Оптика фемтосекундных лазерных импульсов - Ахманов С.А.
ISBN 5-02-013838-Х
Скачать (прямая ссылка):
Чувствительность фотоприемника в значительной мере определяется уровнем шумов электронных лредусилителей, лучшие из которых выполнены на СВЧ-ПТ на основе GaAs с малой емкостью. На рис. 6.11,6 приведены рекордные чувствительности различных фотодетекторов для вероятности ошибки Ю-9, выраженные через среднее число фотонов на один бит [178]. Такая мера чувствительности представляется удобной, так как она не зависит от скорости передачи информации и длины волны излучения. Наклонные штриховые линии определяют эквивалентную чувствительность S3 для X= 1,55 мкм, выраженную в децибелах по отношению к уровню мощности 1 мВт.
Чувствительность детекторов на основе InGaAs/InP-p—і—га-фотодиодов с усилителями на GaAs-ПТ выше, чем у германиевых ЛФД с предусилителями на биполярных транзисторах на основе кремния из-за гораздо более низкого уровня шумов усилителей на GaAs-ПТ, имеющих высокое входное сопротивление и малую входную емкость, по сравнению с усилителями на биполярных транзисторах, имеющих низкое входное сопротивление ((Rbx = = 50 Ом). Наивысшую чувствительность имеют InGaAs-ЛФД, объединенные с усилителями на GaAs-ПТ, так как первые обеспечивают высокое усиление, а последние — низкий уровень шумов. Значения чувствительности при скоростях передачи 420 Мбит/с и 1 Гбит/с (рис. 6.11,6) получены для ЛФД-ПТ с общей входной емкостью 1 пФ, а при скоростях 2 и 4 Гбит/с — для схемы с емкостью 0,63 пФ-
Гибридный предусилитель с высоким входным сопротивлением состоит из двух GaAs-ПТ с емкостной связью, общим стоком и толщиной затвора 0,3 мкм. Для уменьшения входной емкости ЛФД непосредственно связан с затвором первого ПТ. Второй каскад предусилителя обеспечивает низкое выходное сопротивление (Л?вых = 50 Ом) для последующих каскадов широкополосного усилителя. Общий коэффициент усиления предусилителя по напряжению составляет 10 дБ, этого вполне хватает для превышения шумовых вкладов последующих усилителей. После широкополосного усилителя сигнал подается на #С-эквалайзер и фильтр нижних частот для восстановления формы импульса и ограничения ширины полосы шумов.
При использовании InGaAs-ЛФД с раздельными областями поглощения и умножения, диаметром чувствительной области
.159 55 мкм, квантовой эффективностью 71% (X= 1,55 мкм), темно-вым током 4 нА (при M=I) и ? = 0,35 вместе с описанным выше предусилителем были зарегистрированы оптические мощности —36,6 дБм (скорость передачи информации 2Гбит/с) и —31,2 дБм (4 Гбит/с) при вероятности ошибки Ю-9 бит-1. Использование описанного выше InGaAs-ЛФД с MB =60 ГГц [176] и предусилителя на основе двух с управляющим барьером Шотки GaAs-ПТ (общая входная емкость 0,71 пФ, входное сопротивление нагрузки 1,3 кОм) позволило создать фотодетектор с чувствительностью —25,8 дБм при скорости передачи информации 8 Гбит/с и вероятности ошибки IO-9 бит-1 [179]. Такой прибор использовали в экспериментах по передаче оптических сигналов (X= 1,55 мкм) со скоростью 8 Гбит/с по одномодовому ВС длиной 68,3 км с нулевой дисперсией на А,= 1,3 мкм.
Достижение наибольшей квантовой эффективности фотодиода требует, чтобы весь падающий свет поглощался в его обедненном слое, .причем произведение толщины обедненного слоя h на коэффициент поглощения света а должно быть максимально большим. Поскольку h обычно невелико (примерно 1 мкм), это приводит к довольно сильной спектральной селективности по чувствительности фотолриемяика, обусловленный зависимостью а(Х). Трудности, вызываемые сильной зависимостью межзонного поглощения материала от длины волны регистрируемого оптического излучения, в значительной мере устраняются при использовании волноводной геометрии фотодиодов (рис. 6.11,в). Теперь излучение, распространяющееся по волноводу с малыми потерями, поглощается в обедненном слое, длина которого L может быть выбрана достаточно большой, чтобы выполнялось условие al.^l для широкого диапазона длин волн. Толщина обедненного слоя выбирается теперь близкой к толщине волновода.
Еще одним достоинством волноводного фотодетектора является возможность достижения очень малых емкостей структуры благодаря примению канальных или полосковых волноводов. Так, при использовании канального фотодетектора длиной 3 мм и шириной 3 мкм, сформированного в GaAs (относительная диэлектрическая проницаемость є= 12), емкость структуры составит примерно 0,3 пФ, что на порядок меньше, чем у типичных детекторов меза-геометрии. Это позволило создать волноводный фотодетектор с полосой частот 2 ГГц при площади 1,2- IO4 мкм2 [19].
Для создания поглощающего участка в волноведущем слое фотодетектора применяют локальное эпитаксиальное наращивание слоев с меньшей шириной запрещенной зоны через соответствующие маски, диффузию, ионную имплантацию или протонную бомбардировку. На поверхность этого участка наращивается или формируется диффузией слой материала другого типа проводимости (обычно р-типа) для создания р—/z-перехода или напыляется слой металла, образующего запирающий контакт с полупроводником, для получения барьера Шотки. Наибольшее распро странение получили методы эпитаксиального выращивания фото-160 чувствительного участка волновода, позволяющие формировать сложные монолитные интегрально-оптические устройства, включающие в себя электронные и оптические элементы. В настоящее время разработан волноводный ИО-фотоприемник типа р—і—п-фотодиода на основе InGaAs- и GaAs-ПТ с управляющим переходом, имеющий чувствительность —23 дБм на длине волны 1,3 мкм при скорости передачи информации 1,2 Гбит/с и вероятности ошибки 10~9 на бит.
