Оптический приемник прямого усиления состоит из антенны, фильтра, оптического квантового усилителя, детектора, усилителя видеосигналов и устройства обработки информации. Антеннами оптических приемников служат хорошо всем известные оптические приборы, собирающие световые лучи в узкий пучок.
В оптических приемниках прямого усиления детектор выполняет две функции — преобразует принятый сигнал в электрический и производит его демодуляцию. Тип детектора в основном и определяет схему приемника.
Рассмотрим способы построения приемников прямого усиления и характеристики используемых детекторов. В оптических приемниках прямого усиления в качестве детектора могут применяться фотоэлектронные умножители, лампы бегущей волны с фотокатодом и различные полупроводниковые устройства, в которых используются явления фотопроводимости, фотогальванический и фотомагнитоэлектрический эффекты. Детекторы оптического диапазона волн делят на две основные группы: детекторы с интегрированием (накапливанием) энергии и детекторы с отсчетом частиц. В зависимости от типа применяемого детектора оптические приемники прямого усиления делят на тепловые и фотоэлектрические.
Тепловые приемники
В тепловых приемниках используется эффект преобразования лучистой энергии в тепловую. В качестве детекторов таких приемников наибольшее распространение получили хорошо известные термоэлементы, болометры и термисторы. В принципе тепловые приемники могут быть использованы в очень широком диапазоне частот вплоть до радиочастот. Минимальная мощность, которую могут обнаружить наиболее чувствительные тепловые детекторы (термоэлементы и болометры) в полосе 1 Гц, составляет 10-10—10-11 Вт.
Тепловые приемники имеют большую инерционность, а значит, узкую полосу пропускания. Детекторы тепловых приемников должны иметь малые размеры и по возможности не терять энергию за счет теплопроводности и излучения.
Фотоэлектрические приемники
В фотоэлектрических приемниках применяемые детекторы в зависимости от процесса взаимодействия электромагнитного излучения с веществом подразделяют на детекторы с внешним и внутренним фотоэффектом.
Внешний фотоэффект сопровождается эмиссией электронов с поверхности фотодетектора под воздействием падающего на детектор лазерного излучения.
В случае если энергия фотонов недостаточна для образования эмиссии электронов, но достаточна для появления свободного электрона и свободной дырки, то эффект, вызывающий это явление, называется внутренним фотоэффектом.
В зависимости от физических проявлений различают три формы внутреннего фотоэффекта:
- фотопроводимость (изменение сопротивления вещества под воздействием лазерного излучения);
- фотогальванический эффект (возникновение ЭДС под действием света);
- фотоэлектромагнитный эффект (возникновение под воздействием излучений лазера в поверхностном слое полупроводника пары электрон — дырка, которые, взаимодействуя с магнитным полем, создают разность потенциалов между противоположными гранями полупроводника).
В качестве детекторов фотоэлектрических приемников, использующих внешний фотоэффект, применяют электростатический фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), динамический ФЭУ со скрещенными полями, широкополосный вакуумный фотоэлемент, фотоклистрон, фотоэлемент с лампой бегущей волны (фото-ЛБВ). Фотоэлектрические приемники, использующие детекторы с внутренним фотоэффектом, могут быть построены на фотосопротивлениях, полупроводниковых фотодиодах, детекторах с фотоэлектромагнитным эффектом и фотопараметрических детекторах.
Кратко рассмотрим основные характеристики вышеперечисленных детекторов.
Электростатические фотоэлектронные умножители (ФЭУ) состоят из фотоэмиссионной поверхности и нескольких каскадов умножения вторичных электронов. Анод ФЭУ соединяется последовательно с сопротивлением нагрузки, которое обычно входит во входную цепь последующего каскада, в частности, во входную цепь усилителя.
В ФЭУ используются серебряно-кислородно-цезиевые, сурьмяно-цезиевые, висмуто-серебряно-цезиевые и многощелочные фотокатоды. Серебряно-кислородно-цезиевые фотокатоды обладают наибольшей чувствительностью на волне 0,8 мкм, при этом квантовая эффективность катодов равна 5x10-9.
