Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Однофотонные приёмники для систем квантового распределения ключей. Учебное пособие
.pdf
2.4. Принцип работы однофотонного лавинного фотодиода
41
зоне сильного электрического поля, носители заряда вследствие ударной
ионизации вызывают возрастающее в геометрической прогрессии возникновение электронов и дырок. Появление лавины носителей приводит к значительному росту тока через фотодиод, что позволяет зарегистрировать
наличие фотона на чувствительной поверхности фотодиода (движение от
точки А к точке В).
Рис. 2.8. Вольт-амперная характеристика лавинного фотодиода
После регистрации импульса необходимо ограничить значение тока,
протекающего через лавинный фотодиод, чтобы предотвратить его разрушение и погасить лавину (движение от точки В к точке С).
Через некоторое время напряжение смещения восстанавливается до
прежнего значения. Лавинный фотодиод снова готов к регистрации фотона
(движение от точки С к точке А)11.
Фактическое значение напряжения пробоя зависит от материала по-
лупроводника, структуры устройства и температуры. Для InGaAs/lnP ЛФД
типичное значение напряжения пробоя – 50 В.
Для увеличения эффективности режима Гейгера применяется стро-
бирование. Работу детектора в режиме стробирования можно описать
следующим образом.
В наиболее вероятный момент приёма фотона на ЛФД подаётся
напряжение смещения, превышающее напряжение пробоя. После регистрации фотона и гашения лавины значение напряжения ЛФД становится
11
Иванов А. В. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измере-
ния. М.: Сайрус Системс, 1999. 658 с.
2. Фотодетекторы для систем квантового распределения ключа
42
меньшим, чем напряжение пробоя, и увеличивается только в течение следующего интервала стробирования. Таким образом, ЛФД остаётся чувствительным только во время приёма оптического сигнала, что позволяет
уменьшить вероятность возникновения лавинного процесса в результате
действия темновых носителей заряда.
2.5. Основные параметры лавинных фотодиодов
При приложении к ЛФД обратного напряжения, значение которого
на несколько десятых вольта меньше напряжения пробоя U
проб
. Возникшим носителям за счёт фотоэлектрического эффекта сообщается энергия,
достаточная для ударной ионизации атомов в зоне перехода и создания
новых электронно-дырочных пар. Эти пары при своём движении в ускоряющем поле будут вновь воспроизводить указанный процесс размножения пар. В фотодиоде будет наблюдаться лавинный процесс умножение
носителей. В результате лавинного процесса фотоэлектрический ток усиливается с коэффициентом умножения М, зависящим от обратного напряжения U
обр
:
пробобр
UU-1
K
M
.
Коэффициент лавинного умножения М показывает количество пар
электрон-дырка, рождённых в результате действия первичного фотоэлек-
трона, и зависит от обратного напряжения смещения, приложенного к ЛФД.
Константа К зависит от конструкции фотодиода. Напряжение пробоя U
проб
лежит в пределах от десятков до сотен вольт в зависимости от
типа фотодиода, но разброс величины U
проб
для одного и того же типа фо-
тодиода довольно значителен и составляет ±20% от номинала. Коэффициент умножения М достигает значений порядка 10 000.
Значение коэффициента лавинного умножения может быть определён формулой (12):
12
Low Noise Avalanche Photodiode Module for OTDRs: Preliminary Specifica-
tions // Epitaxx. 2008. 4 р.
2.5. Основные параметры лавинных фотодиодов
43
1M0
ph
P
I
M
,
где Iph – измеренный фототок, P0 – входная оптическая мощность,
M-1
–
чувствительность единичного усиления на заданной длине волны.
На рис. 2.9 представлены характеристики лавинного умножения, полученные для лавинного фотодиода EPM 239 ВА фирмы EPITAXX при
температуре 23ºС и входной оптической мощности 1 мкВт (1213).
Напряжение пробоя является функцией температуры. Поэтому коэффициент М при постоянном напряжении питания U
обр
также зависит от
температуры. Температурную стабилизацию коэффициента умножения М
можно осуществить с помощью регулирующей цепи, изменяющей соответствующим образом напряжение на клеммах фотодиода при изменении температуры.
