Приемники оптического излучения

Обобщенная структурная схема оптического приемника, реализуемого в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ), представлена на рис. 7.16, где ОК - оптический кабель; ОС - оптический соединитель; ФД - фотодиод или фото детектор; ПМШУ - предварительный малошумящий усилитель; МУ с АРУ - мощный усилитель с автоматической регулировкой усиления; ФК - фильтр-корректор.

Рис. 7.16. Обобщенная структурная схема оптического приемника

Оптический сигнал с выхода ОК через оптический соединитель ОС поступает на фотодетектор ФД, где происходит его преобразование в электрический сигнал. На выходе ФД электрический сигнал весьма мал и сопровождается различного вида шумами. Для его усиления используется предварительный малошумящий усилитель. Усиленный электрический сигнал далее усиливается мощным усилителем с автоматической регулировкой усиления МУ с АРУ и затем с помощью фильтра-корректора ФК осуществляется отфильтровывание помех и коррекция формы электрического сигнала, который и подается на оборудование сопряжения тракта приема ВОСП.

Базовым элементом оптического приемника ВОСП является фотодетектор - оптоэлектронный прибор, преобразующий оптический сигнал в электрический сигнал соответствующей формы.

Фотодетектор реализуется на основе полупроводниковых фотодиодов (ФД) с обратносмещенными р-n переходами, работающими на принципах внутреннего фотоэффекта. В технике оптических систем передачи широкое применение находят два типа фотодиодов: p-i-n и лавинный.

Фотодиоды типа p-i-n. Структурная схема обратносмещенного p-i-n -фотодиода представлена на рис. 7.17. Название p-i-n -фотодиода происходит из сокращенных названий составляющих его слоев: р - positive (положительный), i - intrinsic (внутренний), n - negative (отрицательный).

Рис. 7.17. Структурная схема p-i-n -фотодиода

Как следует из рис. 7.17, структура диода состоит из сильно легированного n ⁺-слоя (подложки), слаболегированного i -слоя и тонкого сильно легированного р ⁺-слоя. Толщина i -слоя должна быть во много раз больше, чем длина поглощения оптического излучения соответствующих длин волн. Так, если толщина тонкого р ⁺- слоя не превышает 0,3 мкм, то ширина i -слоя составляет несколько десятков мкм.

Так как сильное легирование р - и n -слоев увеличивает их проводимость, то обратное смещение напряжением Е _см, приложенное к этим слоям, создает в i -слое сильное внутреннее электрическое поле напряженностью Е _в. При этом образуется обедненная зона, толщина которой сравнима с размером диода.

Широкий i - слой приводит к увеличению интенсивности поглощения фотонов в обедненном слое, в результате чего падающие фотоны возбуждают ток во внешней цепи более эффективно и с меньшим запаздыванием. Носители, возникающие внутри обедненной зоны, мгновенно сдвигаются в сильном электрическом поле к р ⁺- и n ⁺- областям диода.

В результате поглощения кванта света с энергией hf в нагрузке диода R _н протекает импульс тока. Если каждый поглощенный квант рождает электронно-дырочную пару, то число носителей тока N, равное отношению мощности оптического излучения W к энергии кванта, умноженное на величину заряда носителя q, определит средний ток - фототок I _ф, протекающий через нагрузку R _н

Как правило, не все поглощенные кванты света приводят к появлению импульсов тока. Этот факт необходимо учитывать коэффициентом, характеризующим эффективность преобразования фотонов в электрический сигнал. Этот коэффициент η _ф называется квантовой эффективностью (выходом) фотодетектора. Следовательно, средний фототок, протекающий через нагрузку фотодетектора, будет равен

(7.5)

Коэффициент полезного действия фотодетектора, определяемый как отношение среднего значения фототока I _ф к среднему значению оптической мощности (А/Вт), называется токовой чувствительностью

(7.6)

Отсюда следует, что чувствительность оптического приемника тем выше, чем больше квантовый выход η _ф, т.е. чем больше доля светового потока, поглощаемая в активной зоне фотодиода.

Токовая чувствительность S зависит от длины волны падающего излучения. Характер этой зависимости определяется спектральной характеристикой квантового выхода, которая обычно имеет вид плавной кривой с более или менее выраженным максимумом и определяется материалом полупроводника (рис. 7.18).

Квантовый выход η _ф фотодиода однозначно связан с токовой чувствительностью следующей зависимостью: , где λ - длина волны, мкм.

λ, мкм

Рис. 7.18. Спектральная характеристика квантового выхода - квантовой

эффективности

Конструктивно p-i-n - фотодиод выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощения излучения вне i - слоя. С этой целью переход формируется у самой поверхности кристалла. Следовательно, постоянная времени такого фотодиода определяется временем перехода носителей заряда через обедненный слой в сильном электрическом поле.

При отсутствии внешнего оптического излучения и наличии обратного смещающего напряжения в p-i-n - фотодиодах обедненный слой поляризуется и через нагрузку протекает постоянный ток I _т малой величины, который называется темновым током. Значение этого тока определяется свойствами полупроводникового материала, толщиной p-i-n - структуры и температурой окружающей среды.

В настоящее время p-i-n -фотодиоды являются довольно распространенным типом фотодетектора. Это объясняется простотой их изготовления, достаточно высокой временной и температурной стабильностью и относительно широкой полосой рабочих частот, они обладают хорошей линейностью в широком динамическом диапазоне (от нескольких пиковатт до нескольких милливатт), позволяют обрабатывать оптические сигналы, модулируемые частотами гигагерцового диапазона.

