Обобщенная схема приемника оптического излучения

 

Обобщенная структурная схема оптического приемника, реализуемого в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ) представлена на рис., где приняты следующие обозначения: ОК – оптический кабель; ОС – оптический соединитель; ФД – фотодиод или фотодетектор; ПМШУ – предварительный малошумящий усилитель; МУ с АРУ - мощный усилитель с автоматической регулировкой усиления; ФК – фильтр-корректор.

Выход

ОК

ОС

ФД

ПМШУ

МУ с АРУ

ФК

Обобщенная структурная схема оптического приемника

 

 

Оптический сигнал с выхода оптического кабеля (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 предварительный малошумящий усилитель (ПМШУ). Электрический сигнала с выхода ПМЩУ далее усиливается мощным усилителем с автоматической регулировкой усиления (МУ с АРУ) и затем с помощью фильтра-корректора (ФК) осуществляется фильтрация помех и коррекция формы электрического сигнала, который и подается на оборудование сопряжения тракта приема ВОСП.

Приемник излучения реализуется в форме оптоэлектронного изделия единой конструкции, называемого приемным оптоэлектронным модулем – ПРОМ, предназначенного для преобразования оптических сигналов, передаваемых в ВОСП в электрические сигналы.

Типичный ПРОМ включает собственно приемник оптического излучения и устройства стабилизации режимов работы его активных элементов. ПРОМ подразделяются на аналоговые и цифровые, предназначенных для преобразования аналоговых и цифровых сигналов соответственно.

Основными параметрами и характеристиками ПРОМ являются:

- рабочая длина волны l, т. е. длина волны принимаемого оптического излучения, для которой нормированы параметры ПРОМ;

- полоса пропускания, т. е. интервал частот, в котором значение амплитудно-частотной характеристики соответствует нормам, установленным техническими условиями;

- скорость приема, т. е. предельное значение скорости передачи информации, при которой параметры ПРОМ сохраняют заданные значения, установленные нормативно-технической документацией;

- напряжение шума, представляющее среднее квадратическое значение флуктуации выходного напряжения ПРОМ в заданной полосе частот или для заданной скорости передачи в отсутствии оптического сигнала на входе ПРОМ;

- отношение сигнал/шум (ОСШ): отношение амплитуды переменной составляющей выходного напряжения ПРОМ при заданных характеристиках принимаемого оптического сигнала к среднеквадратическому значению флуктуации выходного напряжения при приеме немодулированного оптического излучения той же средней мощности;

- коэффициент ошибок: отношение числа ошибок в цифровом сигнале электросвязи ПРОМ за заданный интервал времени к числу символов, переданных в этом интервале;

- порог чувствительности: минимальная средняя мощность оптического сигнала на входе ПРОМ при заданных характеристиках этого сигнала, при которой обеспечивается заданное ОСШ или заданный коэффициент ошибок.

- спектральная характеристика: зависимость чувствительности ПРОМ от длины волны принимаемого оптического сигнала;

- выходная характеристика: зависимость тока (напряжения) электрического сигнала от величины мощности оптического сигнала;

- динамический диапазон, под которым понимается отношение вида D = 10lg(P _макс/ Р _мин), где Р _макс и Р _мин - максимальная и минимальная мощность оптического излучения соответственно, при которых обеспечиваются заданные величины ОСШ или коэффициента ошибок.

Базовым элементом ПРОМ волоконно-оптических систем передачи является фотодетектор – оптоэлектронный прибор, преобразующий оптический сигнал в электрический сигнал соответствующей формы.

 

 

22. p-i-n – фотодиоды

 

Структурная схема обратносмещенного р-i-n – фотодиода (ФД) и распределение напряженности электрического поля представлены на рис. 3.36.

Контакты

Е см

L

Выход электрического сигнала

R н

Е в

-

+

-

Обедненный слой

n +

i -слой Е вн

р +

+

Рисунок 3.36 - Структура p-i-n фотодиода и распределение электрического поля

Оптическое излучение Р

 

 

Сконструированный таким образом полупроводниковый прибор, получил название p-i-n – ФД, происходящего из сокращенных названий составляющих его слоев: p – positive (положительный), i – intrinsic (внутренний), n – negative (отрицательный). Обедненный i – слой такого ФД сделан максимально широким из полупроводникового материала, легированного в такой степени, чтобы не относится ни к полупроводникам n – типа с электронным видом проводимости, ни к полупроводникам р – типа с дырочной проводимостью.

