Fale elektromagnetyczne o częstotliwościach w zakresie $\left(\mathrm{0,39}÷\mathrm{0,75}\right)·{10}^{15} \text{Hz}$ są falami świetlnymi rejestrowanymi przez oko ludzkie. Prędkość rozchodzenia się światła zależna jest od właściwości elektrycznych i magnetycznych ośrodka, w którym się rozchodzi:

gdzie:

• ${\epsilon }_r$ – przenikalność elektryczna ośrodka,

• ${\epsilon }_0=\mathrm{8,85}·{10}^{-12} \frac{\text{F}}{\text{m}}$ – przenikalność elektryczna próżni,

• ${\mu }_r$ – przenikalność magnetyczna ośrodka,

• ${\mu }_0=4·\pi ·{10}^{-7} \frac{\text{H}}{\text{m}}$ – przenikalność magnetyczna próżni.

Przyjmując, że dla większości przezroczystych ośrodków $r\approx 1$, prędkość rozchodzenia się fal świetlnych zależy od własności elektrycznych ośrodka:

gdzie:

$c=\frac{1}{\sqrt{{\epsilon }_0·{\mu }_0}}=3·{10}^8 \frac{\text{m}}{\text{s}}$ – prędkość światła w próżni.

Podstawowe zakresy długości fal elektromagnetycznych to:

• promieniowanie radiowe – długość fal: od kilku milimetrów do kilkuset kilometrów;

• mikrofale – długość fal: od ok. 1 mm do 1 m;

• podczerwień (IR) – długość fal: od ok. 1 μmum (mikrometr) do 1 mm;

• światło widzialne – długość fal: od ok. 380 nm (nanometrów, niebieski) do ok. 750 nm (czerwony);

• promieniowanie ultrafioletowe (UV) – długość fal: od ok. 10 nm do 380 nm;

• promieniowanie rentgenowskie – długość fal: od ok. 0,01 nm do kilku nm.

RKAJJkBQ2ZVnr

Grafika przedstawia na osi zakresy fal elektromagnetycznych, zaczynając od lewej strony od fal o małej długości i przesuwając się w prawo do fal o dużej długości w następującym porządku: promieniowanie gamma, promieniowanie rentgenowskie, ultrafiolet, podczerwień, mikrofale, radar, fale radiowe, radiowe fale długie. Poniżej przedstawiony jest rozkład barw światła w spektrum: od fioletu, przez niebieską, zieloną, żółtą, pomarańczową do czerwonej. Podane są również długości fali świetlnej podane w nanometrach.

W technice światłowodowej oraz w większości zastosowań optoelektronicznych wykorzystuje się promieniowanie podczerwone (IR) i światło widzialne. W telekomunikacji i teletransmisji zakres długości fal elektromagnetycznych wyrażany jest w nanometrach (nm) lub metrach (m), w zależności od skali.

Częstotliwość promieniowania podczerwonego używanego w technice światłowodowej mieści się w zakresie od ok. 700 nm do 1600 nm. Najczęściej wykorzystywane są światłowody pracujące w zakresie bliskiej podczerwieni o długości fal około 1310 nm i 1550 nm.

Częstotliwość jest odwrotnością długości fali, więc promieniowanie w zakresie bliskiej podczerwieni ma wyższe częstotliwości niż światło widzialne. Jest to zakres, który umożliwia efektywną transmisję danych przez światłowody, ponieważ pozwala na minimalną stratę sygnału i minimalne zakłócenia w trakcie transmisji na dużą odległość.

Częstotliwość promieniowania UV mieści się w trzech zakresach:

• częstotliwość UV‑A – ok. 315–400 nm – właśnie tę częstotliwość wykorzystuje się w technice światłowodowej do kontrolowania jakości powierzchni lub w niektórych rodzajach fotodetektorów,

• częstotliwość UV‑B – ok. 280–315 nm,

• częstotliwość UV‑C – ok. 100–280 nm.

Fundamentalne znaczenie w optyce ma następująca zależność: długość fali świetlnej (λlambda) jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości (f) tego światła. Prawo to jest znane jako równanie światła lub równanie falowe:

c = λlambdaf,

gdzie:

• c – prędkość światła w próżni (ok. 299 792 458 m/s),

• λlambda – długość fali świetlnej (wyrażona w metrach),

• f – częstotliwość fali świetlnej (wyrażona w hercach, czyli Hz).

