Optisk kommunikation i deep space - Steen Eiler Jørgensen

38 Optisk kommunikation
hvorved der frigives endnu flere elektroner. På denne måde kan fotomultiplikatorrøret
levere et gain op mod 105 − 106 ([21], s. 31.) Det interessante ved
fotomultiplikatorrøret er, at dette gain er støjfrit, dvs. SNR er bevaret efter
forstærkningen. Fotomultiplikatorrøret har desværre også en række ulemper.
Dels kræver det naturligt nok en stor spændingsforskel (typisk 1 1
2−2 kV), som
kan være problematisk at generere på en rumsonde. Dels var fotomultiplikatorrør
især tidligere temmeligt store og tunge; der er dog de senere år blevet udviklet
mere kompakte fotomultiplikatorrør. Dels har fotomultiplikatorrøret den
ulempe, at den har en meget lav kvanteeffektivitet; der går altså mange indkommende
fotoner til spilde. Sidst men ikke mindst sker der en tidslig ‘udsmøring’
af signalet, da elektronerne i røret bevæger sig ad forskellige baner frem mod
anoden. Denne effekt stiger desværre i takt med gainet, da et højere gain kræver
flere dynoder, og flere dynoder betyder længere vejlængder for elektronerne.
Denne tidslige dispersion af de ankommende elektroner udgør en væsentlig begrænsning
af den mulige båndbredde til kommunikation. ([21], s. 32.)
p-i-n-fotodioden
p-i-n-fotodioden er en p-n-overgang, som er forspændt i spærreretningen. Indkommende
fotoner vil blive absorberet, og skabe elektron-hul-par. Disse ladningsbærere
vil da blive ‘suget’ mod p-n-overgangen, hvor de vil give anledning
til en strøm gennem denne. Til p-i-n-fotodiodens fordel taler, at den har en høj
kvanteeffektivitet, dvs. den er i stand til at detektere en meget høj andel af de
indkommende fotoner – kun ganske få fotoner ‘går til spilde’. Til gengæld har
den intet indbygget gain.
Avalanche-fotodioden
Avalanche-photodioden (APD) er en p-i-n-diode, forspændt i spærreretningen,
men med en spænding meget tæt på materialets breakdown-spænding. De fotoelektrisk
producerede ladningsbærere vil således hurtigt få så høj en energi, at
de selv er i stand til at skabe flere ladningsbærere. På denne måde er en enkelt
foton i stand til at skabe en hel kaskade (“avalanche”, lavine) af ladningsbærere,
således at APDen synes at have en indbygget forstærker. Typisk forstærkes én
fotoelektron op til 200 for Si-APDere, og noget mindre for APDere af Ge, In-
GaAs og InGaAsP. ([23], s. 39) Desværre er gainet i en APD forbundet med
en vis støj, da avalanche-processen er behæftet med shot noise. Til gengæld besidder
APDen p-i-n-fotodiodens høje kvanteeffektivitet, hvilket gør den til den
mest oplagte kanditat som detektor i forbindelse med optisk kommunikation i
rummet.
En særlig version af APDen, der er interessant i forbindelse med optisk kommunikation,
er kvadrant-APDen – QAPD. QAPDen er inddelt i fire lige store
kvadranter, og udover at den fungerer som en almindelig APD-detektor, er det
også muligt, ved at sammenligne forskellene i den inducerede strøm mellem de
fire kvadranter, at kontrollere, at teleskopet peger i den rigtige retning, og hvis
ikke, hvilken retning, man bør bevæge det i. QAPDen kan således anvendes som
både acquisition- og tracking-detektor, samt som egentlig kommunikationsde-