Принципы работы фотоприемника

Основным элементом ПРОМ является фотоприемник, изготавливаемый из полупроводникового материала. В основе работы фотоприемника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых в полупроводнике электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда. Для этого используется конструкция с p-n переходом, которая называется фотодиодом. Из фотоприемников, применяемых в ВОСП, наибольшее распространение получили p-i-n фотодиоды.

Свет образует

электронно-дырочные пары

- +

- -

U

Параметр геометрии

Рис.1.17. Структура, включение и распределение потенциала p-i-n фотодиода.

Рассмотрим принцип работы фотоприемника на основе p-i-n фотодиода, для которого характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями и - типа (+ означает сильное легирование), рис.1.17. Также i-слой называют обедненным слоем, поскольку в нем нет свободных носителей. На p-i-n структуру подается напряжение с обратным смещением (по сравнению со светоизлучающим диодом). Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальное значение электрического поля (градиент потенциала) создается в i-слое. Но поскольку там нет свободных носителей, нет и электрического тока, так что i-слой испытывает только поляризацию. При наличии падающего излучения на i-слой, в нем образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам, образуя электрический ток. Эффективным является взаимодействие излучения только с i-слоем, так как при попадании фотонов в и -слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. Поэтому при изготовлении фотодиодов стремятся делать и -слои как можно тоньше, а обедненную область достаточно большой протяженности, чтобы она полностью поглощала весь падающий свет.

Эффективность (квантовая) обедненной области в рабочем диапазоне длин волн достаточно высока – порядка 80-100%. Однако часть падающего излучения испытывает френелевское отражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на границе между этой поверхностью и средой. Для уменьшения отражения приемную поверхность обедненного слоя покрывают специальным антиотражающим слоем.

Технические характеристики фотоприемников

Основными техническими характеристиками, которые интересуют разработчика при выборе фотоприемника для конкретной ВОСП, являются: широкополосность, соотношение сигнал/шум и чувствительность для аналоговой системы передачи; быстродействие, частость появления ошибок и чувствительность для цифровых систем передачи. На самом деле они зависят от таких характеристик фотодиода и приемного модуля, как: токовая чувствительность, квантовая эффективность, темновой ток, эквивалентная мощность шума, время нарастания и спада, насыщение. Важными параметрами являются также максимально допустимое обратное напряжение, рабочий диапазон температур, наработка на отказ.

Токовая чувствительность (монохроматическая) А/Вт) определяется как , где - фототок, а - полная оптическая мощность излучения на длине волны λ, падающего на фоточувствительную площадку. Токовая чувствительность характеризует фотоприемник при низких частотах модуляции.

Квантовая эффективность η (безразмерная величина) определяется как , где - количество фотонов, падающих за единицу времени на приемник, а - количество рожденных в результате этого свободных электронов (или электронно-дырочных пар). Квантовая эффективность для p-i-n фотодиодов не может быть больше 1 (100%).

Между токовой чувствительностью и квантовой эффективностью существует простая связь , где е – заряд электрона (1,60К), λ – длина волны, h – постоянная Планка (6,63Дж.сек), с – скорость света (3,00м.сек). С подстановкой значений констант получаем . Типичное значение токовой чувствительности для p-i-n фотодиодов в их рабочих диапазонах составляет 0,5-0,8 А/Вт.

Характеристики η и используют при создании приемных модулей ПРОМ, когда требуется согласовать фотодиод с предусилителем.

Темновой ток протекает при обратном смещении через нагрузку в отсутствии падающего на фотодиод излучения. Его величина зависит от материала полупроводника, температуры окружающей среды и конструкции фотоприемника. Этот ток добавляется к току полезного сигнала, когда на фотодиод поступает свет.

Для описания шумовых характеристик приемника используются еще два шумовых тока: дробовой ток - для p-i-n фотодиода , где е – заряд электрона, - темновой ток, В – полоса пропускания (частота модуляции); и тепловой Джонсоновский ток , где К – постоянная Больцмана (1,38Дж), Т – абсолютная температура (К), В – полоса пропускания, R – сопротивление (Ом). Полный шумовой ток определяется, как среднее квадратичное дробового и теплового тока .