Z tego równania wynika, że im krótsza jest długość fali świetlnej, tym wyższa jest jego częstotliwość, i odwrotnie. Oznacza to, że światło o małej długości fali (na przykład światło fioletowe) ma wyższą częstotliwość niż światło o dużej długości fali (na przykład światło czerwone).

Zależność długości fali świetlnej i jego częstotliwości określa, jak różne kolory światła się rozpraszają, odbijają i załamują w różnych substancjach i układach optycznych. W praktyce pozwala to na zrozumienie wielu efektów optycznych, takich jak załamanie światła w soczewkach, rozszczepienie światła przy przechodzeniu przez pryzmat czy też zjawiska interferencji światła.

W przypadku rozchodzenia się światła wprowadzono współczynnik załamania światła, który zależy od jego częstotliwości. Światło jako fala elektromagnetyczna ulega dyspersji, czyli rozszczepieniu, a to oznacza, że prędkość fali zależy od częstotliwości. Współczynnik załamania światła $n$ definiowany jest jako:

Długości fal świetlnych zawierają się w zakresie $\left(0,4÷0,7 \text{μm}\right)$. W przypadku fal świetlnych wykorzystywanych w technice światłowodowej stosuje się długości fal z trzech okien transmisyjnych (rozdział 2.3). Podstawę własności optycznych pod względem geometrycznym opisują cztery prawa:

• Prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła – w ośrodku jednorodnym światło rozchodzi się po liniach prostych.

• Prawo niezależności promieni świetlnych – promienie świetlne przy przecięciu nie wpływają wzajemnie na siebie.

• Prawo odbicia światła – promień padający, promień odbity i normalna w punkcie padania leżą w tej samej płaszczyźnie, a kąt odbicia jest równy kątowi padania.

• Prawo załamania światła – promień padający, promień odbity i normalna w punkcie padania leżą w tej samej płaszczyźnie, a kąt padania $\alpha$ i kąt załamania $\beta$ są powiązane zależnością:

  $$\frac{\text{sin}\left(\alpha \right)}{\text{sin}\left(\beta \right)}= \frac{v_1}{v_2}=\frac{n_2}{n_1}$$

  gdzie:

  • $v_1$, $v_2$ – prędkości światła w ośrodku, z którego światło pada i załamuje się,

  • $n_1$, $n_2$ – współczynniki załamania światła ośrodków.

REDhzuww0A2ZC

Na ilustracji przedstawione jest zjawisko odbicia i załamania światła białego na granicy dwóch ośrodków opisanych jako n1 i n2. Granica między ośrodkami zaznaczona została linią poziomą, a przez środek biegnie przerywana linia osi symetrii. Wewnątrz ośrodka n2 znajduje się promień świetlny, który ulega załamaniu i zostaje skierowany pod kątem wyznaczonym beta. Powyżej granicy n1 zaznaczono kąt rozwarty alfa, który reprezentuje kąt padania promienia na granicę między ośrodkami. Górna część rysunku opisuje światło odbite, czyli promień odbity od granicy między ośrodkami. Dolna część rysunku reprezentuje załamane światło białe, które przechodzi przez granicę i zmienia kierunek rozchodzenia.

W sytuacji gdy fala świetlna pada na granicę dwóch ośrodków, występują równocześnie zjawiska odbicia na granicy dwóch ośrodków i załamania promieni świetlnych. Ponadto występuje zjawisko dyspersji światła. Na rys. 1.1 przedstawiono to zjawisko dla dwóch promieni – niebieskiego (częstotliwość: 670–600 THz, długość fali świetlnej: ok. 380 nm) i czerwonego (częstotliwość: 480–405 THz, długość fali świetlnej: ok. 750 nm). Widoczne jest, że ze wzrostem częstotliwości fali świetlnej maleje prędkość, a rośnie współczynnik załamania światła. Z prawa załamania wynika, że jeżeli przyjmie się współczynniki załamania ośrodków $n_1>n_2$, to kąt załamania $\beta$ jest większy od kąta padania $\alpha$. Można więc zwiększyć kąt padania do wartości granicznej ${\alpha }_{gr}$, przy której kąt załamania $\beta =\frac{\pi }{2}$. Wówczas promień świetlny załamany biegnie wzdłuż granicy ośrodków. Dla kąta padania $\alpha >{\alpha }_{\text{gr}}$ promień nie ulega załamaniu, tylko odbija się od granicy ośrodków. Jest to tzw. zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Zostało ono wykorzystane m.in. w światłowodach.

