Выбор необходимого фотодиода
Приемник излучения должен преобразовать оптический сигнал в электрический. Поскольку информационный сигнал содержится в модулированном световом потоке, этот поток должен быть принят как можно полнее и без искажений. Так как рабочая поверхность приемника - намного больше сечения световода, потери при переходе излучения в приемник будут намного меньше, чем при переходе от источника в линию. Для приема излучения могут использоваться фотодиоды. Это - полупроводниковые приборы на основе кремния, германия и соединений элементов третьей и пятой групп. Основными параметрами приемников являются чувствительность, темновой ток и порог чувствительности. Параметры определяются при заданных источнике излучения, электрическом режиме и температуре.
Наиболее популярными для применения в ВОСП являются полупроводниковые PIN-фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД или APD).
В p-i-n фотодиодах между слоями с разной проводимостью вводится слой с собственной проводимостью (i область), который при подаче обратного напряжения смещения обедняется свободными носителями, и сильное электрическое поле в нем будет ускорять носители, которые будут образовываться в результате поглощения света. Они обладают большей чувствительностью за счет снижения потерь от рекомбинации. Барьерная емкость - мала, за счет чего обеспечиваются хорошие частотные характеристики . Для них требуется небольшое напряжение обратного смещения (5 В и меньше), что определяет их преимущественное использование в ЛВС и других оконечных устройствах.
Лавинные фотодиоды обладают внутренним усилением и отличаются от p-i-n фотодиодов наличием еще одного дополнительного слоя. При высоких обратных напряжениях смещения (порядка 100 В) в них образуется сильное ускоряющее поле, в котором происходит лавинное размножение носителей, то есть усиление фототока. Эти приборы характеризуются высокой чувствительностью, большим усилением и высоким быстродействием, однако, их использование затруднено сложностью, высокой стоимостью, высокими рабочими напряжениями, необходимостью стабилизации напряжений и температур и работой только в режиме усиления слабого сигнала.
Выбирая фотодиод, в требуемом спектральном диапазоне, нам необходимо обеспечить наибольшую чувствительность, минимальную емкость, минимальный темновой ток, минимальную эквивалентную мощность шумов.
Спектральные характеристики приемников оптического излучения (рис 2):
Рис.2 Спектральные характеристики приемников оптического излучения
[3, стр. 269]
Из приведенного выше рисунка (рис.2), видно, что в третьем окне прозрачности для изготовления фотодиодов используются такие материалы, как Ge и InGaAs (соединения группы АIIIBv). Будем выбирать из приемников, изготовленных из этих материалов.
Как правило, в InGaAs-фотодиодах достигаются большие значения показателя поглощения света, чем в Ge. Если же на длине волны 1.33 мкм они соизмеримы, то уже на 1.55 мкм германий обладает меньшим поглощением. Так же вследствие малой ширины запрещенной зоны плотность темнового тока в германии превышает на несколько порядков плотность темнового тока в InGaAs.
Исходя из вышесказанного, будем выбирать фотодиод на основе InGaAs.
В таблице 2 и таблице 3 приведен ряд PIN и APD фотодиодов соответственно:
PIN-фотодиоды:
модель |
Fв, ГГц |
Id, нА |
S, А/Вт |
C, пФ |
dакт, мкм |
Kyosemi Corporation KPDE10GC-V2 |
14 |
0.01 |
0.95 |
0.17 |
28 |
Enablence PDCS30T |
18 |
2 |
0.9 |
0.01 |
30 |
Enablence PDCS20T |
20 |
5 |
0.8 |
0.01 |
20 |
Enablence PDCS12T |
40 |
2 |
0.6 |
0.01 |
12 |
Таблица 2
APD-фотодиоды:
модель |
Fв, ГГц |
Id, нА |
S, А/Вт |
C, пФ |
M |
F |
dакт, мкм |
Mitsubishi Electric Semiconductor PD893E6 |
8.5 |
30 |
0.85 |
0.22 |
6 |
н/д |
20 |
Emcore DG062 |
10 |
20 |
0.75 |
0.18 |
9 |
н/д |
28 |
Enablence APD32T |
8 |
50 |
0.9 |
0.01 |
8 |
н/д |
32 |
Таблица 3
Выберем по одному фотодиоду из каждой таблицы.
Среди PIN-фотодиодов, можно выделить модель KPDE10GC-V2, изготовленную Kyosemi Corporation. Этот фотодиод обладает наилучшими шумовыми характеристиками среди PIN фотодиодов, благодаря низкому темновому току Id=0.01 нА и маленькой емкости C=0.17 пФ и высокой чувствительностью S=0.95 А/Вт, так как ФП должен иметь фоточувствительную площадку, достаточную для регистрации всего потока излучения, выходящего из источника излучения, среди PIN фотодиодов. [6]
Среди PIN-фотодиодов выбрана модель:KPDE10GC-V2, изготовленную Kyosemi Corporation.
Среди APD-фотодиодов, для выполнения условия – низкого уровня шума, можно выделить лавинный фотодиод фирмы Enablence модель APD32T, который обладает соизмеримым темновым током Id=50 нА, но зато отличается от диодов других производителей очень низкой емкостью C=0.01 пФ и более высокой чувствительностью S=0.96 А/Вт, что является плюсом, ведь для уменьшения влияния шума, необходимо выбрать диод с маленьким показателем темнового тока, низкой емкостью и более высокой чувствительностью. [7], [8]
Среди APD-фотодиодов выбираем фотодиод марки APD32T, изготовленный фирмой Enablence
Фактор шума для выбранного APD-фотодиода:
[4, стр. 340,
формула 13.4.1]
где х – фактор умножения, зависящий от материала ФД и типа носителей, вызывающих лавину. Для ЛФД из InGaAs х=0.7-0.75. Выберем минимальное возможное значение этого фактора.
Для ЛФД Enablence APD32T :
Полное описание характеристик выбранных фотодиодов приведено в приложении.