Коэффициент лавинного умножения может быть измерен для напряжений, превышающих напряжение лавинного пробоя, но меньших чем
напряжение теплового пробоя.
20 25 30 35 40 45 50 55 60
Коэффициент лавинного умножения
Обратное напряжение смещения, В
0
10
20
30
40
10
-11
10
-10
10
-9
10
-8
10
-7
10
-6
10
-5
10
-4
10
-3
Фототок, А
лавинный пробой
Рис. 2.9. Характеристика лавинного умножения
13
Low Noise Avalanche Photodiode Module for OTDRs: Preliminary Specifica-
tions // Epitaxx. 2008. 4 р.
2. Фотодетекторы для систем квантового распределения ключа
44
Чувствительностью лавинных фотодиодов называется отношение выходного тока к входной оптической мощности и выражается в А/Вт. Чувствительность изменяется в зависимости от длины волны, поэтому она задаётся
либо при длине волны, соответствующей максимуму чувствительности, либо
при длине волны, представляющей интерес (например, 1550 нм)14.
Квантовой эффективностью называется отношение числа порождённых первичных пар электрон-дырка к числу падающих на чувствительную
поверхность ЛФД фотонов. Обычно данный параметр измеряется в процентах. Квантовая эффективность QE и чувствительность S при заданной
длине волны для типовых InGaAs лавинных фотодиодов связаны соотношением15:
%100
]нм[
1240]А/Вт[S
QE
.
Эффективностью детектирования фотонов называется отноше-
ние числа зарегистрированных на выходе ЛФД импульсов к числу падающих на чувствительную поверхность ЛФД фотонов.
Эффективность детектирования ЛФД в режиме счёта фотонов определяется тремя факторами16:
эффективностью передачи оптического излучения из волокна на
светочувствительную поверхность лавинного фотодиода (геометрический
фактор);
вероятностью поглощения фотона в InGaAs слое и последующей
генерации первичной электронно-дырочной пары (квантовой эффективностью);
вероятностью того, что электрон вызовет лавину в зоне умноже-
ния.
Таким образом, эффективность детектирования фотонов определяется следующей формулой:
14
Стерлинг Д. Дж. младший. Техническое руководство по волоконной оп-
тике, 2-е изд.: пер. с англ. – М.: Изд-во «Лори», 1998. 181 с.
15
Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи. М: Изд-во «Техно-
сфера», 2003. 447 с.
16
Single photon detection module application note (Электронный ресурс). –
http://www.idquantique.com/products/files/id200-appnote.pdf.
2.5. Основные параметры лавинных фотодиодов
45
ag
PQEFPDE
,
где Fg – геометрический фактор, Pa – вероятность возникновения лавины.
Вероятность поглощения фотона в InGaAs слое зависит от длины
волны и конструкции ЛФД. Вероятность образования лавины возрастает
вместе с избыточным напряжением, которое определяется как разница
между напряжением смещения и напряжением пробоя17. Зависимость эффективности детектирования от длины волны для различных уровней
напряжения смещения представлена на рис. 2.10.
Основной проблемой при детектировании оптических сигналов является темновой ток генерация темновых носителей заряда (носителей
заряда, которые возникают при отсутствии фотонов на чувствительной поверхности ЛФД). Темновой ток приводит к запуску процесса лавинного
умножения заряда и последующей ложной регистрации.
Длина волны, нм
Эффективность детектирования, %
0
5
10
15
20 25 30
35
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700
U
см_1
U
см_2
> U
см_1
Рис. 2.10. Зависимость эффективности детектирования
от длины волны при различных уровнях напряжения смещения
17
Makarov V. Quantum cryptography and quantum cryptanalysis // Ph.D. thesis,
Norwegian University of Science and Technology 2007. 158 p.
2. Фотодетекторы для систем квантового распределения ключа
46
В однофотонном ЛФД, работающем в режиме стробирования, суще-
ствует три механизма появления темновых носителей заряда18:
1. Первичные темновые носители заряда, инжектированные или сге-
нерированные внутри области лавинного умножения во время импульса
стробирования (рис. 2.11, а).