R18u4SQoMN9hc

Ilustracja prezentuje całkowite wewnętrzne odbicie na granicy dwóch ośrodków. Widoczny jest punkt wspólny, z którego wychodzi sześć promieni o różnych kątach padania. Po dojściu do granicy ośrodka każdy promień odbija się pod innym kątem. Zaznaczono to liniami prostymi w kolorze czerwonym z grotami na końcu, które znajdują się na niebieskim tle obrazującym obszar odbicia. W wyniku odbicia fal powstają nowe promienie o różnych kierunkach i intensywnościach, co skutkuje powstaniem złożonego obrazu odbicia. Proces ten widoczny jest także na drugiej ilustracji. Przedstawia ona kabel światłowodowy w przekroju, gdzie zaznaczona jest powierzchnia zewnętrzna i promień odbity.

Źródła światła

Jako źródła światła w technice światłowodowej wykorzystywane są diody elektroluminescencyjne LED i lasery diodowe (lasery półprzewodnikowe). Przy czym diody LED są wykorzystywane w układach wolniejszych (do $100 \text{Mb}/\text{s}$), zaś lasery przy szybszej transmisji. Diody LED i laserowe mogą emitować światło w szerokim zakresie, jednak w transmisji światłowodowej (ze względu na okna transmisyjne stosowane w telekomunikacji optycznej) wykorzystuje się wyłącznie zakres bliski podczerwieni (długość fali od $700 \text{nm }$do $\mathrm{1 }\text{μm}$).

• Diody elektroluminescencyjne (LED) zbudowane są z wykorzystaniem złącza $\text{p}$–$\text{n}$ spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. Po przyłożeniu do diody napięcia przez złącze popłynie prąd w kierunku przewodzenia. Na złączu występuje wówczas rekombinacja ładunków elektrycznych z obszarów $\text{n}$ i $\text{p}$, w wyniku czego wydziela się energia uwalniana w postaci światła. W technice światłowodowej wykorzystuje się diody elektroluminescencyjne emitujące światło w zakresie podczerwieni, czyli tzw. diody IR LED.

  Rah5PUhC52fAE

  Ilustracja przedstawia budowę diody LED, która składa się z cylindrycznej obudowy wykonanej z bezbarwnej żywicy, a w niej znajdują się dwie podłużne nóżki - anoda plus i katoda minus. Obudowa ma kształt cylindryczny, szerszy przy płaskiej podstawie, gdzie umieszczony jest kołnierz bazowy. Na powierzchni zewnętrznej nóżek znajduje się element z doprowadzonym zasilaniem oraz chip półprzewodnikowy.

  

  Dioda LED nie ma wbudowanego rezonatora optycznego, nie ma również odpowiednio ukształtowanej struktury. Powoduje to, że jej świecenie następuje w wyniku tzw. zjawiska emisji spontanicznej. Polega ono na tym, że fotony są wytwarzane przypadkowo oraz w różnych kierunkach. Dlatego światło uzyskiwane w diodach LED jest mało spójne.

Najważniejsze parametry diody LED to:

• maksymalny prąd przewodzenia – wartość ta różni się w zależności od rodzaju i przeznaczenia diody. Na przykład dla diody LED 5 mm, czerwonej dyfuzyjnej, stosowanej m.in. w sygnalizatorach, prąd znamionowy wynosi 50 mA. Przekroczenie tej wartości może skutkować trwałym uszkodzeniem lub zniszczeniem diody, natomiast niższy prąd pozwala zwiększyć jej żywotność. Prąd płynący przez diodę zależy od napięcia – jest tym większy, im wyższe jest napięcie. Natomiast im większy prąd przepływa przez diodę, tym większa jest intensywność jej świecenia (natężenie promieniowania);

