7.5. 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.

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

Рис. 7.16. Обобщенная структурная схема оптического приемника

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-п 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 р-/-n-фотодиода происхо­дит из сокращенных названий составляющих его слоев: р - positive (по­ложительный), i - intrinsic (внутренний), n - negative (отрицательный).

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

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

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

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 диода.

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

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 называетсяквантовой эффективностью {выходом) фотодетектора. Следовательно, средний фототок, протекаю­щий через нагрузку фотодетектора, будет равен

(7.5)

Коэффициент полезного действия фотодетектора, определяемый как отношение среднего значения фототокак среднему значению оптиче­ской мощности (А/Вт), называетсятоковой чувствительностью

(7.6)

Отсюда следует, что чувствительность оптического приемника тем выше, чем больше квантовый выход 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 фотодиода однозначно связан с токовой чувстви­тельностью следующей зависимостью:, где- длина вол­ны, мкм.

Рис. 7.18. Спектральная характеристика квантового выхода - квантовой

эффективности

Конструктивно выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощения излучения внеС 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 обедненный слой поляризуется и через нагрузку протекает постоянный токмалой величины, кото­рый называется темновым током. Значение этого тока определяется свой­ствами полупроводникового материала, толщинойи тем­пературой окружающей среды.

В настоящее время 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 пико-ватт до нескольких милливатт), позволяют обрабатывать оптические сиг­налы, модулируемые частотами гигагерцового диапазона.

Для изготовления обычно используют кремнийSi, 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 получены фотодиоды для работы на длинах волн от 0,9 до 1,3 мкм с квантовой эффективностью не хуже 0,8.

В фотодиодах 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 -фотодиода дополнительногос обратным смещением (рис. 7.19).

При воздействии оптического излучения мощностью W на образуются пары электрон - дырка, называемые первоначальными носите­лями. Благодаря относительно небольшому полюпроисходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам бата­реи смещения. При попадании свободных электронов изих

Рис. 7.19. Структура ЛФД и распределение его электрического поля

ускорение становится более ощутимым из-за высокой напряженности электрического поля Ускоряясь в зоне проводимоститакие 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 установилось очень сильное поле (с напряженностью не менееВ/см).

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

(7.7)

Где - напряжение обратного смещения;- напряжения пробоя; ве­личинат = (2...6) и определяется материалом проводника и конструкцией фотодиода.

Значение фототока через нагрузку для ЛФД определяется по фор­муле:

(7.8)

Лавинный эффект приводит к увеличению темнового тока ЛФД в М раз по сравнению с темновым током

Коэффициент умножения принимает различные значения в зависимости от напряжения смещения. При происходит резкое увеличение коэффициентаМ, которое может принимать значения порядка

При низком напряжении ЛФД работает какбез усиления (умножения). Существует пороговое напряжениедля 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

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

• быстродействием, под которым понимается время нарастания или время спадафототокапри воздействии на ФД импульса оптического излучениядостаточно большой длительности (рис. 7.20).

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)

Рис. 7.20. К определению быстродействия фотодиода

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.