Эквивалентная мощность шума (Вт) – одна из наиболее важных характеристик, учитывающих шумовые свойства фотоприемников. Она определяет минимальную мощность оптического сигнала на входе фотоприемника, при которой отношение сигнал/шум равно единице, и вычисляется по формуле , где - полный шумовой ток. По определению, эквивалентная мощность шума пропорциональна квадратному корню из полосы пропускания. можно пронормировать, поделив на . Такая нормированная эквивалентная мощность шума имеет размерность Вт/Гци не зависит от полосы пропускания.

Время нарастания (спада) - это самая важная динамическая характеристика фотоприемника. Она определяется как время, необходимое выходному сигналу, чтобы возрасти от уровня 0,1 до 0,9 (упасть от 0,9 до 0,1) от установившегося максимального значения при условии, что на вход подаются прямоугольные импульсы света большой длительности. Эти времена зависят от геометрии светодиода, материала, напряженности электрического поля в слаболегированной области, температуры. С увеличением частоты модуляции входных оптических импульсов максимальное значение фототока уменьшается. Предельная частота определяется как частота модуляции, при которой токовая чувствительность составляет 0,707 от значения токовой чувствительности при низких частотах модуляции. Различные фотоприемники могут сильно отличаться по быстродействию. Наиболее быстрыми являются p-i-n фотодиоды.

Главная функция фотоприемника – это как можно более точное воспроизведение оптического сигнала, поступающего из волокна. Насколько хорошо фотоприемник справляется с этой задачей зависит от амплитуды входного сигнала и уровня шумов, то есть от отношения сигнал/шум.

Соотношение сигнал/шум и чувствительность аналоговых систем передачи. Для аналоговых систем отношение сигнал/шум измеряется количественно. Требуемая величина соотношения сигнал/шум зависит от применения – для одних систем допустимым соотношением может быть величина 50-60 дБ, для других – 30 дБ. Зная и требования к отношению сигнал/шум, можно определить минимальный входной сигнал - чувствительность аналогового ПРОМ, при котором вносимые шумы будут в пределах нормы. Если входной сигнал ниже чувствительности приемника, то соотношение сигнал шум не будет достаточным для конкретного применения. Принятой единицей измерения чувствительности является дБм.

Коэффициент ошибок и чувствительность цифровых систем. В цифровых системах передачи, когда информация передается двоичными символами, мерой качества принятого сигнала является вероятность некорректной передачи 0 или 1, которая измеряется частостью или коэффициентом ошибок. Она определяется как отношение неправильно принятых символов к их полному числу. Коэффициент ошибок очень резко зависит от мощности входного сигнала, рис.1.18. В определенном диапазоне уменьшение

Коэффициент ошибок

10 25 50 60 Скорость передачи

Мбит/с

-38 -36 -34 -32 -30

Мощность сигнала на приеме, дБм

Рис. 1.18. Коэффициент ошибок как функция мощности

на 0,5 дБ амплитуды входного сигнала приводит к увеличению коэффициента ошибок на порядок. В цифровых телекоммуникационных системах частота появления ошибок должна быть не больше . В вычислительных сетях требования к коэффициенту ошибок более высокие -.

Чувствительностью цифрового ПРОМ называется минимальная мощность входного сигнала, при которой достигается заданный для данной системы передачи коэффициент ошибок. Для нормальной работы мощность оптического сигнала на входе должна быть не меньше чувствительности ПРОМ. Чувствительность цифровых приемников также измеряют в дБм.

Насыщение ПРОМ. Электронные усилители приемника имеют линейную зависимость амплитуды выходного электрического сигнала от входной оптической мощности. Это справедливо до тех пор, пока входной сигнал не превышает определенного значения, которое называется насыщением ПРОМ. В цифровых приемниках, в отличие от аналоговых, работа усилителей в нелинейной области не так опасна. Однако при больших входных сигналах нулевые символы, следующие непосредственно за единицей, из-за «хвостов» фототока, вызванных нелинейностью, могут неправильно определяться, что приведет к увеличению коэффициента ошибок. Насыщением цифрового ПРОМ называется максимальная входная мощность, при которой, коэффициент ошибок начинает превышать заданную величину. Диапазон значений мощности от чувствительности до насыщения называется динамическим диапазоном ПРОМ.

Максимально допустимое обратное напряжение - это напряжение, превышение которого может привести к пробою фотоприемника и его разрушению.

Дата добавления: 2014-01-05