• napięcie przewodzenia – wartość tego parametru jest ściśle powiązana z kolorem emitowanego światła, które z kolei odpowiada energii fotonów. Dla danego koloru diody zakres napięć przewodzenia jest na ogół stały, a dopuszczalne granice to ok. 1,2–5 V. Na przykład napięcie przewodzenia diody czerwonej wynosi 1,6–2,4 V, a niebieskiej 2,8–3,6 V;

• barwa światła (długość fali) – diody LED emitują zazwyczaj jedną, określoną barwę światła – w bardzo wąskim zakresie długości fal. Zależy ona przede wszystkim od rodzaju użytego materiału półprzewodnikowego. Czerwone diody LED wykorzystują arsenek galu (GaAs) lub arsenek glinu (AlAs), aby emitować światło o długości fali ok. 620–660 nm. Diody niebieskie wykorzystują azotek galu (GaN) lub karbid krzemu (SiC) i emitują światło o długości fali ok. 430–485 nm. W diodach zielonych używany jest azotek galu (GaN) z domieszką indu (InGaN), a emitowane światło ma długość fali w zakresie 520–570 nm. Białe diody LED najczęściej emitują światło białe poprzez skonwertowanie światła niebieskiego lub niebiesko‑fioletowego na białe przy użyciu warstw fluorescencyjnych lub fosforyzujących;

• strumień świetlny (jasność) – wielkość fizyczna z dziedziny fotometrii wizualnej, określająca całkowitą moc światła emitowanego z danego źródła. Jednostką jej miary jest lumen (lm). Przy pomiarze strumienia świetlnego uwzględnia się czułość ludzkiego oka na różne barwy – określa ją tzw. funkcja luminancji. Dla przykładu dioda zielona osiąga znacznie wyższą luminancję niż dioda niebieska o tej samej mocy, ponieważ ludzkie oko postrzega światło zielone znacznie lepiej niż inne barwy;

• skuteczność świetlna (inaczej wydajność lub efektywność świetlna) – wartość ta określa strumień świetlny, jaki dane źródło światła jest w stanie wytworzyć z dostarczonej jednostki mocy. Wyrażona jest ona jednostką lumen/wat (lm/W). W przypadku diod LED najczęściej mieści się ona w granicach 70–120 lm/W.

Źródło: na podstawie InterElcom, https://interelcom.com/baza-wiedzy/dioda-led-charakterystyka-najwazniejszych-parametrow/.

• Laser wykorzystuje zjawisko wielokrotnego odbicia fali świetlnej. Wytworzone fotony poruszają się wzdłuż rezonatora i odbijają się od luster znajdujących się na brzegach rezonatora, przy czym jedno lustro całkowicie odbija światło o długości fali charakterystycznej dla lasera, zaś drugie jest częściowo przepuszczalne. Układ dwóch luster tworzy tzw. rezonator optyczny. Fotony zderzają się ze wzbudzonymi atomami, co powoduje uwalnianie porcji energii odpowiadającej fotonom, które uczestniczą w zderzeniach. Za sprawą rezonatora optycznego w układzie pozostają tylko fotony o kierunku propagacji zgodnym z osią rezonatora, co przy lawinowym wzroście kwantów energii powoduje, że wytworzona zostaje wiązka fotonów o określonym kierunku propagacji i dużym natężeniu. Wychodząca wiązka jest praktycznie liniowa dzięki dodatkowej polaryzacji (zewnętrznemu zasilaniu). W zależności od ośrodka, w którym następuje emisja fotonów, wyróżnia się lasery półprzewodnikowe, gazowe (dwutlenek węgla), na ciele stałym (rubinowe), na cieczy (barwnikowe). Znalazły one szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, lecz w zakresie telekomunikacji stosuje się lasery małej mocy (lasery dużej mocy stosowane są m.in. do cięcia materiałów).

• Lasery emitują światło spójne, to znaczy takie, które jest zdolne do interferencji, czyli do nakładania się na siebie kilku fal światła o tej samej częstotliwości. Oznacza to, że wszystkie fotony w wiązce mają tę samą fazę, polaryzację oraz długość fali. W rzeczywistości nie są identyczne dla wszystkich fotonów, ale na tyle do siebie zbliżone, że światło laserowe zachowuje spójność na dłuższym odcinku czasu. W technice światłowodowej spójność światła laserowego jest niezbędna do przesyłania sygnałów na duże odległości.