Как следует из рис. 3.36, структура такого диода состоит из сильно легированного тонкого n⁺ - слоя (подложки), слаболегированного i – слоя и тонкого сильнолегированного р⁺ - слоя. Толщина i – слоя должна быть во много раз больше, чем длина поглощения оптического излучения мощностью Р соответствующих длин волн. Так, если толщина тонкого р⁺ - слоя не превышает 0,3 мкм, то ширина i – слоя составляет несколько десятков мкм.

Так как сильное легирование р – и n – слоев увеличивает их проводимость, то обратное смещение напряжением Е _см, приложенное к этим слоям, создает в i – слое сильное внутренне электрическое поле напряженностью Е _вн. При этом образуется обедненная зона, толщина которой сравнима с размером диода. 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 p⁺ - и n⁺ - i областям диода.

Конструктивно p-i-n – ФД выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощения излучения вне i – слоя. С этой целью переход формируется у самой поверхности кристалла. Следовательно, постоянная времени такого ФД определяется временем перехода носителей заряда через обедненный слой в сильном электрическом поле.

При отсутствии внешнего оптического излучения и наличии обратного смещающего напряжения в p-i-n – фотодиодах обедненный слой поляризуется и через нагрузку протекает постоянный ток I _т малой величины, который называется темновым током. Значение этого тока определяется свойствами полупроводникового материала, толщиной p-i-n – структуры и температурой окружающей среды.

В настоящее время p-i-n – фотодиоды 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 пиковатт до нескольких милливатт), обеспечивают детектирование оптических сигналов, модулируемых частотами гигагерцового диапазона.

Для изготовления р-i-n ФД обычно используют кремний (Si), германий (Ge), арсенид галия (GaAs), соединения вида InAs, InGaAs, AlGaSb и InGaAsP. Кремниевые ФД считаются идеальными для применения в ВОСП, работающих на длине волны от 0,6 до 1 мкм с максимальной чувствительностью около 0,9 мкм и квантовой эффективностью до 0,9. Для длин волн 1 мкм и выше (вплоть до 1,8 мкм) часто используют ФД на основе Ge. При использовании соединения вида Al_xGa_1-xAsSb получены ФД для работы на длинах волн от 0,9 до 1,3 мкм с квантовой эффективностью не хуже 0,8.

Пример конструктивного выполнения p-i-n- ФД приведен на рис. 3.37.

Оптическое излучение

Просветляющее покрытие, Si3N4

п ^+-cлой

р ^+-слой,

Омический контакт

Омическийконтакт

Обедненный i- слой

ИзоляторSiO2

Рисунок 3.37 - Примерное конструктивное выполнение p-i-n ФД

 

В фотодиодах p-i-n – типа каждый поглощенный фотон в идеале приводит к образованию одной пары “электрон-дырка”, что приводит к генерации тока во внешней цепи. Квантовую эффективность ФД можно повысить путем использования лавинного усиления (умножения), реализуемого в структуре называемой лавинным фотодиодом (ЛФД), где один фотон порождает М электронов.

Лавинные фотодиоды

 

В основе работы ЛФД лежит процесс ударной ионизации в сильном электрическом поле, т.е. образования 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 увеличением напряженности электрического поля (или ростом обратного смещающего напряжения). Следовательно, для осуществления ударной ионизации в структуре фотодиода необходимо создать сильное электрическое поле. Такое поле создается добавлением в структуру p-i-n – фотодиода дополнительного p - перехода, рис.3.38.

При воздействии оптического излучения мощностью Р на i – слой образуются пары “электрон - дырка”, называемые первоначальными носителями. Благодаря относительно небольшому полю i – слоя, происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам батареи смещения Е _см.

