 – 580°С) следующих марок:

– баритовое стекло С–90–1;

– доломитовые стекла С–89–2 и С–85–5;

– свинцовое стекло С–88–4;

– боросиликатные стекла С–48–1 и С–49–1;

а также тугоплавкие стекла (с температурой размягчения более 580°С) следующих марок:

– боросиликатные стекла С–47–1, С–40–1, С–39–1 (нонекс);

– блюмосиликатное стекло С–37–1;

– жаростойкое стекло П–15 (пирекс).

Из кварцевых стекол наиболее широкое распространение получили:

– прозрачное стекло С–6–1;

– оптические стекла KB и КИ.

Для изготовления оптических элементов фотоприемников, работающих в средневолновой и длинноволновой областях спектра, наиболее широко используются кристаллические оптические материалы: поваренная соль NaCl, сильвин KCl, флюорит CaF₂, природный кварц SiO₂, слюда (мусковит), природный сапфир Al₂O₃, периклаз MgO, фтористый литий LiF, фтористый стронций SrF₂, бромистый калий KBr, бромистый таллий TlBr, бромистый таллий – йодистый таллий KRS–5, бромистые таллий – хлористый таллий KRS–6, бромистое серебро – хлористое серебро KRS–13, лейкосапфир, титанат стронция SrTiO₃ и др.

Достоинством кристаллических материалов является очень большое многообразие их свойств и характеристик. Для них характерна высокая прозрачность в широком диапазоне спектра.

Широко применяются кристаллы полупроводниковых элементов: германия, кремния, карбида кремния, теллурида кадмия, антимонида индия и др. Большинство полупроводников прозрачно в коротковолновой области спектра, но они обладают высоким пропусканием и в длинноволновом диапазоне спектра (до 30 мкм и более). Для полупроводников характерны высокие значения показателя преломления (например, для германия n=4, для кремния n=3,4–3,6), что позволяет использовать их для изготовления иммерсионных линз.

В последние годы все более широкое применение в качестве оптических элементов фотоприемников, работающих в средневолновой и длинноволновой областях спектра, находят поликристаллические соединения группы элементов А²B⁴ (керамические оптические материалы типа КО–2). Эти материалы обладают высокой механической прочностью, работают в широком диапазоне температур.

Наиболее широкое применение при изготовлении оптических элементов, фотоприемников получили: лейкосапфир, германий, кремний, титанат стронция, оптическая керамика (КО-2).

Применение пластмасс для изготовления оптических элементов значительно упрощает и удешевляет их производство. Ценным качеством пластмасс является возможность изготовления из них дешевой асферической оптики с применением горячего прессования. Однако пластмассы обладают высоким пропусканием только в коротковолновой области спектра (до 2–3 мкм). Тонкие пленки из пластмасс (полистирол, политрифторхлорэтилен, метилметакрилат) хорошо пропускают излучение в видимой и коротковолновой областях спектра (до 4 мкм), а пленки полиэтилена толщиной менее 0,1 мм прозрачны до 15–20 мкм.

Значительным преимуществом пластмасс является возможность изменения их пропускания в определенном диапазоне спектра путем введения в их состав красящих добавок.

Пластмассы применяются для изготовления защитных окон и фильтров фотоприемников, работающих в ограниченном диапазоне температур.

Учеными Института физики полупроводников создана современная конкурентоспособная технология производства материала для изготовления многоэлементных инфракрасных (тепловых) фотоприемников с параметрами, близкими к теоретически предельным. В отличие от зарубежных аналогов, производимых на дорогих пластинах КРТ (кадмий–ртуть–теллур), созданы фотоприемники на пленках КРТ, выращенных с помощью уникальной технологии, на дешевых арсенид-галлиевых подложках, что открывает путь к массовому производству дешевых фотоприемных устройств. На выращенных структурах изготовлены работающие при слабом охлаждении (210–220 K) многоэлементные фотоприемные матричные (128×128 элементов) и линейные (2×128 элементов) устройства, созданы фотоприемные матрицы и линейки с длинноволновой границей фоточувствительности до 12 мкм. На гетероэпитаксиальных структурах BaF₂ – PbSnTe реализованы матричные фотоприемники на длину волны 12–25 мкм.

Характеристики материалов, наиболее широко применяемых для изготовления оптических элементов представлены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Основные характеристики наиболее распространенных материалов для оптических элементов

Материал	Рабочий диапазон пропускания, мкм	Средний показатель преломления	Температура размягчения, °С
Боросиликатные оптические стекла	0,3–2,7	1,48	500–640
Плавленый кварц	0,1–5,0	1,43	1500–1996
Трехсернистомышьяковое стекло	1,5–10	2,4	190–200
Сапфир	0,3–6	1,67
Титанат стронция	0,7–6,5	2,21	–
Теллурид кадмия	0,9–15	2,6
Сульфид кадмия	1,0–14	2,27
Селенид цинка	0,5–22	2,4
Арсенид галлия	0,9–11	3,3
Германий n-типа	2,0–23	4,0
Кремний	1,5–15	3,42
Артимонид индия	6,5–30	4,0
Иртран–1	0,5–9	1,34
Иртран–2	0,4–14,5	2,2
Иртран–3	0,4–11,5	1,39
Иртран–4	0,5–22	2.4	–
Иртран–5	0,4–9,5	1,66	–
Иртран–6	0,9–31	2,68	–

 

3.1.3. Взаимодействие оптического излучения с полупроводниками

 

При падении оптического излучения на полупроводник проявляются такие же виды взаимодействия (отражение, поглощение и пропускание), что и при соприкосновении с любой другой средой. При конструировании приемников излучения для правильного выбора необходимого полупроводникового материала и его геометрических размеров нужно знать количественные характеристики каждой составляющей процесса взаимодействия излучения с полупроводниками, то есть фактические данные, необходимые в практике конструирования фотоприемников [32,33].

