Измерители мощности с фотодиодами

Большим преимуществом ФД является то, что они способны измерять модулируемую высокочастотную мощность уровня менее 1 пВт (-90 дБм), однако из-за значительной зависимости от длины волны их полоса пропускания обычно не превышает одной октавы. Тем не менее, на сегодняшний день вследствие высокой чувствительности, малой инерционности и простоты использования ФД является наиболее распространенным фоточувствительным элементом. Эти элементы широко используются в большинстве измерительных средств, применяемых в телекоммуникациях.

Исходя из функционального назначения ФД, при их рассмотрении пользуются понятием чувствительности, так как в результате воздействия оптического излучения на ФД он создает фототок, интенсивность (оптическая мощность) которого пропорционально числу фотонов. Согласно, чувствительность ФД определяется отношением фототока к оптической мощности:

(1-1)

а при наличии усиления M выражением:.

(1-2)

Используя выражение для оптической мощности фотона за время Dt при частоте световой волны n, вместо (1-1) получим:

(1-3)

где h – постоянная Планка, c – скорость света, e – заряд электрона; h- квантовая эффективность, равная 1 для PIN-диода, l – длина волны.

Мгновенное значение тока фотодиода определяется выражением:

(1-4)

где E(t)-напряженность поля излучения.

На практике ФД отклоняются от этой зависимости, так как:

• существует верхняя критическая длина волны, за пределами которой энергия фотона становится ниже энергии запрещенной зоны п/п материала, что приводит к резкому снижению чувствительности;
• при короткой длине волны некоторые фотоны поглощаются за пределами i-области фотодиода;
• происходит снижение чувствительности вследствие промежуточной рекомбинации;
• любые отражения от поверхности или внутри фотодиода уменьшают чувствительность.

Последний фактор очень важен, так как отражения могут создавать значительные погрешности при измерении оптической мощности и вносимых потерь. Так, чистый InGaAs имеет показатель преломления, равный 3,5, что приводит к 31% отражений, для уменьшения которых обычно используются антиотражательные, например, четвертьволновые однослойные покрытия. Они уменьшают уровень отражений до 1% в пределах ограниченного диапазона длин волн. Если такой уровень отражений необходим в более широком диапазоне длин волн, используют многослойные покрытия. Следует отметить, что в некоторых случаях наблюдается периодическая структура отражений, что приводит к возникновению трудно устранимых оптических помех.

Спектральная чувствительность

Чувствительность на единицу интервала длин волн на данной длине волны называется спектральной чувствительностью ФД. На рис. 1-1 и 1-2 показаны нормализованные типовые чувствительности для различных типов ФД, откуда видно, что кремниевые ФД эффективны в диапазоне коротких волн 500-1000 нм, а в области длинных волн эффективны германиевые и InGaAs ФД. Германий можно рекомендовать для измерения мощности в относительно узком спектре в диапазоне длин волн 1300-1550 нм. Так в диапазоне длин волн 1550 нм германиевый ФД имеет погрешность 1%/нм. В отличие от них InGaAs ФД существенно меньше зависят от длины волны в районе 1550 нм (погрешностью менее 0,1%/нм), что важно при измерениях на ОУ типа EDFA (в диапазоне 1525-1570 нм).

Рис. 1-1. Зависимость чувствительности PIN-диодов от длины волны.

Рис. 1-2. Зависимость чувствительности APD-диодов от длины волны.

Термостабилизация

Чувствительность германиевого ФД имеет относительно небольшую температурную зависимость для большей части диапазона длин волн, в то время как выше 1550 нм, наблюдается значительная температурная зависимость. Ее можно описать, как смещение верхней критической длины волны с коэффициентом приблизительно 1 нм/К. Примерно такое же смещение можно наблюдать в InGaAs ФД в районе 1650 нм. По этой причине измерители мощности с термостабилизированными фотодиодами имеют лучшую воспроизводимость результатов измерений.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: