Разработка оптического приемного устройства, страница 3

Оценим величину отношения сигнал/помеха, приведенное ко входу усилителя приемного устройства, при передаче цифровых  сигналов в формате NRZ со скоростью 2,5Гбит/сек, принимаемая мощность P_in=1мкВт, вероятности ошибки Р_ош=10^-10 и  использовании  трансимпедансного усилителя с коэффициентом шума D_ш=4, входным сопротивлением R_н=125кОм и германиевого ФД 40Б p-i-n фотодиода, имеющего следующие параметры :

-  длина волны λ=1,55мкм,

-  темновой ток I_m=10нА,

-  чувствительность S=0,8А/Вт

-  собственная емкость фотодиода С_ф=0,3пФ

Так как сигнал цифровой в формате NRZ, то Δf = В/2=1,25 Гбит/сек.

Тогда воспользовавшись формулами (1.3) - (1.8) получаем:

Составляющая дробового шума:

Найдем составляющую шума, приведенного ко входу усилителя:

,

,

,

тогда

Соответствующая защищенность А_з=28,6дБ.

Таким образом, в данном примере шум, обусловленный усилителем , оказался больше дробового шума фотодиода .

При преобладании теплового шума (). Пренебрегая  SNR становиться, согласно (1.7):

Соответствующая защищенность А_з=30дБ

При преобладании дробового шума (), используем выражение (1.8) имеем:

Соответствующая защищенность А_з=33дБ

1.2 Лавинные фотодиоды

       Все детекторы требуют для надежной работы определенного минимального тока. Требование к току переводится в требование к минимальной мощности . Предпочтительными являются детекторы с большой чувствительностью, так как они требуют меньшей оптической мощности. Чувствительность p-i-n - фотодиодов   имеет максимальную величину  при h=1. ЛФД - диоды могут иметь много большую величину S, так как они сконструированы, чтобы обеспечить внутреннее усиление тока, подобно тому, как это происходит в фотоумножителях. ЛФД используют, когда величина поступающей на приемник оптической мощности ограничена.

Физическое явление, лежащее в основе усиления тока, известно как ударная ионизация. При определенных условиях получивший ускорение электрон может приобрести достаточно энергии для генерации новой пары электрон - дырка. Обладающий энергией электрон отдает часть своей энергии другому электрону в валентной связи, который переходит на уровень проводимости, оставляя дырку. Общий результат ударной ионизации в том, что один первичный электрон, генерируемый при поглощении фотона, создает много вторичных электронов и дырок, вносящих вклад в величину тока. Скорость генерации определяется двумя параметрами a_е и a_h (индексы: е - электрон, h - дырка), известные как коэффициенты ударной ионизации соответственно для электронов и дырок.

ЛФД конструктивно отличаются от p-i-n фотодиодов главным образом в одном отношении: добавлен дополнительный слой, в котором генерируются вторичные пары электрон-дырка посредством ударной ионизации. Рисунок 1.3 показывает структуру ЛФД вместе с изменением в разных слоях электрического поля. При обратном смещении сильное электрическое поле существует в слое р, созданном между слоями i и n. Этот слой называется слоем умножения, так как вторичные пары электрон - дырка генерируются в этом слое. Слой «i» все еще действует как обедненная зона, в которой поглощается большая часть фотонов и генерируются первичные пары электрон - дырка. Электроны, генерируемые в области «i» пересекают область усиления (р) и создают вторичные пары электрон - дырка, обуславливающие усиление тока.

	свет

 

                                                                     n      

	Поле Е

 

                                                                             

Дырки Электр..

 

                                                                                

расстояние

                                                                             

 

P- n переход.

Рисунок 1.3 – Лавинный фотодиод  и распределение электрического поля внутри различных слоев при обратном смещении

Необходимо подчеркнуть, что лавинный процесс по своей природе создает шум, проявляющийся в виде флюктуаций коэффициента усиления относительно средней величины.   Присущая ЛФД полоса зависит от коэффициента усиления М. Это легко уяснить, заметив, что время прохождения t_tr для ЛФД не определяется уравнением          , но значительно возрастает просто из-за того, что генерация и сбор пар электрон-дырка требует дополнительного времени. Усиление ЛФД уменьшается на высоких частотах, потому что время прохождения ограничивает ширину полосы. Уменьшение М(w)  можно записать в следующем виде:

                                 ,                                           (1.9)

где     М_о=М(0) - низкочастотное усиление;

t_е - эффективное значение времени прохождения, которое зависит от отношения ионизационных коэффициентов .

Для случая a_e>a_h , где С_А постоянная (С~1) (индекс А - лавинный). При t_CR<<t_e, ширина полосы примерно:

                      Df = (2pt_eM_o)^-1,                                                              (1.10)

  Соотношение (1.10) показывает необходимость компромисса между усилением ЛФД и шириной полосы (между скоростью и чувствительностью). Это также показывает преимущество полупроводников, для которых К_А<<1.

Таблица 1.2  -  Характеристики обычных лавинных фотодиодов

Параметр	Символ	Единицы	Si	Ge			InGaAs
Длина волны	l	мкм	0.4-1,1		0,8-1,8	1,0-1,7
Чувствительность детектора	SAPD	А/Вт	20-60		20-60	20-60
ЛФД усиление	M	%	100		10	10
Коэффициент К	KA		<<1		<1	0,7
Темновой ток	Id	пА	150.		400	30
Время установления	Tr	псек	0,5-1,1		0.3-1	0.3
Напряжение смещения	v	В	25-50		20-45	15-35