5.1 Фотодетекторы

1. К фотодетекторам оптических систем связи предъявляются следующие требования:

• высокая чувствительность;

• требуемые спектральные характеристики и широкополосность;

• низкий уровень шумов;

• требуемое быстродействие;

• длительный срок службы;

• использование в интегральных схемах совместно с оптическими усилителями.

В большой степени этим требованиям отвечают фотодиоды.

2. В технике оптической связи наибольшее применение получили p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД). 

3. Полупроводниковые фотодиоды обеспечиваю требуемую полосу частот и быстродействие.

4. Характеристики p-i-n фотодиода

Рисунок 5.1 - Спектральная чувствительность фотодиодов

Рисунок 5.2 - Вольт-амперная характеристика фотодиода

Рисунок 5.3 - Характеристика быстродействия

5. Полоса детектируемых частот фотодетектора оценивается на уровне 0,707 от максимальной чувствительности.

6. Завалы спектральной характеристики обусловлены длинноволновой границей чувствительности и шунтирующим действием емкости запертого p - n перехода на высоких частотах, когда из-за высокой энергии фотоны не успевают взаимодействовать атомом материала.

7. Лавинные фотодиоды, ЛФД (avalanche photodiode (APD)) — это высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта. Их можно рассматривать в качестве фотоприёмников, обеспечивающих внутреннее усиление посредством эффекта лавинного умножения. С функциональной точки зрения они являются твердотельными аналогами фотоумножителей. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей (≲ 1 нВт). В отличии от p-i-n фотодиода, в конструкции есть дополнительная область Р⁺.

8. При подаче сильного обратного смещения (близкого к напряжению лавинного пробоя, обычно порядка нескольких сотен вольт для кремниевых приборов), происходит усиление фототока (примерно в 100 раз) за счёт ударной ионизации ( лавинного умножения) генерированных светом носителей заряда. Суть процесса в том, что энергия образовавшегося под действием света электрона увеличивается под действием внешнего приложенного поля и может превысить порог ионизации вещества, так что столкновение такого «горячего» электрона с электроном из валентной зоны может привести к возникновению новой электрон-дырочной пары, носители заряда которой также будут ускоряться полем и могут стать причиной образования всё новых и новых носителей заряда.

9. Величина t _б определяется временем дрейфа носителей через i-область. Поэтому для увеличения быстродействия желательно уменьшить толщину i – слоя для электрического тока и сохранять толщину для светового потока.

10. Существует ряд формул для коэффициента лавинного умножения (M), довольно информативной является следующая:

где L — длина обрасти пространственного заряда, а α — коэффициент умножения для электронов (и дырок). Этот коэффициент сильно зависит от приложенного напряжения, температуры и профиля легирования. Отсюда возникает требование хорошей стабилизации питающего напряжения и температуры, либо учёт температуры задающей напряжение схемой.

11. Шумы фотодиодов.

• Шумы темнового тока обусловлены шумом движения свободных носителей, шумом тепловой генерации пар носителей зарядов, шумом рекомбинации пар, шумом движения пар, шумом исчезновения свободных носителей, температурными изменениями.

• Шум фототока (дробовый шум) обусловлен квантовыми процессами случайного возникновения пар носителей зарядов, шумом фоновой засветки, шумом отражения и поглощения в окне, шумом генерации и рекомбинации пар и т. д.

• Тепловой шум вызывается случайным тепловым движением электронов в нагрузке фотодетектора

• Фоновый шум, возникающий при случайной засветке фотодиода

12. Шумы темнового тока и дробовый шум не устранимы.

13. Фотодиоды конструкции TAP разработаны в середине 90-х годов 20 века для преодоления проблемы частотного ограничения детектируемых сигналов. Проблема связана с паразитными ёмкостями и резисторами фотодиодов P-i-N и APD . Разработки этих приборов особенно актуальны для систем передачи на скорости 160 Гбит/с (например, STM 1024). Фотодиоды TAP обеспечивают эффективное детектирование оптических сигналов в полосе частот до 200ГГц, что в сравнении с приборами P-i-N и APD даёт преимущество по полосе частот в 4-5 раз. При этом сохраняется температурная стабильность и интегрируемость приборов.

Рисунок 5.4 - Расположение зон оптического усиления и поглощения в распределённых фотодетекторах бегущей волны TAP (TPWD и P-TPWD)

Как видно из рисунка входная оптическая мощность увеличивается усилителем до величины насыщения. Это может происходить однократно и многократно и тем можно добиваться требуемой величины фототока и быстродействия.

5.2 Фотоприемные устройства.

1. При прямом детектировании оптический сигнал направляется на фотодетектор и на выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал (рисунок 6.1).

Рисунок 5.1 - Прямое детектирование оптического сигнала

Электрический сигнал образуется в виде изменяющегося электрического тока (фототока), который усиливается каскадом усилителя с малым собственным шумом.

При детектировании с преобразованием оптический сигнал направляется на фотодетектор вместе с сигналом опорного оптического генератора (ООГ), который должен быть согласован с генератором – передатчиком. На выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал или сигнал радиочастоты, содержащий информационный сигнал (рисунок 6.2).

Рисунок 5.2 - Детектирование с преобразованием

2. С труктурная схема ФПУ с детектированием.

Рисунок 5.3 -Структурная схема ФПУ с детектированием.

1– оптический усилитель.

2– фотоэлектронный полупроводниковый преобразователь (ЛФД или p-i-n ФД).

3– предварительный малошумящий усилитель с полосой пропускания, согласованной с ПЧ (полосой частот) вх.сигнала. ПУ предназначен для достижения max отношения сигнал/шум. Требования по max усилению вх.сигнала к нему не предъявляют.

4- главный усилитель. Максимально увеличивает уровень сигнала. Работу этого блока контролирует АРУ.

5– устройство коррекции. Здесь компенсируются искажения, внесенные входной цепью ФПУ и уменьшает мощность шума.

6– устройство обработки сигнала. Позволяет восстановить импульсную или аналоговую форму сигналу.

3. В сборках фотоприемных устройств в качестве предварительных усилителей (ПУс) применяются в основном два типа усилителей: интегрирующие и трансимпедансные.

4. Входная цепь состоит из оптического усилителя и фотоэлектронного полупроводникового преобразователя (ЛФД или p-i-n ФД).

5. Входной сигнал поступает на оптический усилитель. Сигнал на входе блока ОУ передается на рабочей длине волны λ₁ и поступает на оптический гибридный смеситель. Смешанное излучение поступает на блок ФЭППП. С его выхода сигнал в электрическом виде поступает на блок предварительного усилителя.