2. Темновые носители заряда, сгенерированные до момента подачи
импульса стробирования (рис. 2.11, б). Когда напряжение смещения, предшествующее стробирующему импульсу, поддерживается на несколько
вольт (примерно 1…2 В) меньшем, чем напряжение пробоя, первичные носители темнового тока, сгенерированные до момента подачи импульсов
стробирования, могут пройти через серию событий ударной ионизации.
Вследствие ограниченного частотного отклика ОЛФД существует вероятность того, что некоторые носители останутся в области умножения во
время подачи стробирующего импульса, и поэтому могут быть зарегистрированы как обычные фотосгенерированные носители.
3. Темновые носители заряда, возникающие вследствие освобождения захваченных ранее носителей заряда во время импульса стробирования, а также освобождённые из ловушек до импульса стробирования и
остающиеся в области лавинного умножения во время прихода импульса
стробирования (рис. 2.11,в). Такой эффект называется «остаточным им-
пульсом» («afterpulse»).
I
t
∆T
I I
t t
стробирующий импульс
импульс темнового тока
а)
б)
в)
Рис. 2.11. Регистрация импульсов тока, вызванных темновыми носителями заряда:
а) регистрация первичных темновых носителей заряда, б) регистрация темновых
носителей заряда, сгенерированных до момента подачи импульса стробирования,
в) регистрация темновых носителей заряда вследствие эффекта остаточного
импульса
18
Kang Y., Lu H. X., Y.-H. Lo Dark count probability and quantum efficiency of
avalanche photodiodes for single-photon detection // Applied Physics Letters. 2003.
Vol. 83, Number 14. P. 29552957.
2.5. Основные параметры лавинных фотодиодов
47
В первых двух случаях импульсы темнового тока появляются в ре-
зультате термогенерации электронно-дырочных пар через генерационнорекомбинационные центры и межзонного туннелирования под действием
сильного электрического поля. Эффект термогенерации можно значительно уменьшить посредствам снижения температуры фотодетектора и
улучшения технологии изготовления полупроводника, позволяющей снизить концентрацию генерационно-рекомбинационных центров19.
На рис. 2.12 представлена зависимость темнового тока от темпера-
туры для лавинного фотодиода EPM 239 ВА фирмы EPITAXX20.
-40 -20 0 20 40 6080 100
1
10
10
2
10
3
10
4
Температура, ºС
Темновой ток, пА
Рис. 2.12. Зависимость темнового тока от температуры
Ещё одним фактором, влияющим на вероятность регистрации тем-
новых носителей заряда, является напряжение смещения. Уменьшение
напряжения смещения снижает чувствительность ЛФД, и следовательно,
вероятность появления и регистрации лавины, вызванной темновыми носителями заряда. На рис. 2.13 представлена зависимость темнового тока от
обратного напряжения смещения при различных температурах (для лавинного фотодиода EPM 239 ВА фирмы EPITAXX) (12).
19
Makarov V. Quantum cryptography and quantum cryptanalysis // Ph.D. thesis,
Norwegian University of Science and Technology 2007. 158 p.
20
Low Noise Avalanche Photodiode Module for OTDRs: Preliminary Specifica-
tions // Epitaxx. 2008. 4 р.
2. Фотодетекторы для систем квантового распределения ключа
48
0 10 20 30 40 50 60
Обратное напряжение смещения, В
10
-13
10
-12
10
-11
10
-10
10
-9
10
-8
10
-7
10
-6
10
-5
Темновой ток, А
Рис. 2.13. Зависимость темнового тока от напряжения смещения
при различных температурах
Следует заметить, что при выборе напряжения смещения необходимо учитывать, что увеличение напряжения смещения приводит к увеличению эффективности детектирования и уровня темнового тока. Взаимозависимость эффективности детектирования и частоты импульсов темнового
тока при различных температурах представлена на рис. 2.14.
