4.4. Фотодетекторы

Назначение фотодетектора в волоконно-оптических системах связи и световодных измерительных системах состоит в преобразовании оптического сигнала в электрический, который затем усиливается и обрабатывается в электронных схемах. Фотодетекторы должны иметь высокую чувствительность в рабочих спектральных диапазонах, минимальные шумы, достаточные для данной системы быстродействие и линейность отклика, высокую надежность. В наибольшей мере этим требованиям отвечают полупроводниковые фотодиоды и лавинные фотодиоды которые широко используются в волоконно-оптических системах [15, 77, 336]. Они имеют малые размеры и достаточно хорошо стыкуются с волоконными световодами и электронными схемами.

Типичные конструкции типа изображены на рис. 4.24. Между слоями полупроводника с противоположными знаками проводимости и -слои) расположена область с собственной проводимостью (-область); и -слои с высокой концентрацией примесей имеют малое удельное сопротивление, -слой - очень большое, близкое к собственному удельному сопротивлению материала. На диод подается обратное напряжение, такое что -слой обедняется свободными носителями. Фотоны, поглощаемые в обедненной области, вызывают переходы электронов в зону проводимости, т. е. приводят к рождению

пары электрон—дырка. Свободные носители, генерируемые при поглощении света, разделяются и ускоряются электрическим полем, которое в обедненном слое является сильным и практически однородным, и вызывают фототок в цепи смещснья Электронно-дырочные пары, рожденные вне обедненного слоя, движутся медленно и создают диффузионный ток. ФД типа конструируются так, чтобы свет поглощался в основном в обедненной области, а постоянная времени фотодетектора определялась не диффузией носителей, а их дрейфом с высокой скоростью в -слое.

Рис. 4.24. Конструкции фотодиодов: а — диод с фронтальным освещением, — диод с боковым освещением, 1 — металлические контакты; 2 — слой полупроводника с -проводимостью, 3 — -слой (обедненная область), 4 — -слой, 5 — диэлектрик — просветляющее покрытие, 7 — отражатель

Поэтому -слой, через который свет проходит в диодах с фронтальным освещением (рис. 4.24, а), обычно в 10—100 раз мкм) тоньше -слоя. В диодах с боковым освещением (рис. 4.24, б) свет попадает непосредственно в обедненную область, однако толщина ее не может быть большой мкм), чтобы не увеличивать время пролета носителей, поэтому в такой конструкции возникают проблемы стыковки со световодом. В обеих конструкциях на входную грань наносится просветляющее покрытие, чтобы изменить потери света на френелевское отражение от границы раздела полупроводник — воздух.

В ФД типа в лучшем случае каждый поглощенный фотон рождает одну пару электрон—дырка. В лавинных фотодиодах происходит внутреннее усиление сигнала. ЛФД сконструированы с таким расчетом, что в них образуется область с сильным электрическим полем В/см). В таком поле электроны, генерируемые светом, ускоряются до энергий, -точных для ударной ионизации атомов кристаллической решетки Образующиеся в результате ионизации свободные носители также ускоряются и рождают новые пары. Такой лавинный процесс приводит к тому, что поглощение фотона порождает не одну электронно-дырочную пару, а десятки и сотни. Таким образом, в ЛФД происходит внутреннее умножение фототока с коэффициентом умножения М

где V — обратное напряжение, приложенное к диоду; Упр — напряжение пробоя диода; экспериментально определяемая величина зависящая от конструкции диода, его материала и условий освещения. Зависимость коэффициента умножения М от температуры определяется температурной зависимостью величин

где значения и определяются эмпирически. Необходимо отметить, что умножение является статистическим процессом, в ходе которого каждый носитель, рожденный за счет поглощения фотона, создает случайное число вторичных носителей со средним значением М.

Одна из наиболее распространенных конструкций ЛФД схематически изображена на рис. 4.25 [266].

Рис. 4.25. Конструкция ЛФД: 1 — металлические контакты; 2 — слой, 3 — -слой, 4 - , 5 - слой с охранным кольцом; 6 — -слой, 7 — просветляющее покрытие

Структура ЛФД выращена на высоколегированной кремниевой подложке -слой). Основная часть света поглощается, порождая первичные пары носителей, в -слое с собственной проводимостью. Умножение происходит в -переходе, где электрическое поле велико. Слой с -проводимостью, необходимый для создания области с умножением, окружен охранным кольцом с -проводимостью, предотвращающим электрический пробой на краях умножающего перехода. Большая ширина обедненного слоя, относительно тонкий -контактный слой и просветляющее покрытие делают ЛФД такой конструкции достаточно эффективным.

