4.2.2. Характеристики лфд

Общий вид вольт-амперных характеристик p-i-n (Рисунок 2.4) и ЛФД (Рисунок 4.2) фотодиодов совпадает, отличаются лишь режимы работы: p-i-n фотодиод работает в линейном режиме, а ЛФД – в режиме лавинного умно­жения (т.е. в области лавинного пробоя). Отличительной особенностью вольт-амперной характеристики ЛФД является ее четко выраженная ступен­чатость. Рисунок 4.2 показывает вольт-амперную характеристику InGaAs/InP ЛФД, на которой можно выделить три ступени:

1 ступень – происходит обеднение слоя умножения i-InР. В фотодиоде течет темновой ток, определяемый параметрами InP;

2. ступень – происходит обеднение варизонного зарядового слоя п- InGaAsP. Выходной ток определяется темновым током InGaAsP слоя и час­тично фототоком;

3. ступень - происходит полное обеднение поглощающего слоя. Элек­трическое поле достигает подложки, и выходной ток определяется суммой темнового тока поглощающего слоя InGaAs и фототока.

В лавинных фотодиодах так же, как и в p-i-n фотодиодах, наблюдается нелинейность характеристик при больших мощностях оптического излучения (Рисунок 4.3). При малых входном сигнале и первичном темновом токе, от­сутствии посторонней засветки существует прямо пропорциональная зави­симость между усиленным фототоком и мощностью оптического сигнала. По мере увеличения первичного фототока, умножаемой составляющей темново­го тока или коэффициента умножения все большую роль начинают играть факторы, приводящие к нарушению этой пропорциональности. Среди таких факторов можно отметить падение напряжения на сопротивлении нагрузки R согласно формуле (4.2), увеличение плотности пространственного заряда в слое умножения, а также нагревание активной области при больших уровнях падающей энергии. Увеличение температуры активной области вызывает уменьшение коэффициентов ионизации, что в свою очередь согласно (4.3) приводит к уменьшению лавинного умножения. При больших значениях ко­эффициента умножения ток ЛФД перестает управляться светом.

Рисунок 4.3. - Зависимость коэффициента умножения и чувствительности лавинного фо­тодиода от тока во внешней цепи (мощности освещения) для различных начальных значе­ний коэффициента умножения (чувствительности) при заданном напряжении смещения

4.3. Объект исследования

В данной лабораторной работе исследуется волоконно-оптический фо­тодиодный модуль, который представляет собой кристалл планарного InGaAs/InP лавинного фотодиода с диаметром фоточувствительной области 50 мкм, соединенный с одномодовым оптическим волокном и помещенный в герметичный металлический корпус (Рисунок 2.6). InGaAs/InP лавинный фо­тодиод работает в спектральном диапазоне 0.81.7 мкм (Рисунок 2.7) и имеет чувствительность 0.85 А/Вт на длине волны 1.55 мкм. Напряжение пробоя лавинного фотодиода составляет величину порядка 60 В.

4.4. Описание измерительной установки и методов измерения

Рисунок 4.4 показывает блок-схему лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят:

• стенд для измерения фотоэлектрических характеристик лавинного фото­диода;

• вольтметр универсальный В7-73/2;

• персональный компьютер с СОМ-портом и с операционной системой Win9x/2k/XP/Vista.

1 - порт управления стендом

2 - клемма заземления

3 - разъем питания

4 - входной ВЧ разъем лазерного диода

5 - выходной электрический разъем фотодиода

6 - выходной оптический разъем лазерного диода

7 - входной оптический разъем фотодиода

Рисунок 4.4. - Блок-схема лабораторной установки

Лабораторная установка позволяет измерить ток I_PD через лавинный фо­тодиод в зависимости от напряжения смещения U_PD и падающей на него мощности Р_орt излучения лазерного диода, которая устанавливается интер­фейсной программой. Излучение лазерного диода по одномодовому воло- конно-оптическому кабелю поступает на лавинный фотодиод. Напряжение U на сопротивлении нагрузки R_L лавинного фотодиода измеряется с помощью вольтметра. Ток I_PD через лавинный фотодиод и напряжение обратного сме­щения U_PD на лавинном фотодиоде рассчитываются по следующим форму­лам:

I_pD=U/R_L, (4.4)

U_PD=V – U, (4.5)

где V - напряжение питания лавинного фотодиода, которое задается интер­фейсной программой.

В стенде лабораторной установки сопротивление нагрузки R_L фотодиода равняется 44.1 кОм.

Лабораторная установка включается в следующем порядке:

1. Заземлить стенд, вольтметр и персональный компьютер.

2. Подсоединить стенд к СОМ-порту компьютера с помощью ноль мо­демного кабеля.

3. Подключить блок питания к стенду при положении "Выкл." кнопки включения стенда.

4. Подключить блок питания стенда к электрической сети 220 В, 50- 60 Гц.

5. Включить стенд (перевести кнопку включения стенда в положение "Вкл."). Индикатор на кнопке включения стенда указывает на наличия на­пряжения питания на стенде.

6. Включить компьютер и запустить интерфейсную программу стенда.

7. Выбрать в интерфейсной программе номер СОМ-порта, к которому подключен стенд, и произвести соединение интерфейсной программы со стендом нажатием кнопки "F9" на клавиатуре компьютера. Интерфейсная программа произведет диагностику работы стенда и при успешном соедине­нии выведет сообщение "Соединение с СОМх установлено", где "х" - номер СОМ-порта, к которому подключен стенд.

8. Если самодиагностика стенда не выявила ошибок, включить вольт­метр и подключить его к выходному разъему фотодиода стенда.

9. Соединить выходной оптический разъем лазерного диода с входным оптическим разъемом фотодиода с помощью одномодового волоконно- оптического.