Очевидно, что слабый оптический сигнал не может быть обнаружен детектором, потому что малый фототок, который он генерирует, маскируется большим темным током.

3.2 Параметры и характеристики ЛФД

Лавинный фотодиод (ЛФД) – это полупроводниковый детектор на основе p–n-перехода, имееющий внутренний коэффициент усиления, который увеличивает значение токового отклика по сравнению с p–n- или p–i–n-приборами. Наличие усиления в ЛФД делает его похожим на вакуумный фотоумножитель. Коэффициент лавинного усиления, однако, является намного меньшим, чем в ФЭУ, и ограничен значениями в несколько сот или менее. Однако, наличие внутреннего усиления делает лавинные фотодиоды намного более чувствительными детекторами, чем p–i–n-диоды.

Лавинное умножение происходит следующим образом. Поглощенный в обедненной области фотон, создает свободный электрон и свободную дырку. Высокое электрическое поле, существующее в обедненной области, заставляет носителей заряда ускоряться, что увеличивает их кинетическую энергию. Когда быстро движущиеся заряды сталкиваются с нейтральными атомами, они создают дополнительные электронно-дырочные пары, т.е. часть их кинетической энергии используется, чтобы сообщить связанным электронам энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны. Один ускоренный заряд может сгенерировать несколько вторичных. Вторичные заряды также могут ускоряться и создавать еще большее количество электронно-дырочных пар. Это явление называется лавинным умножением.

Электрическое поле, ускоряющее носители, должно быть сильным, чтобы придать зарядам значительную кинетическую энергию. Это обеспечивается с помощью большого обратного напряжения смещения (несколько сотен вольт в некоторых образцах). Коэффициент усиления увеличивается с ростом напряжения смещения vd в соответствие с аппроксимирующим выражением Миллера

, (3.2.)

где Vпр – обратное напряжение пробоя диода, и n – экспериментально определяемый параметр, значение которого больше единицы. Напряжение пробоя лежит в интервале от 20 до 500 В.

, (3.3)

где h – квантовая эффективность при коэффициенте усиления, равном единице. Этот результат аналогичен соотношению для фотоумножителя.

Токовый отклик ЛФД

. (3.4)

Типичные значения токового отклика в лавинном режиме лежат в интервале от 20 до 80 A/Вт.

Лавинные фотодиоды обычно являются модификациями p–i–n-диодов. Используемые материалы и области спектральной чувствительности, являются одинаковыми. Один из вариантов ЛФД, называемый “диодом с проникновением поля”, показан на рисунке 3.4. Здесь p+– и n+–слои являются высоколегированными низкоомными областями, на которых происходит очень малое падение напряжения. p–область слегка легирована, т.е. имеет почти собственную проводимость. Большинство фотонов поглощаются в этом слое, создавая электронно-дырочные пары. Как показано на рисунке, фотоэлектроны двигаются в p-область, которая обеднена свободными носителями заряда вследствие большого обратного напряжения смещения. В действительности, обедненная область p–n+-перехода “проникает” в p–область. Наиболее сильное падение напряжения происходит в области p–n+-перехода, где большое электрическое поле вызывает лавинное умножение. В этом приборе умножение начинается электронами. Дырки, сгенерированные в p-области, дрейфуют к p+-электроду и не принимают участия в процессе умножения. Структура, в которой процесс умножения начинается носителями заряда одного типа, имеет хорошие шумовые характеристики.

Как и в фотодиоде без умножения, скорость отклика ЛФД ограничена временем пролета носителей заряда и RC-постоянной времени. Время пролета в лавинных фотодиодах, соответствующее времени нарастания, составляет несколько десятых долей наносекунды. Время нарастания меньшее 100 пс достигнуто и для кремниевых и для германиевых ЛФД.

3.3 Математическая модель опто-электрического преобразователя (ОЭП)

Для ЭОП приняты обозначения (смю рис. 3.5 ): Ро вх – среднее во времени значение мощности оптического сигнала на входе;

Ri(А/Вт) = DIвых(А)/DРо вх (Вт), ri(дБ) = 20lg[Ri(А/Вт)/1 А/Вт] (3.5)

Рисунок 3.5 – Функциональная схема ООП.

– дифференциальный токовый отклик (с учетом эффективности вывода света из ОВ), равный приращению тока DIвых на выходном полюсе, вызванному приращением оптической мощности DРо вых на его входном полюсе; Uвых, Iвых и Pэ вых – соответственно напряжение, ток и мощность электрического сигнала на выходе; Rн – сопротивление нагрузки. Для ОЭП с учетом соотношений (3.5)

Iвых (А) = Ро вх (Вт)Rі(А/Вт),Ро вх (Вт), Рэ вых (Вт) = (А)Rн(Ом),

pэ вых (дБм) = 2pо вх (дБм) + ri(дБ) + rн(дБ) – 30 дБ, (3.6)

pо вх (дБм) = [pэ вых (дБм) – ri(дБ) – rн(дБ) + 30 дБ]/2, (3.7)

Выводы

Большинство соотношений, полученных в этой главе, касались связи между поступающей оптической мощностью и электрическим током, генерируемым в фотоприемнике. Эта связь имеет вид: i = riP, где ri – токовый отклик, равный 0,5…0,7 A/Вт для p–i–n-диодов и примерно в сто раз больше для лавинных детекторов.

В качестве детектора в волоконной системе связи используется или лавинный или p–i–n-фотодиод. Последний прибор дешевле, менее чувствителен к изменениям температуры и требует намного меньшего напряжения обратного смещения, чем ЛФД. Быстродействие этих двух приборов сравнимо, так что p–i–n-диод предпочтителен в большинстве систем. Лавинный фотодиод необходим, когда система ограничена потерями, что имеет место в дальних линиях связи. Предположим, что приемное устройство с ЛФД может обнаружить сигнал с уровнем мощности на 9 дБ ниже, чем в случае приемного устройства с p–i–n-диодом. Если коэффициент затухания волокна равен 3 дБ/км, то линия связи с ЛФД может быть на 3 км длиннее, чем с p–i–n-диодом. Если необходимы повторители, то расстояние между ними может быть увеличено на 3 км при использовании ЛФД.

Хотя имеется много детекторов с различными характеристиками, полезно рассмотреть типичные значения наиболее важных параметров фотодиодов, сведенных в табл. 3.2. Токовый отклик в таблице приведен для области длин волн, в которой используется детектор, т. е. для l @ 0,8 мкм для кремния и 1,3 и 1,5 мкм для германия и InGaAs соответственно. Токовый отклик уменьшается, если длина волны приближается к границам области спектральной чувствительности.