Фототок ФД -типа определяется выражением, имеющим ясный физический смысл,

где — квантовая эффективность фотодетектора; — заряд электрона; Р — мощность оптического излучения; — энергия фотона. Таким образом, есть число фотонов, падающих на детектор в единицу времени. Квантовая эффективность определяет, какая часть фотонов рождает электроны; число электронов, рожденное в единицу времени, умноженное на заряд, дает фототок. Отсюда чувствительность фотодиода -типа

или, если длину волны измерять в микрометрах,

В обедненном слое поглощаются фотоны, не отраженные от поверхности диода и не поглощенные контактным слоем, поэтому квантовая эффективность

где — коэффициент отражения света по мощности от границы воздух — полупроводник; а — коэффициент поглощения полупроводника; и — ширина контактного и обедненного слоев соответственно. Из выражений (4.55) и (4.57) понятно, что существует «красная граница» в спектральной зависимости чувствительности, определяемая шириной запрещенной зоны. Фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны, не поглощаются причем граничная длина волны (мкм) определяется известным условием [см. формулу или Для диапазона длин волн мкм широкое распространение получили кремниевые детекторы, поскольку технология кремниевых полупроводниковых приборов хорошо разработана и токи утечки в них незначительны. Кремниевые фотодиоды с тонким контактом (d < 1 мкм) и просветляющим покрытием в этом диапазоне длин волн имеют квантовую эффективность и чувствительность . Однако ширина запрещенной зоны (1,1 эВ) ограничивает использование кремния длинами волн не более 1,1 мкм. Для перспективных диапазонов вблизи 1,3 и 1,5 мкм используются германий и соединения а также

Чувствительность как следует из изложенного выше,

Порог чувствительности фотодетекторов определяется как мощность излучения, при которой фототок равен шумовому току. Времена прихода отдельных фотонов — случайные величины, подчиняющиеся статистике Пуассона, поэтому ток в каждый момент времени также есть величина случайная. Как известно, такой шум носит название дробового, среднеквадратическое значение его спектральной плотности для значения фототока

где — частота сигнала.

Величина включает ток вызванный мощностью светового сигнала, и темновой ток

Это означает, что для уменьшения шумов необходимо минимизировать темновые токи, представляющие собой поверхностные и объемные токи утечки. В кремниевых детекторах токи утечки можно снизить до уровня , а в германии и в соединениях они обычно на два порядка выше. Темновой ток растет

с увеличением температуры по закону , где — постоянная Больцмана, Т — температура, К.

Из выражений (4.54) и (4.59) следует, что пороговая детектируемая мощность и соответствующий ей фототок равны:

где — полоса регистрируемых частот. Для реализации пороговой чувствительности необходимо выбрать такое значение сопротивления нагрузки (входного сопротивления усилителя) чтобы тепловые шумы самого сопротивления не превышали напряжения Расчет показывает [15], что для кремниевых -фотодиодов с темповым током должно быть равным 5—50 МОм. При таких значениях сопротивления сильно ограничивается частотный диапазон фотоприемника, поэтому на практике выбираются значительно меньшие сопротивления нагрузки и порог чувствительности определяется шумами первого каскада усилителя.

В ЛФД спектральная плотность шума определяется выражением [77, 336]

где — коэффициент, учитывающий случайный характер процесса умножения. Приближенное выражение для имеет вид

Для кремния для германия Коэффициент умножения М в принципе можно увеличивать до тех пор, пока шумы фотодетектора не сравняются с шумом усилителя. Однако ток сигнала растет пропорционально М, а шумовой ток — пропорционально поэтому имеется оптимальное для отношения сигнал/шум значение коэффициента умножения. Для кремниевых оно составляет 80—100. В этом случае ЛФД безусловно более чувствительный детектор, чем -диод, однако необходимо помнить о его недостатках. Первый заключается в том, что ЛФД работают при достаточно высоких напряжениях смещения (80—400 В), тогда как -фотодиод можно запитывать от источников, используемых для обычных полупроводниковых микросхем. Второй существенный недостаток ЛФД состоит в том, что коэффициент лавинного умножения М зависит достаточно сильно от температуры, что зачастую приводит к необходимости термостабилизации.

Линейность выходной характеристики -фотодиода, работающего с обратным смещением, исключительно высока вплоть до величины так что световые мощности, используемые в световодных системах не

приводят к насыщению [336]. Первым эффектом, возникающим при возрастании мощности, является уменьшение напряженности электрического поля в обедненной области. Это не уменьшает чувствительности, однако снижает скорость движения носителей и соответственно верхнюю гранйчную частоту детектора.