Сурьмяно-цезиевые фотокатоды имеют максимальную чувствительность в сине-зеленой области спектра (квантовая эффективность на волне 0,45 мкм равна 0,2).
Висмуто-серебряно-цезиевые фотокатоды имеют квантовую эффективность около 0,1 в диапазоне частот, видимых человеческим глазом. Многощелочным катодам свойственны высокая интегральная чувствительность и малые темновые токи.
Электростатические фотоэлектронные умножители имеют высокую чувствительность, большой коэффициент усиления и хорошую частотную характеристику. Они позволяют осуществлять прием сигналов лазера, модулированных частотами 100—200 МГц.
Динамический ФЭУ со скрещенными полями имеет коэффициент умножения порядка 105. Такое умножение достигается за счет одновременного действия сильного электрического поля СВЧ и перпендикулярного к нему постоянного магнитного поля. Такой прибор имеет полосу пропускания порядка гигагерц.
Широкополосный вакуумный фотоэлемент — это полупроводниковый плоскостной диод, помещенный в волновод. Это устройство может детектировать сигналы лазера, модулированные частотами до 10 000 МГц. Фотоклистрон состоит из фотодиода и объемного резонатора или широкополосного волновода, в котором выделяется частота модуляции. Фотоклистрон обладает большой широкополосностью и обеспечивает детектирование сигналов, модулированных частотами до 8—13 ГГц.
Фото-ЛБВ — считаются наиболее перспективными приборами. Они имеют очень широкую полосу пропускания и высокую чувствительность. Фото-ЛБВ представляет собой комбинацию фотоэлемента и лампы бегущей волны спирального типа. Приемники лазерного излучения, использующие в качестве детектора фото-ЛБВ, могут обеспечить прием сигналов, которые промодулированы частотами сантиметрового и дециметрового диапазонов волн.
Фотосопротивления имеют предельную чувствительность в пределах 10-10—10-12 Вт, постоянную времени 10-6—10-7 сек, выдерживают значительные входные мощности и не выходят из строя, что является их большим преимуществом. Недостаток фотосопротивлений в том, что они имеют довольно высокий уровень генерационно-рекомбинационного шума.
Полупроводниковые фотодиоды характеризуются хорошей спектральной и интегральной чувствительностью, высоким КПД и малой инерционностью.
Детекторы с фотоэлектромагнитным эффектом изготавливаются из сурьмянистого индия. Достоинством этих детекторов является то, что они позволяют работать без дополнительного напряжения смещения и имеют малую постоянную времени (менее 1 мксек). Основными шумами данного детектора являются тепловые шумы.
Фотопараметрические детекторы не только демодулируют принятый сигнал, но и усиливают его. Такой детектор позволяет создать приемник с большой чувствительностью, возможен прием сигналов с очень широкой полосой, модуляции. Наивысшая частота детектируемого сигнала ограничивается подвижностью электронов и «дырок», их рекомбинацией, сопротивлением и емкостью цепи. Фотопараметрические диоды обладают высоким усилением, низким коэффициентом шума и широкой полосой пропускания.
Итак, по широкополосности, малой инерционности, высокой чувствительности наибольший интерес представляют приемники прямого усиления, в которых в качестве детекторов используются фото-ЛБВ и полупроводниковые фотодиоды.
Фотоэлектрические приемники по сравнению с тепловыми имеют ряд преимуществ. Так, их реакция на энергию, излучаемую лазером, не зависит от изменения температуры чувствительного слоя детектора. Величина электродвижущей силы в приемниках зависит в основном от величины эмиссии электронов, вызванной поглощением квантов. Большое значение имеет также независимость постоянной времени детектора от теплоемкости. Постоянная времени определяется только фотоэлектрическими свойствами чувствительного материала детектора.