R1B7uiK5msArH

Ilustracja przedstawia laser gazowy, który składa się z cylindrycznej obudowy. Jest to rura wyładowcza wypełniona mieszaniną gazów. Rura umieszczona jest pośrodku. Z lewej strony znajduje się zwierciadło odbijające, a po drugiej stronie zwierciadło półprzepuszczalne. Poniżej zamontowany jest zasilacz wysokiego napięcia, który zasila elementy znajdujące się wewnątrz rury. Są to anoda do której płynie prąd dodatni i katoda z której wypływa prąd ujemny.

Diody laserowe, podobnie jak lasery, mają z dwóch stron półprzewodnika warstwy odbijające światło (lustra). Warstwy te tworzą rezonator optyczny, co znaczy, że jedna warstwa jest całkowicie nieprzepuszczalna dla światła, a druga jest częściowo przepuszczalna.

RCFN02spKaXYU

Ilustracja przedstawia budowę diody laserowej, która składa się z kilku warstw założonych na siebie. Na dole znajduje się warstwa z oznaczeniem N w kolorze zielonym, co oznacza polaryzację ujemną (katoda minus). Nad nią znajduje się szara warstwa, zwana złączem, a na niej kolejna warstwa w kolorze pomarańczowym z oznaczeniem P, co oznacza polaryzację dodatnią (katoda plus). Po bokach znajdują się dwie warstwy: jedna odbijająca światło, a druga półprzepuszczalna, która pozwala na emisję wiązki laserowej.

Po podłączeniu źródła zasilania do diody laserowej i jej polaryzacji w kierunku przewodzenia zacznie płynąć prąd, który powoduje powstawanie fotonów. Część fotonów pozostanie między warstwami rezonatora, odbijając się między krańcami, jednak część zderzy się z atomami wzbudzonymi napięciem zasilania, dzięki czemu wyemitowana zostanie energia. Zderzenie fotonu z atomem powoduje powstanie kolejnego fotonu. Jest to tzw. zjawisko emisji wymuszonej, dzięki któremu następuje gwałtowny wzrost wydzielanej energii w postaci światła. Oczywiście atomy mogą zostać ponownie wzbudzone ze źródła zasilania i uczestniczyć w wytwarzaniu kolejnych fotonów.

Najważniejsze paramatry diod laserowych (półprzewodnikowych) to:

• długość spójności (koherencji) – określa odległość propagacjipropagacjapropagacji, przez jaką promień lasera będzie koherentny. Lasery półprzewodnikowe osiągają długości koherencji na poziomie od 20 cm do 100 metrów. Zaawansowane lasery osiągają długości spójności przekraczające 100 km;

• długość fali emitowanego promieniowania elektromagnetycznego – wartość uzależniona od materiału, z którego wykonany jest ośrodek aktywny, np. laser półprzewodnikowy z GaN – długość fali 400 nm, laser półprzewodnikowy z InGaN – długość fali 400–500 nm, laser półprzewodnikowy z InGaAsP  – długość fali 1000–2100 nm;

• średnica wiązki – odnosi się do średnicy wiązki laserowej mierzonej na powierzchni wyjściowej obudowy lasera;

• rozbieżność wiązki, czyli to jak bardzo wiązka rozchodzi się na boki wraz z coraz większą odległością od wyjścia światła z urządzenia. Rozbieżność wiązki jest określona przez pełny kąt wiązki;

• moc wyjściowa – maksymalna wartość mocy światła laserowego po wyjściu wiązki z obudowy lasera; typowo moc wyjściową lasera podaje się z tolerancją na poziomie ±10%. Innymi słowy, moc lasera jest mierzona przed przejściem przez optykę na zewnątrz obudowy lasera. Oznacza to, że moc dostarczana w dalszej części urządzenia może być niższa. Jest to szczególnie istotne w przypadku np. urządzeń światłowodowych, gdyż moc całego systemu mierzy się za włóknem – laser musi dysponować zapasem mocy, by skompensować jej spadek na światłowodzie;

• klasa bezpieczeństwa – wskazuje, jak duże ryzyko dla człowieka i otoczenia stanowi dany laser. Klasy lasera, zdefiniowane w normie IEC 60825, uzależnione są od mocy i długości fali lasera.

