Разработка оптического приемного устройства, страница 2

Характеристики p-i-n - фотодиодов можно существенно улучшить при использовании двойной гетероструктуры. Также как для полупроводникового лазера средний слой (типа «i») создается между слоями р - типа и п - типа различных полупроводников, разность уровней которых выбирается такой, что свет поглощается только в среднем слое. В p-i-n фотодиодах для световых систем обычно используется InGaAs - для среднего слоя и InP для прилегающих слоев «р» и «п». На рисунке 1.2 показан такой p-i-n фотодиод.

 

Рисунок 1.2 -  Конструкция p-i-n-фотодиода на InGaAs

 Полоса фотодетектора определяется скоростью, с которой он реагирует на изменения поступающей оптической мощности. Для этой цели воспользуемся понятием времени установления T_r (индекс r - нарастание), определяемом как время, в течение которого ток нарастает от 10% до 90% установившейся величины, когда поступающая оптическая мощность резко изменяется. Время установления можно записать как:

                                         ,                                            (1.1)            

где t_tr - время передачи

  t_RC - постоянная времени эквивалентной RC - цепи.

Время передачи добавляется к t_RC, потому что требуется определенное время, чтобы собрать носители, создаваемые при поглощении фотонов. Максимальное время собирания как раз равно времени, которое необходимо электрону, чтобы пересечь область поглощения. Ясно, t_tr можно уменьшить уменьшением w. Однако при этом квантовая эффективность начинает существенно уменьшаться при aw<3. Таким образом, необходим компромисс между полосой и чувствительностью (скорость против чувствительности) фотодетектора. Постоянная времени RC ограничивает полосу из-за паразитных электрических элементов. Численные значения t_tr и t_RC зависят от конструкции детектора и могут изменяться в широких пределах. Ширина полосы связана с ними как

                                           (1.2)                

Таким образом, существует обратная взаимозависимость между шириной полосы Df и временем установления T_r линейной системы.  Понятие времени установления используется, чтобы назначить ширину полосы для всех составляющих линию частей.

Таблица 1.1 дает параметры трех обычно используемых p-i-n фотодиодов .

Таблица 1.1 -  Параметры обычных p-i-n фотодиодов

Параметр	Символ	Единицы	Si		Ge		InGaAs
Длина волны	l	мкм	0,4-1,1	0,8-1,8		1,0-1,7
Токовая чувствительность	S	А/Вт	0,4-0,6	0,5-0,7		0,6-0,9
Квантовая эффективность	h	%	75-90	50-55		60-70
Темновой ток	Id	пА	1-10	50-500		1-20
Время установления	Tr	псек	0,5-1	0,1-0,5		0,05-0,5
Ширина полосы	Df	ГГц	0,3-0,6	0,5-3		1-5
Напряжение смещения	vв	В	50-100	6-10		5-6

В 1990^х годах значительные усилия были предприняты для разработки высокоскоростных фотодиодов, для работы на скоростях, превышающих 10 Гбит/сек. Ширина полосы 70 ГГц была реализована в 1996 году при использовании тонкого поглощающего слоя (<1 мкм) и уменьшением паразитной емкости с_р за счет более низкой квантовой эффективности и чувствительности детектора. К 1995 году ширина полосы pin диодов достигла 110 ГГц, и приборы были сконструированы с уменьшенным значением t_RC~1 псек.

Параметры оптического приемника зависят от  отношения сигнал/ шум (SNR) ζ. SNR любого оптического сигнала определяется как :

                            ,                    (1.3) 

где использован тот факт, что электрическая мощность пропорциональна квадрату тока.

Общий шумовой ток получается сложением вкладов двух типов шумов: дробового i_дш(t) и теплового i_T(t). Так как i_дш(t) и i_T(t) независимые случайные процессы с примерно Гауссовской статистикой, общее отклонение из-за флюктуаций тока DI=I-I_ф= i_дш+i_T, можно получить, складывая эти индивидуальные отклонения. В результате:

                   ,           (1.4)

Используя указанные соотношения (1.3) и (1.4), а также, учитывая что:

                                          I_ф = S P_in,                                                     (1.5)

SNR связано с поступающей мощностью:

                               ,                        (1.6)

где       - чувствительность p-i-n фотодиода.

D_ш -коэффициентом шума усилителя (в разах);

Р_in – мощность на входе фотодетектора;

q- заряд электрона;

Т – температура в градусах Кельвина;

К_В – постоянная Больцмана;

I_m – темновой ток фотодиода;

R_н – сопротивление в эквивалентной схеме входной цепи фотоприемного устройства;

Δf – электрическая полоса пропускания фотоприемного устройства.

В большинстве случаев, представляющих практический интерес, тепловой шум преобладает сточки зрения влияния на параметры приемника (). Пренебрегая  SNR, определяемое по формуле (1.5) становиться:

                                          ,                                               (1.7)            

Таким образом, SNR (ζ) пропорционально P²_in, когда ограничивающим фактором являются тепловые шумы. Также важно увеличивать сопротивление нагрузки. В этом причина, почему большинство приемников используют высокоимпедансный или трансимпедансный входы.

Рассмотрим противоположный предел, при котором параметры приемника зависят главным образом от дробового шума (). Так как  пропорционально P_in, предел ограничения дробовым шумом достигается при большой поступающей мощности. Темновым током при этом можно пренебречь. Уравнение (1.5)  при этом дает следующее значение для SNR:

                                      ,                                         (1.8)  

SNR возрастает линейно с P_in при ограничении дробовым шумом и зависит только от квантовой эффективности h, полосы частот Df и энергии фотона hn .