При нормальном падении плоской электромагнитной волны на границу вакуума с поверхностью полупроводника значение коэффициента отражения R_ос определяется значениями показателя преломления n и коэффициента экстинкции к полупроводника:

(3.2)

 

При (что обеспечивается для большинства полупроводников), т.е. для областей спектра, где коэффициент экстинкции мал по сравнению с главным показателем преломления, уравнение (3.2) принимает вид

(3.3)

Иногда эту формулу используют для определения главного показателя преломления, приняв за основу измерения только коэффициент отражения излучения при угле падения, близком к нормальному.

Коэффициент отражения поляризованного излучения имеет минимум при угле отражения, равном углу Брюстера

, (3.4)

где n – показатель преломления.

В этом случае отраженный луч перпендикулярен преломленному лучу. Это явление используется при изготовлении фоточувствительных элементов приемников для регистрации лазерного излучения, когда размер фоточувствительного элемента ограничен. При этом заднюю поверхность элемента выполняют в виде призмы. Так как критический угол для полного внутреннего отражения, например в германии, составляет (), то легко создать условия, когда прошедшее через переднюю поверхность элемента излучение испытывает затем полное внутреннее отражение от задней стенки и боковых граней. Таким путем можно увеличить эффективную толщину кристалла примерно в 3 раза.

Выражения (3.2) и (3.3) применимы для расчета коэффициента отражения «бесконечно толстой» пластины полупроводника. Для пластины полупроводника конечной толщины d при нормальном падении излучения коэффициент отражения приводится к виду

, (3.5)

где – коэффициент поглощения; ; – сдвиг фаз.

3.1.3.1.Поглощение излучения полупроводниками. В соответствии с законом Бугера поток излучения в полупроводнике убывает по закону:

, (3.6)

где Ф₀ – поток излучения на поверхности полупроводника; α – коэффициент поглощения; d – толщина образца. Величина, обратная коэффициенту поглощения, определяет глубину, на которой значение лучистого потока, проходя через толщу полупроводника, уменьшается в e раз.

У полупроводниковых веществ наблюдается пять основных видов поглощения излучения:

- собственное,

- примесное,

- экситонное,

- свободными носителями,

- решеткой.

Вид поглощения и определяет спектр поглощения полупроводника.

3.1.3.2. Собственное поглощение. Если при поглощении полупроводником кванта энергии излучения электроны валентной зоны приобретают дополнительную энергию, превышающую или равную ширине запрещенной зоны, и переходят в зону проводимости, то такое поглощение называют собственным или фундаментальным. Если энергия фотонов меньше ширины запрещенной зоны, то коэффициент поглощения в собственном полупроводнике равен нулю и излучение проходит через него без затухания.

Следует отметить, что фотопроводимость наблюдается не во всей области длин волн, где , а только в ее длинноволновой части. Максимум чувствительности, находится вблизи края полосы собственного поглощения полупроводникового материала. Вследствие возрастания коэффициента оптического поглощения с уменьшением длины волны уменьшается глубина проникновения излучения в полупроводник. Значительная часть этого излучения поглощается в приповерхностном слое, характеризующемся более высокой скоростью рекомбинации носителей заряда, приводящей к уменьшению времени их жизни. В результате этого с уменьшением, длины волны происходит уменьшение чувствительности фотоприемника. В силу указанного обстоятельства все фотоприемники на основе внутреннего фотоэффекта обладают селективной (по длине волны) чувствительностью.

3.1.3.3. Примесное поглощение излучения. Оптическое поглощение, обусловленное ионизацией или возбуждением примесных центров в кристалле, называется примесным. В этом случае электрон переходит от атома примеси в зону проводимости, или из валентной зоны на уровни примеси, или с одного примесного уровня на другой. При примесной фотопроводимости длинноволновая граница определяется типом введенной примеси:

или , (3.7)

где E₁ и E₂ – соответственно энергия активации донорной и акцепторной примесей.

3.2. Принципы преобразования в волоконно-оптических

Датчиках физических величин

По принципу действия все волоконно-оптические датчики физических величин делятся на четыре класса в соответствии с тем, какой из параметров оптической волны [34]

(3.8)

распространяющейся по волокну, используется для получения информации об измеряемом физическом воздействии: E_m – амплитуда электрического поля, фаза φ, состояние или направление поляризации электрического вектора р, или частота ω.