Źródło: na podstawie Lasery - parametry, sterowanie i zastosowanie, Elektronika Praktyczna, https://ep.com.pl/rynek/temat-miesiaca/15275-lasery-parametry-sterowanie-i-zastosowanie.

RQKt1Z6xWuq4s

Grafika przedstawia charakterystyki widmowe lasera półprzewodnikowego.

Źródła światła wykorzystywane są do budowy nadajników światłowodowych. Stanowią element sieci światłowodowej i służą do przekształcania sygnału elektronicznego w sygnał optyczny. Uzyskany sygnał optyczny może być następnie przesyłany włóknami światłowodowymi jako impuls światła.

R88FhwsnahWuW

Ilustracja przedstawia nadajnik światłowodowy o szczytowej długości fali tysiąc trzysta nanometrów. Jest to urządzenie przetwarzające sygnał elektryczny na sygnał świetlny, który kierowany jest do światłowodu. Jest to niewielki element o obudowie w kształcie sześcianu w kolorze szarym. Na powierzchni obudowy widoczne są napisy informacyjne o producencie, modelu oraz specyfikacji technicznej. W jednej ze ścian widoczne jest cylindryczne wyprowadzenie.

Odbiorniki światła

W odbiornikach światła złącze p‑n jest rodzajem złącza półprzewodnikowego, które składa się z dwóch obszarów p (dziur) i n (elektronów) połączonych ze sobą. Jeżeli  złącze p‑n zostanie oświetlone, wówczas w wyniku zjawiska fotoelektrycznego zostaną wygenerowane nośniki ładunków pary elektron‑dziura. Spowoduje to wzrost gęstości prądu nośników mniejszościowych w półprzewodnikach i pojawienie się nieskompensowanego ładunku. W efekcie powstanie pole elektryczne wewnątrz złącza ustalające różnicę potencjałów między obszarami $\text{n}$ i $\text{p}$. Jako detektory w technice światłowodowej stosowane są fotodiody pin i lawinowe.

• Fotodioda p‑i-n to szczególny rodzaj fotodiody, w której pomiędzy warstwami domieszkowanymi typu $\text{p}$ i $\text{n}$ umieszczono warstwę wewnętrzną słabo domieszkowaną i. Ponieważ w półprzewodnikach rezystywność maleje wraz ze wzrostem domieszkowania, dlatego warstwy $\text{p}$ i $\text{n}$ mają bardzo małą rezystywność, zaś warstwa $\text{i}$ – dużą. W fotodiodzie p‑i-n występuje duży obszar zubożenia, który jest wykorzystywany do odbioru światła.

RfbsMiUYmq0fk

Grafika przedstawia schemat budowy fotodiody PIN. Fotodioda PIN to rodzaj diody półprzewodnikowej wykorzystywanej do detekcji światła. Rysunek wykorzystuje pomarańczowy prostokąt z literą i w środku dla oznaczenia warstwy niezanieczyszczonej, bez domieszek. Warstwa ta oddziela dwie warstwy zanieczyszczone. Na rysunku przedstawione za pomocą kwadratów. Jeden zielony to typoszeregowa warstwa zanieczyszczona typu pe. Natomiast kwadrat szary oznacza warstwę typoszeregową typu n. Widoczne na rysunku są również czerwone linie faliste imitujące światło.

Aby fotodioda p‑i-n działała jako detektor światła, musi pracować przy polaryzacji w kierunku zaporowym. Po przyłożeniu do fotodiody p‑i-n napięcia obszar zubożenia warstwy wewnętrznej zaczyna rozszerzać się. W rezultacie nie popłynie prąd, ponieważ nie zachodzi rekombinacja ładunków elektron–dziura. Pod wpływem padającego światła każdy foton generuje parę ładunków elektron–dziura. Ze względu na działające pole elektryczne ładunki par elektron–dziura rozdzielają się i powodują przepływ prądu elektrycznego proporcjonalny do ilości padającego światła.

