Энергетические процессы в волоконно-оптических системах передачи - Дипломная работа
Даже при отсутствии оптической мощности через обратносмещенный диод течет малый обратный ток. Его называют темновым током. Он обозначен символом Iт на рис. 3.3. Темновой ток вызван тепловой генерацией свободных носителей заряда в диоде. Он течет во всех диодах, где традиционно называется обратным током утечки. Максимальное его значение, наблюдаемое при больших отрицательных напряжениях, является обратным током насыщения. Темновой ток, имеющий тепловую природу, быстро увеличивается с температурой, практически удваивая свое значение на каждые 10°C увеличения температуры. Значения темновых токов составляют от долей наноампер до нескольких сотен наноампер. Кремниевые детекторы имеют самые низкие темновые токи. В диодах из InGaAs они несколько больше, а германиевые диоды обладают самыми большими темновыми токами. В этом одна из главных причин, почему кремниевые фотодиоды предпочитают германиевым в области длин волн, где их токовые отклики сравнимі.
Очевидно, что слабый оптический сигнал не может быть обнаружен детектором, потому что малый фототок, который он генерирует, маскируется большим темным током.
3.2 Параметры и характеристики ЛФД
Лавинный фотодиод (ЛФД) – это полупроводниковый детектор на основе p–n-перехода, имееющий внутренний коэффициент усиления, который увеличивает значение токового отклика по сравнению с p–n- или p–i–n-приборами. Наличие усиления в ЛФД делает его похожим на вакуумный фотоумножитель. Коэффициент лавинного усиления, однако, является намного меньшим, чем в ФЭУ, и ограничен значениями в несколько сот или менее. Однако, наличие внутреннего усиления делает лавинные фотодиоды намного более чувствительными детекторами, чем p–i–n-диоды.
Лавинное умножение происходит следующим образом. Поглощенный в обедненной области фотон, создает свободный электрон и свободную дырку. Высокое электрическое поле, существующее в обедненной области, заставляет носителей заряда ускоряться, что увеличивает их кинетическую энергию. Когда быстро движущиеся заряды сталкиваются с нейтральными атомами, они создают дополнительные электронно-дырочные пары, т.е. часть их кинетической энергии используется, чтобы сообщить связанным электронам энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны. Один ускоренный заряд может сгенерировать несколько вторичных. Вторичные заряды также могут ускоряться и создавать еще большее количество электронно-дырочных пар. Это явление называется лавинным умножением.
Электрическое поле, ускоряющее носители, должно быть сильным, чтобы придать зарядам значительную кинетическую энергию. Это обеспечивается с помощью большого обратного напряжения смещения (несколько сотен вольт в некоторых образцах). Коэффициент усиления увеличивается с ростом напряжения смещения vd в соответствие с аппроксимирующим выражением Миллера
, (3.2.)
где Vпр – обратное напряжение пробоя диода, и n – экспериментально определяемый параметр, значение которого больше единицы. Напряжение пробоя лежит в интервале от 20 до 500 В.
 |
, (3.3)
где h – квантовая эффективность при коэффициенте усиления, равном единице. Этот результат аналогичен соотношению для фотоумножителя.
Токовый отклик ЛФД
. (3.4)
Типичные значения токового отклика в лавинном режиме лежат в интервале от 20 до 80 A/Вт.
Лавинные фотодиоды обычно являются модификациями p–i–n-диодов. Используемые материалы и области спектральной чувствительности, являются одинаковыми. Один из вариантов ЛФД, называемый “диодом с проникновением поля”, показан на рисунке 3.4. Здесь p+– и n+–слои являются высоколегированными низкоомными областями, на которых происходит очень малое падение напряжения. p–область слегка легирована, т.е. имеет почти собственную проводимость. Большинство фотонов поглощаются в этом слое, создавая электронно-дырочные пары. Как показано на рисунке, фотоэлектроны двигаются в p-область, которая обеднена свободными носителями заряда вследствие большого обратного напряжения смещения. В действительности, обедненная область p–n+-перехода “проникает” в p–область. Наиболее сильное падение напряжения происходит в области p–n+-перехода, где большое электрическое поле вызывает лавинное умножение. В этом приборе умножение начинается электронами. Дырки, сгенерированные в p-области, дрейфуют к p+-электроду и не принимают участия в процессе умножения. Структура, в которой процесс умножения начинается носителями заряда одного типа, имеет хорошие шумовые характеристики.
Как и в фотодиоде без умножения, скорость отклика ЛФД ограничена временем пролета носителей заряда и RC-постоянной времени. Время пролета в лавинных фотодиодах, соответствующее времени нарастания, составляет несколько десятых долей наносекунды. Время нарастания меньшее 100 пс достигнуто и для кремниевых и для германиевых ЛФД.
3.3 Математическая модель опто-электрического преобразователя (ОЭП)
Для ЭОП приняты обозначения (смю рис. 3.5 ): Ро вх – среднее во времени значение мощности оптического сигнала на входе;
Ri(А/Вт) = DIвых(А)/DРо вх (Вт), ri(дБ) = 20lg[Ri(А/Вт)/1 А/Вт] (3.5)
 |
Рисунок 3.5 – Функциональная схема ООП.
– дифференциальный токовый отклик (с учетом эффективности вывода света из ОВ), равный приращению тока DIвых на выходном полюсе, вызванному приращением оптической мощности DРо вых на его входном полюсе; Uвых, Iвых и Pэ вых – соответственно напряжение, ток и мощность электрического сигнала на выходе; Rн – сопротивление нагрузки. Для ОЭП с учетом соотношений (3.5)
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19