Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации - Семенов А.С.
ISBN 5-256-00738-6
Скачать (прямая ссылка):
Рекордно низкими пороговыми токами обладают квантовораз-мерные GaAlAs/GaAs-лазеры на двойной гетероструктуре, имеющие плоский резонатор. Достигнут пороговый ток около 1 мА при длине резонатора 250 мкм, ширине активной области 1 мкм и коэффициенте отражения обоих торцов 70%. При этом внешняя дифференциальная эффективность лазера составляет 0,45 мВт/мА. Используя лазер с резонатором длиной 100 мкм и коэффициентом отражения 80% был достигнут пороговый ток 0,55 мА [180]. Очень интересные возможности открывают лазерные диоды с излучающей поверхностью, т. е. лазерные аналоги поверхностных СИД. В такой лазерной РБЗ-структуре получена рекордно малая расходимость излучения, составляющая доли градуса.
6.8. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОДЕТЕКТОРЫ
Для детектирования оптических сигналов, передаваемых в волоконных системах связи, обычно применяются полупроводниковые p—i—л-диоды и лавинные фотодиоды (ЛФД), обеспечивающие максимально высокую скорость приема сигналов и высокую чувствительность в рабочем диапазоне длин волн.
.155 Поглощенные в обедненном і'-слое р—і—га-диода N фотонов рождают qN электронно-дырочных пар, где q — квантовая эффективность детектора, определяемая коэффициентами отражения и поглощения материала R и а(Х) соответственно, а также толщиной контактного р-слоя и і-слоя В ЛФД те же N фотонов создадут в конечном итоге MqN пар благодаря процессу лавинного увеличения фототока под действием приложенного сильного электрического поля, обеспечивающего ударную ионизацию атомов материала образующимися носителями. Коэффициент умножения M= [1—(U/Uпр)а]-1 определяется приложенным к диоду обратным напряжением U, напряжением пробоя Unp и коэффициентом а<1. Отметим, что Unp и а линейно зависят от температуры.
Длина волны излучения довольно четко разграничивает материалы применяемых фотодетекторов: в диапазоне 0,85...0,9 мкм наилучшими характеристиками (квантовая эффективность, быстродействие, уровень шумов) обладают кремниевые приемники. В диапазонах длин волн 1,3 и 1,55 мкм, соответствующих нулевой материальной дисперсии и минимуму потерь в ВС из плавленого кварца, используются детекторы на основе соединений A111Bv—¦ IrbGai-xAsyPi-y, InxGai-sAs и германия.
Если энергия кванта поглощенного света больше ширины запрещенной зоны материала, то чувствительность фотодетектора S определяется квантовой эффективностью q. Для р—і—га-диода S=0,8 qX, а для ЛФД SЛФд =0,8MqX (длина волны X измеряется в мкм, a S — в А/Вт) [173]. Порог чувствительности детектора определяется как мощность излучения, при которой фототок равен шумовому току. Последний определяется главным образом дробовыми шумами усредненных светового и темнового токов (iф и 1Т). Для р—і—га-диода пороговый фототок Р=2е(1ф+1Т)В, а для ЛФД i2 = 2e(l^+lT)M2F(M)B, где в — заряд электрона; В — полоса' частот сигнала; F(M)=Mh — коэффициент избыточного шума; величина fe = a/?— отношение скоростей ионизации электронов <а) и дырок (?). Главным образом значение k определяется материалом детектора и отчасти структурой ЛФД. Для InGaAs/InP-ЛФД обычно 6 = 0,3...0,5, а для Ge-ЛФД fe = 0,5 ... 1 (для Si-ЛФД k^.0,1). Соответственно коэффициент избыточного шума F(M) = = 5 (InGaAs) и 8 (Ge) при М=10.
Характерные значения темнового тока ЛФД и р—і—га-диодов на основе InGaAs/InP составляют 1 ... 10 нА. Однако в [174] было показано, что при использовании бездислокационных эпитакси-альных слоев с точно контролируемыми уровнями легирования и толщинами, а главное при идеальном согласовании постоянных решеток слоя In0,53Ga0,47As и окружающих слоев InP в р—і—га-диоде на основе InGaAs/InP достижим темновой ток 4 пА (плотность тока 3,7-10~8 А/см2) при напряжении смещения 5 В.
Поскольку ток сигнала растет пропорционально М, а шумовой ток — пропорционально MF]'2, то каждому заданному отношению сигнал-шум соответствует пределенный оптимальный коэффициент умножения Мопт. Значение /И0Пт зависит от /т, k, скорости пе-
.156 редачи информации, допустимой вероятности ошибки и уровня шума предусилителя, соединенного с фотодетектором. Для InGaAs/InP-ЛФД при скорости передачи информации 1,3 Гбит/с, вероятности ошибки IO-9 бит, чувствительности 5 = 0,6 А/Вт, использовании высокоомного предусилителя на GaAs-полевых транзисторах (ПТ) темповому току /т=10 нА соответствует Л10пт~14 (k=\) и 24 (? = 0,3). При уменьшении It до 1 нА значения М0т возрастают до 15 и 27 соответственно.
Важной характеристикой фотодиода, показывающей его способность регистрировать слабые оптические сигналы при высокой скорости их передачи, является произведение коэффициента умножения на полосу пропускания MB. Кремниевые ЛФД характеризуются коэффициентом M?—100 ГГц. Наивысшее значение MB в области длин волн 1,3 и 1,5 мкм в настоящее время имеют InGaAs/InGaAsP/InP-ЛФД (рис. 6.11,а) [175]. В таких детекторах применяются слаболегированные (Ndt Na^ IO16 см-3) эпитаксиальные слои Іщ-xGaxAsyPi-y, имеющие согласованные решетки с соседними слоями InP и InGaAs. Для устранения туннельной компоненты темнового тока в ЛФД используются гетеропереход-ные структуры с раздельными областями поглощения света и умножения фототока, поэтому первичный темновой ток у таких детекторов составляет единицы или даже доли наноампера. Благодаря использованию переходных слоев с промежуточной шириной запрещенной зоны или варизонных квантоворазмерных слоев уменьшено накопление зарядов на поверхностях разделов гетеропереходов и резко улучшена частотная характеристика — быст-