Diody p‑i-n charakteryzuje wysoka rezystancja oraz niska pojemność dla polaryzacji w kierunku zaporowym, a w układzie pracy ze zmienną impedancją – niewielkie tłumienie diody załączonej i wysokie tłumienie, gdy dioda nie przewodzi.

• Fotodiody lawinowe (APD) są bardzo czułe i pozwalają na przekształcanie sygnału optycznego w elektryczny. Pod względem budowy fotodioda lawinowa jest podobna do fotodiody p‑i-n, przy czym obok dwóch silnie domieszkowanych warstw ${\text{p}}^{+}$ i ${\text{n}}^{+}$ oraz słabo domieszkowanej warstwy $\text{i}$ umieszczono dodatkowo słabo domieszkowaną warstwę $\text{p}$.

RE6Tv01k0WDWa

Grafika przedstawia schemat budowy fotodiody lawinowej. Fotodioda lawinowa to rodzaj diody półprzewodnikowej wykorzystywanej do detekcji światła. Rysunek wykorzystuje pomarańczowy prostokąt z literą i w środku dla oznaczenia warstwy niezanieczyszczonej, bez domieszek. Warstwa ta oddziela dwie warstwy zanieczyszczone. Na rysunku przedstawione za pomocą kwadratów. Jeden zielony to typoszeregowa warstwa silnie domieszkowana typu pe plus. Natomiast kwadrat szary oznacza warstwę silnie domieszkowaną typu n plus. Zastosowanie w tym typie fotodiody dodatkowej słabodomieszkowej warstwy typu pe powoduje efekt lawinowy, co prowadzi do wzrostu prądu w tej diodzie. Widoczne na rysunku są również czerwone linie faliste imitujące światło.

Dioda lawinowa jest również polaryzowana w kierunku zaporowym. Po podaniu wysokiego napięcia wstecznego w diodzie zachodzi zjawisko lawinowe napięcia zewnętrznego. Napięcie to zwiększa pole elektryczne w warstwie zubożonej. Padające światło powoduje powstanie par elektron–dziura, które po rozdzieleniu w wyniku działania pola elektrycznego powodują przepływ prądu elektrycznego. Elektrony i dziury przemieszczają się z maksymalną prędkością w kierunku złącza ${\text{pn}}^{+}$. Sprawia to, że nośniki zderzają się z atomami i powodują wyzwolenie nowych par elektron–dziura, a tym samym powstanie dużego prądu fotoelektrycznego.

Fotodiody lawinowe wykonane na bazie krzemu pracują w szerokim paśmie 450–1000 nm. Zakres ich maksymalnej czułości przypada na pasmo 600–850 nm – patrz rys. 4.3. Współczynnik wzmocnienia tych diod jest stosunkowo duży, sięga wartości M = 103. Dla większych długości fal fotodiody lawinowe wykonuje się na bazie InGaAs. Ich współczynnik wzmocnienia nie przekracza zwykle 102. .

Fotodiody lawinowe stosowane są w systemach komunikacji światłowodowej, a także w systemach sensorów optycznych.

Odbiorniki światłowodowe zamieniają dane z przewodów światłowodowych na sygnały elektryczne. Odbiorniki zawierają fotodetektory, ale również wzmacniacz, który zapewnia sygnał zgodny z przyjętym standardem logicznym.

R19qnosC1DBJp

Ilustracja przedstawia odbiornik światłowodowy. Jest to element wykonany z tworzywa sztucznego Na powierzchni odbiornika, który ma kształt sześcianu, znajdują się informacje dotyczące producenta, modelu i parametrów technicznych. Do obudowy przylega cylindryczna tuleja, której płaszczyzna końcowa jest płaska. Ułatwia to łączenie tulei z innymi elementami.

Przejdź do animacji „Wytwarzanie włókien i propagacja światła we włóknach, budowa i wytwarzanie kabli światłowodowych”DOg5e30gFPrzejdź do animacji „Wytwarzanie włókien i propagacja światła we włóknach, budowa i wytwarzanie kabli światłowodowych”

Wróć do spisu treściDxc7o3Y5YWróć do spisu treści

Powrót do materiału głównegoDJ7PjTKBRPowrót do materiału głównego