 

-

+

L

Контакты

Выход электрического сигнала

Оптическое излучение Р

R н

Е в

+

-

Обедненный слой

n +

p или i - слой Е в

р +

Е см

Рисунок 3.38 - Структура ЛФД фотодиода и распределение электрического поля

р

 

 

При попадании свободных электронов из i – слоя в р – слой их ускорение возрастает из-за высокой напряженности электрического поля n⁺-p -перехода. Ускоряясь в зоне проводимости р – слоя, такие “быстрые” электроны накапливают кинетическую энергию достаточную для того, 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 снова порождает ударной ионизацией пару “медленных” электронов из валентной зоны. Это процесс называется лавинным усилением или лавинным умножением.

Условия лавинного умножения достигаются увеличением напряжения обратного смещения Е _см до значения, чуть меньше напряжения пробоя полупроводника, так чтобы на n⁺-p -переходе установилось очень сильное поле (с напряженностью не менее 10⁵ В/см). Электроны и дырки, двигаясь в таком поле, приобретают значительную кинетическую энергию, необходимую для образования вторичных носителей путем ударной ионизации. Энергия, получаемых при этом электронов, обеспечивает их перенос из валентной зоны в зону проводимости.

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

, (3.32)

где U _см – напряжение обратного смещения; U _пр – напряжения пробоя; величина; n - коэффициент, определяемый материалом проводника и конструкцией фотодиода (от 2 до 6).

Величина фототока через нагрузку R _н (рис. 3.38) для ЛФД определяется по формуле:

 

. (3.33)

Лавинный эффект приводит к увеличению темнового тока ЛФД в М раз по сравнению с темновым током p-i-n – фотодиода.

Коэффициент умножения принимает различные значения в зависимости от напряжения смещения. При U _см» U _пр происходит резкое увеличение коэффициента М, которое может принимать высокие значения порядка 10³…10⁴. При низком напряжении U _см ЛФД работает как p-i-n – фотодиод без усиления (умножения). Существует пороговое напряжение U _пор для 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 ФЛД необходимо предусмотреть меры, которые устраняли бы влияние изменений напряжения и температуры. Типовой компромисс между величиной умножения и стабильностью работы ЛФД достигается при напряжении смещения, равном 0,95 U _пр.

Лавинный фотодиод с коэффициентом М= 100 может породить как 95, так и 105 вторичных носителей. Такого рода вариации являются причиной возникновения шумов, ограничивающих предел чувствительности ЛФД. Отметим, что темновой ток ЛФД растет при увеличении

 

р- контакт

п- контакт

Оптическое излучение

р -слой

SiO2

р^+ -слой

p -слой

Si3N4 - просветляющее покрытие

п -слой с охранным кольцом

Рисунок 3.39 - Примерная конструкцияЛФД

п^+ -слой

 

 

смещающего напряжения и, следовательно, зависит от коэффициента умножения М.

Примерное конструктивное исполнение лавинного фотодиода показано на рис. 3.39. Структура ЛФД выращена на высоколегированной подложке (п ⁺ - слой). Основная часть оптического излучения поглощается в p -слое с собственной проводимостью, порождая пары носителей. Умножение происходит в р-п⁺ - переходе, где электрическое поле велико. Слой с р -проводимостью, необходимый для создания области с умножением окружен охранным кольцом с п⁺ - проводимостью, предотвращающим электрический пробой на краях умножающего перехода. Большая ширина обедненного слоя, относительно тонкий п⁺ - контактный слой и просветляющее покрытие делают ЛФД такой конструкции достаточно эффективным.

Квантовая эффективность ФД зависит от коэффициента отражения R на границе “полупроводник-воздух”. Для уменьшения френелевского отражения обычно покрывают поверхность прозрачной диэлектрической пленкой (просветляющее покрытие) толщиной в четверть длины волны принимаемого оптического излучения и показателем преломления в идеальном случае равным , где n₁ и n₂ показатели преломления полупроводникового материала и воздуха. На практике более удобна тонкая кварцевая пленка, заметно увеличивающая пропускание оптического излучения; иногда используют нитрид кремния Si₃N₄. Такая пленка играет роль линзы, повышающей квантовую эффективность фотодиода на 20%.