Принцип действия обобщенного волоконно-оптического датчика состоит в следующем. Оптическое излучение от источника проходит через передающий оптический канал на чувствительный элемент (ЧЭ), находящийся под воздействием измеряемой величины. В результате физического воздействия оптические свойства ЧЭ изменяются, что в свою очередь приводит к изменению параметров оптического излучения. Далее преобразованное оптическое излучение через приемный оптический канал поступает на регистрирующее устройство. Структура преобразований в волоконно-оптическом датчике показана на рис. 3.1.

В основу классификации волоконно-оптических датчиков целесообразно положить различия оптических схем модуляции света, фазовой модуляции света (интерференционные), поляризационные датчики, частотные датчики.

1. Волоконно-оптические датчики (ВОД) с амплитудной модуляцией различаются способом осуществления модуляции, в частности, имеются датчики с измеряемым коэффициентом поглощения материала чувствительного элемента; отражательно-пропускательного типа (со шторками, встречными решетками, с относительным перемещением источников и приемников излучения); с нарушением полного внутреннего отражения (с изменяемой площадью оптического контакта, с измеряемым показателем преломления); на основе управления излучением в световодах (управляемая связь световодов, преобразование мод и т.п.).

Чувствительный элемент в таких датчиках представляет собой либо специально встроенное в волоконно-оптический тракт модулирующее устройство, либо введенную в волоконную линию нерегулярность (разрыв, изгиб и т.д.). Такие нерегулярности могут существенно менять амплитудную передаточную характеристику волокна. Для детектирования модулированного светового сигнала применяется обычная методика фотодетектирования.

2. Волоконно-оптические датчики с фазовой модуляцией (интерференционные) представляют собой устройства, регистрирующие изменения фазы оптического излучения, распространяющегося по оптическому каналу. Эти датчики используют эффект накапливающегося изменения фазы в протяженном отрезке волокна. Изменения возникают при внешнем воздействии на материал канала и регистрируются интерферометрическим методом при наложении сигналов измерительного и контрольного каналов. В основу действия датчиков фазовой модуляции положен один из трех принципов: интерферометра Маха – Цендера (волоконно-оптические, интегральные); межмодовой интерференции – двухмодовые, многомодовые, с модами одной (или разной) поляризации; одноволоконного интерферометра с двунаправленной оптической связью (оптические, волоконные); известны также датчики на основе интерферометра Фабри – Перо.

Для детектирования сигнала фазовых волоконно-оптических датчиков необходимо применять когерентные методы – гомо- и гетеродинное детектирование.

3. Поляризационные датчики основаны на зависимости изменения поляризации излучения при прохождении его через оптические среды, находящиеся под воздействием измеряемой величины.

Для детектирования поляризационно-модулированного сигнала применяется схема со скрещенными поляроидами.

4. Частотные датчики представляют собой устройства, в которых исследуемое физическое воздействие изменяет частоту ω генерируемого, отраженного или пропускаемого света.

Применение поляризационного представления измерительной информации требует специальной элементной базы (световодов, ответвителей и др.), сохраняющей плоскость поляризации проходящего излучения. Создание этой элементной базы находится в настоящее время на начальной стадии, поэтому ВОД с поляризационным представлением измерительной информации пока не могут составить конкуренцию другим видам ВОД.

При передаче измерительной информации путем модуляции фазы оптической волны возникают проблемы с мультиплексированием информации (т.е. передачей по одному общему световоду измерительной информации от нескольких датчиков). Кроме того, в связи с высокой частотой оптических волн даже незначительные деформации световодов, вызванные дестабилизирующими воздействиями, приводят к паразитной модуляции фазы передаваемого излучения. Это определяет низкую устойчивость фазовых ВОД к дестабилизирующим воздействиям.

Более перспективно использование цифровых методов передачи информации в ВОД, отличающихся, с одной стороны, удобством и простотой мультиплексирования измерительной информации, а с другой – высокой устойчивостью к дестабилизирующим воздействиям. Достоинством цифровых методов передачи информации являются также удобство сопряжения с ЭВМ, общая элементная база с цифровыми волоконно-оптическими линями связи.

Однако в настоящее время круг ВОД с цифровым выходным сигналом достаточно ограничен. Использование же дополнительных устройств для преобразования аналоговых выходных сигналов ВОД в цифровую форму, как правило, приводит к необходимости двойного оптоэлектронного и электрооптического преобразования, а, следовательно, резко ухудшает массогабаритные показатели, повышает энергопотребление, снижает помехозащищенность информации.

В то же время частота оптической волны, частота и фаза сигнала, модулирующего оптическое излучение, при распространении его по световоду практически не зависят от дестабилизирующих воздействий. Это обусловлено слабым влиянием интенсивности излучения на данные параметры, а, следовательно, и на измерительную информацию.

Таким образом, с точки зрения создания ВОД физических величин, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям, наиболее перспективными являются направления создания ВОД на основе использования в качестве информационных характеристик частоты и фазы сигнала, модулирующего интенсивность оптического излучения, а также частоты оптической волны. При частотном представлении измерительной информации, кроме того, существенно упрощается построение мультиплексных сетей ВОД [1].