0 10 20 30
10
4
10
5
10
6
10
7
Т=-40ºС
Т=-50ºС
Т=-60ºС
Эффективность детектирования, %
Частота темновых импульсов, Гц
Рис. 2.14. Взаимосвязь эффективности детектирования и частоты темновых
импульсов при различных температурах
Вероятность появления остаточного импульса зависит от свойств
ловушки и температуры устройства. Концентрация ловушек может быть
2.5. Основные параметры лавинных фотодиодов
49
уменьшена путём улучшения технологии изготовления полупроводника.
Вероятность освобождения носителей из ловушек подчиняется экспоненциальной функции, характеризующейся постоянной времени высвобождения и средним числом носителей, захваченных после импульса тока. Увеличение температуры ЛФД уменьшает время жизни носителей, захваченных ловушками. В связи с этим рабочая температура ЛФД должна быть
подобрана таким образом, чтобы суммарная частота появления темновых
импульсов была минимальной.
При работе ЛФД в режиме стробирования вероятность остаточного
импульса вычисляется следующим образом. На фотодиод одновременно подаются стробирующий импульс и оптический импульс с большим количеством фотонов в импульсе (примерно 1000). При этом с вероятностью, стремящейся к 1, происходит генерация лавины и, следовательно, заполнение ловушек носителями заряда. Далее через некоторое время на ЛФД подаётся
ещё один импульс стробирования, но уже при отсутствии оптического излучения. При этом регистрируется возможное образование лавины, вызванное
переизлучением захваченных носителей заряда. После проведения серии таких измерений вычисляется вероятность появления лавины. Из данного значения вычитается вероятность появления лавины в результате действия темновых носителей (измеренная при тех же условиях, но при отсутствии воздействия оптических импульсов). На рис. 2.15 показана зависимость длительности интервала между импульсами стробирования от температуры
ЛФД при вероятностях остаточного импульса, равных 0,1 и 1 %21.
Из рисунка видно, что для одних и тех же значений остаточного импульса повышение температуры приводит к уменьшению времени жизни
носителей заряда, захваченных ловушками.
Временем отклика называется время, которое требуется фотодиоду
для преобразования поступающей оптической энергии в электрический ток.
Время отклика задаётся временем нарастания и временем спада сигнала
между точками, соответствующими 10 и 90 % максимальной амплитуды22.
21
Ribordy G. et al. Performance of InGaAs/InP avalanche photodiodes as gated-
mode photon counters // Applied Optics. 1998. Vol. 37, Issue 12. Р. 22722277.
22
Стерлинг Д. Дж. младший. Техническое руководство по волоконной оп-
тике, 2-е изд.: пер. с англ. – М.: Изд-во «Лори», 1998. 181 с.
2. Фотодетекторы для систем квантового распределения ключа
50
70 90 110 130 150 170 190 210
Температура, К
10
-8
10
-7
10
-6
10
-5
10
-4
10
-3
Время, с
P
aft
= 0,1%
P
aft
= 1%
η ≈ 19%
η ≈ 12%
Рис. 2.15. Зависимость длительности интервала между импульсами стробирования
от температуры при различных уровнях остаточного импульса
Время нарастания определяет максимально допустимую скорость
передачи. Время нарастания можно оценить по формуле23:
)(9lnT
RCtrr
,
где tr – время, необходимое носителям для прохода через обеднённый
слой, RC – постоянная времени эквивалентной RC-цепи.
Так как в выражении используется постоянная времени RC, важное
влияние оказывает и соответствующая ёмкость устройства. Внутренняя ёмкость обратно пропорциональна толщине обеднённого слоя. При проектировании фотодиодов обычно обеднённый слой стараются сделать как
можно шире для достижения максимального значения эффективности детектирования. Но это увеличивает время, необходимое носителям для прохода через этот слой.
При скоростях порядка 1 Гбит/с, могут генерироваться паразитные
электрические составляющие, влияющие на постоянную времени RC, что
ограничивает максимально поддерживаемую скорость передачи.
23
Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи. М: Изд-во «Техно-
сфера», 2003. 447 с.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]