Линейность выходной характеристики ЛФД также высока для световых мощностей в диапазоне При больших уровнях мощности чувствительность снижается из-за накопления пространственного заряда в обедненном слое, приводящего к изменению распределения электрического поля и в результате к снижению коэффициента умножения.

Быстродействие -фотодиода в пределе определяется временем пролета носителей через обедненный слой. В кремниевых диодах высокий квантовый выход обеспечивается, как уже говорилось, при толщине обедненного слоя мкм, при этом время отклика составляет 0,5 не [77]. Для получения большего быстродействия приходится поступаться чувствительностью.

Второе ограничение на быстродействие может накладываться постоянной времени детектора — сопротивление нагрузки; С — емкость диода). Емкость -фотодиода где А — площадь перехода; —диэлектрические постоянные вакуума и полупроводника соответственно. Для кремния . Для серийных диодов обычно мкм и . Учитывая, что для высокочастотных приемников Ом, получаем .

Быстродействие ЛФД ограничивается теми же факторами, однако полное время дрейфа носителей в них примерно в два раза бэльше, чем -фотодиодов.

В последнее время быстро возрастает интерес к построению разветвленных многоцелевых волоконно-оптических сетей. Часто встает задача распределения информации между большим числом разного рода приемных устройств. Неизбежные потери в оптических ответвителях приводят к необходимости в этих случаях искать возможности безразрывного детектирования излучения в волоконном световоде. Устройства, выполняющие такие функции, можно назвать проходными фотодетекторами.

Принцип действия известных схем проходных фотодетекторов [6] состоит в детектировании малой части световой мощности, распространяющейся в оболочке волоконного световода вблизи его сердцевины. В первой конструкции [6], схематически изображенной на рис. 4.26, а, на небольшом участке (~5 мм) волоконного световода отражающая оболочка удалена химическим травлением. На поверхность сердцевины на этом участке нанесен слой полупроводника — аморфного гидрированного кремния. Толщина слоя составляет ~0,5 мкм, расстояние между контактами, расположенными на его поверхности, ~250 мкм. Потери световой

энергии при прохождении через детектор Устройство работает в режиме фотосопротивления, и быстродействие его поэтому невелико.

В другой конструкции (рис. 4.26, б) пспользуется стандартный -фотодиод и ограничения на быстродействие проходного фотодетектора не специфичны. Здесь, как и в конструкции, изображенной на рис. 4.26, а (только не полностью), на участке 5— 10 мм удалена оболочка и заменена жидким или твердым (прозрачный клей) иммерсионным слоем, в котором размещена фоточувствительная область -фотодиода.

Рис. 4.26. Проходные фотодетекторы: а — на гидрированном кремнии; б — с -диодом; 1 — сердцевина волокна, 2 — оболочка, 3 — пленка полупроводника, 4 — контакты, 5 — прозрачный клей; -диод

Для волоконного световода с диаметром сердцевины 90 мкм и оболочки 240 мкм для надежного детектирования достаточно удалить слой оболочки толщиной 60 мкм. Вносимые детектором потери в этом, случае не превышают 0,2 дБ.

При измерении характеристики волоконных световодов и заготовок для их производства информация очень часто содержится в пространственном распределении интенсивности светового излучения (см. гл. 5). При этом для преобразования оптической информации в электрический сигнал необходимо использовать многоэлементные фотоприемники или сканировать одиночный фотопрпемнпк. Во втором случае невозможна работа в реальном масштабе времени, к тому же разъюстировки в механических устройствах сканирования приводят к достаточно большим погрешностям измерений. Использование матриц и линеек фотодетекторов (например, -фотодиодов) с параллельными выходами усложняет ввод информации в вычислительные устройства. Широкие возможности при построении оптико-цифровых систем для волоконной оптики и приборостроения открывают фотоприемники на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) [76]. Многоэлементные фотоприемники ПЗС — линейки и матрицы — совмещают в единой интегральной структуре как светочувствительные элементы, так и регистры сдвига.

В основе работы ПЗС лежат процессы, протекающие в структурах типа металл — окисел — полупроводник (МОП), способных

собирать и накапливать пакеты неосновных носителей в потенциальных ямах на границе . Через определенные интервалы времени осуществляется перенос зарядовых пакетов путем управляемого перемещения потенциальных ям. В ПЗС-фотоприемниках фоточувствительные элементы (фотодиоды или МОП-конденсаторы) преобразуют интенсивность света в пропорциональные ей заряды, сдвиговые регистры перемещают эти информационные пакеты к общему выходу. Таким образом, осуществляя параллельный съем большого числа световых сигналов, ПЗС позволяет достаточно просто организовать последовательный ввод соответствующих электрических сигналов в ЭВМ.