Выбор фотоприемника

В фотоприемных устройствах (ФПУ) ВОСП происходит преобразование оптических сигналов в электрические и первичная обработка электрических сигналов. К характеристикам ФПУ предъявляют следующие основные требования:

• высокая эффективность преобразования оптических сигналов в электрические (высокая чувствительность на рабочей длине волны),

• высокое быстродействие,

• низкий уровень шумов,

• стабильность характеристик при изменении параметров окружающей среды (температуры, влажности, давления и пр.),

• высокая надежность, большой срок службы,

• низкая стоимость.

Важной характеристикой фотодиодов является спектральная характеристика, т.е. зависимость эффективности работы фотодиода от длины волны передаваемого сигнала, где эффективность работы фотодиода определяется отношением тока на выходе к мощности принимаемого сигнала. Эта характеристика определяет диапазон использования различных фотодиодов в приборах. На рис.4 представлены характеристики для трех основных типов фотодиодов: кремниевого (Si), германиевого (Ge) и на основе сплава арсенида галлия (InGaAs).

Рис.4.Характеристики зависимости выходного сигнала фотодиода от длины волны принимаемого сигнала

Из рисунка видно, что кремниевый фотодиод может с успехом использоваться при измерениях оптического сигнала от 800 до 900 нм. На практике, оптические измерители мощности, использующие этот тип детектора, калиброваны на более широкий диапазон - от 400-450 до 1000 нм. Для измерений в одномодовых волоконных кабелях 1310 и 1550 нм, получивших наибольшее распространение в современных системах связи, обычно используются германиевые детекторы или фотодиоды на основе сплава InGaAs. Они работают во всех трех окнах прозрачности, но детекторы на основе InGaAs имеют более широкий спектр измерения, большую температурную стабильность и стоимость. Кроме того, InGaAs-фотодиоды при отсутствии светового сигнала имеют низкий уровень остаточного тока, который, к тому же, практически не зависит от изменения температуры. Это позволяет снизить уровень шума и увеличить динамический диапазон измерений.

PIN-диод является полупроводниковой структурой, которая включает область положительных зарядов (positive), область отрицательных зарядов (negative) и разделяющую их нейтральную область (intrinsic), обедненную носителями зарядов. Обедненная область создается обратным смещением перехода, при котором через прибор течет очень слабый обратный ток. При обратном смещении электроны стремятся выйти из n-области во внешнюю цепь и образовать дырки в р-области, обедняя носителями заряда область перехода.

В идеальном PIN-диоде каждый фотон создает одну электронно-дырочную пару. Если на диод падает слабый световой поток, то производимый электрический ток может быть недостаточным, чтобы детектировать его на фоне внутреннего шума самого pin-диода и внешней цепи.

PIN-диод обладает следующими характеристиками:

• относительно простая структура по сравнению с лавинными диодами;

• относительно слабая чувствительность к изменению температуры прибора;

• квантовая эффективность обычно менее или равна 1;

• ограниченный динамический диапазон;

• высокая прочность и длительное время эксплуатации;

• небольшая стоимость;

• по сравнению с лавинными диодами низкая чувствительность при данном отношении сигнал/шум.

Когда свет падает на поверхность диода, поглощаемые фотоны создают электронно-дырочные пары в обедненной области. Затем электроны и дырки разделяются под действием обратного смещения перехода и текут в направлении своих областей. Каждая электронно-дырочная пара производит ток в один электрон во внешней цепи.

рис.5. Структура PIN-диода

Лавинный фотодиод или APD (Avalanche Photo Diode) является альтернативой фотодетектору на основе PIN-диода. По сравнению с последним он имеет ряд преимуществ. Если на поверхность PIN-диода падает слабый световой поток, то выходной сигнал детектора также слаб, поэтому хотелось бы повысить его уровень перед дальнейшей его обработкой и усилением в электронной части фотоприемника. Это и обеспечивает структура, названная APD, которая показана на рис. 6.

Внутри части обедненной области лавинного диода создается сильное электрическое поле. Основные носители зарядов, порожденные падающими на диод фотонами (как и в pin-диодах), при попадании в это сильное поле способны усиливать выходную энергию на несколько электрон-вольт. Сталкиваясь с кристаллической решеткой, основной носитель отдает достаточно энергии для продвижения электрона из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс называется ударной ионизацией. Вследствие этого неосновные носители могут создавать еще больше носителей заряда. В результате происходит явление, известное как лавинный пробой, которым и объясняется внутреннее усиление в диоде.

Количество электронов, образующих ток во внешней цепи диода, равно произведению числа падающих фотонов и коэффициента лавинного умножения прибора. Поэтому APD имеют квантовую эффективность около 4 (т.е. больше 100 %), хотя это может приводить также и к усилению шума на выходе прибора. Лавинные диоды чувствительны к изменению температуры, поэтому обычно в структуру фотодетектора на основе APD включена схема АРУ (автоматического контроля усиления), которая поддерживает стабильное напряжение смещения. Лавинные диоды обладают следующими характеристиками:

• более сложная структура по сравнению с PIN-диодами;

• чувствительность прибора зависит от его температуры;

• квантовая эффективность составляет от 3 до 4;

• более широкий динамический диапазон;

• высокая прочность и длительное время эксплуатации;

• более высокая стоимость по сравнению с PIN-диодами;

• чувствительность обычно на 5 – 6 дБ выше, чем у PIN-диодов.

Рис.6. Структура ЛФД

Для выбора необходимого типа фотоприменика произведем сравнение нескольких PIN- фотодиодов и нескольких ЛФД, выпускаемых промышленностью

Тип	Марка и производитель	Чувствительность S, A/W	Темновой ток Id, nA	Емкость Ct, pF	Коэф. умножения М	Фактор шума F
APD InGaAs	IAG-080X Laser components	0.9	1	0.35	10	3.2
APD InGaAs	PD8XX3 Mitsubishi	0.9	30	0.3	10	5.1
PIN InGaAs	2651E Emcore	0.98	3	0.35	1	1
PIN InGaAs	KPPF1-LGI25 Kodenshi	0.95	0.1	1	1	1
PIN InGaAs	EPM 705 s Jdsu	0.85	3	0,5	1	1
PIN InGaAs	KPDE006 Kyosemi	1.0	0.03	0.75	1	1
PIN InGaAs	PD7XX7 Mitsubishi	0.9	0.05	0.8	1	1

ЛФД от Laser components обладает лучшими характеристиками по сравнению с ЛФД от Mitsubishi, имеет небольшой темновой ток, малую емкость и невысокий фактор шума.

Среди PIN фотодиодов выбираем KPDE006, поскольку у него из всех самая высокая чувствительность и самый низкий темновой ток, а также относительно низкая ёмкость.

Окончательный выбор диода будет сделан далее.