Для изготовления p-i-n -фотодиодов обычно используют кремний Si, германий Ge, арсенид галия GaAs, соединения вида InAs, InGaAs, AlGaSb и InGaAsP. Кремниевые фотодиоды считаются идеальными для применения в ВОСП, работающих на длине волны от 0,6 до 1 мкм и квантовой эффективностью до 0,9. Для длин волн 1 мкм и выше (вплоть до 1,8 мкм) часто используют фотодиоды на основе германия. При использовании соединения вида Al_xGa_1-xAsSb получены фотодиоды для работы на длинах волн от 0,9 до 1,3 мкм с квантовой эффективностью не хуже 0,8.

В фотодиодах p-i-n -типа каждый поглощенный фотон в идеале образует одну пару электрон - дырка, которая приводит к генерации тока во внешней цепи. Квантовую эффективность фотодиода можно повысить путем использования лавинного усиления (умножения), реализуемого в структуре, называемой лавинным фотодиодом (ЛФД), где один фотон порождает большое количество электронов.

Лавинные фотодиоды. В основе работы ЛФД лежит процесс ударной ионизации в сильном электрическом поле, т. е. образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных молекул и атомов полупроводника. При этом электроны в зоне проводимости могут приобрести кинетическую энергию большую, чем ширина запрещенной зоны, и выбивать электроны из валентной зоны. В валентной зоне образуются дырки, в зоне проводимости вместо каждого быстрого электрона появляются два медленных, которые, ускоряясь в сильном электрическом поле, становятся быстрыми и вызывают повторную ударную ионизацию. Вероятность ударной ионизации возрастает с ростом напряженности электрического поля (или ростом обратного смещающего напряжения). При некоторой напряженности поля ударная ионизация приводит к резкому увеличению плотности тока, т. е. к электрическому пробою полупроводника. Следовательно, для создания условий ударной ионизации в структуре фотодиода необходимо создать сильное электрическое поле. Такое поле создается добавлением в структуру p-i-n -фотодиода дополнительного n⁺-p -перехода с обратным смещением (рис. 7.19).

Рис. 7.19. Структура ЛФД и распределение его электрического поля

При воздействии оптического излучения мощностью W на i -слой образуются пары электрон - дырка, называемые первоначальными носителями. Благодаря относительно небольшому полю i -слоя, происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам батареи смещения. При попадании свободных электронов из i -слоя в р -слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокой напряженности электрического поля n⁺-p -перехода. Ускоряясь в зоне проводимости р -слоя, такие быстрые электроны накапливают кинетическую энергию, достаточную, чтобы выбить (возбудить) два медленных электрона из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляются свободные носители, называемые вторичными.

В зоне проводимости р -слоя происходит их повторное ускорение до получения кинетической энергии, соответствующей быстрому электрону, который ударной ионизацией снова порождает пару медленных электронов из валентной зоны. Этот процесс называется лавинным усилением или лавинным умножением.

Условия лавинного умножения достигаются увеличением напряжения обратного смещения до значения, чуть меньшего напряжения пробоя полупроводника, так, чтобы на n⁺-p -переходе установилось очень сильное поле (с напряженностью не менее 105 В/см).

Процесс лавинного умножения (усиления) ЛФД оценивается коэффициентом умножения М, который приближенно может быть представлен эмпирической формулой:

(7.7)

где U _см - напряжение обратного смещения; U _пр - напряжения пробоя; величина m = (2...6) и определяется материалом проводника и конструкцией фотодиода.

Значение фототока через нагрузку R _н для ЛФД определяется по формуле:

(7.8)

Лавинный эффект приводит к увеличению темнового тока ЛФД в М раз по сравнению с темновым током p-i-n -фотодиода.

Коэффициент умножения принимает различные значения в зависимости от напряжения смещения. При U _см U _пр происходит резкое увеличение коэффициента М, которое может принимать значения порядка 10³... 10⁴.

При низком напряжении U _см ЛФД работает как p-i-n -фотодиод без усиления (умножения). Существует пороговое напряжение U _пор для получения лавинного процесса ударной ионизации. Выше этого порога ЛФД будет генерировать ток без наличия возбуждающего оптического излучения.

Отметим, что коэффициент умножения сильно зависит от температуры, что является серьезным недостатком ЛФД. Поэтому в схемах смещения ЛФД необходимо предусмотреть меры, которые устраняли бы влияние изменений напряжения и температуры. Компромисс между величиной умножения и стабильностью работы ЛФД достигается при напряжении смещения, равном 0,95 U _пр.

Фотодиоды характеризуются следующими основными параметрами:

- токовой чувствительностью S;

- квантовой эффективностью ;

- предельной частотой, т.е. частотой гармонической модуляции падающего на ФД модулированного по интенсивности излучения, при которой чувствительность ФД уменьшается до 0,707 чувствительности при немодулированном излучении; отметим, что предельная частота численно равна ширине полосы пропускания фотодиода Δ F _ф;

- быстродействием, под которым понимается время нарастания τ _н или время спада τ _с фототока I _ф(t) при воздействии на ФД импульса оптического излучения W (t) достаточно большой длительности (рис. 7.20).

Рис. 7.20. К определению быстродействия фотодиода

Время спада и время нарастания называются временем отклика, т. е. временем, необходимым для преобразования мощности излучения в электрический ток. Быстродействие оценивается максимальным значением одной из составляющих времени отклика (обычно это время нарастания). Между временем нарастания фронта импульса и шириной полосы пропускания существует зависимость вида:

(7.9)

Для ЛФД увеличение коэффициента усиления сопровождается уменьшением быстродействия. Поэтому параметром, характеризующим быстродействие ЛФД, является его добротность, под которой понимается произведение коэффициента умножения (усиления) М на ширину полосы пропускания , численно равной предельной частоте.

Дата добавления: 2015-08-26