Kapitel 6 Detektoren. 6.1 Einführung

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1 Kapitel 6 Detektoren 6. Detektoren 6.1 Einführung 6. pn-photodiode Absorption im Halbleitermaterial Spektrale Charakteristik Kennlinie der Photodiode Zeitliches Verhalten 6.3 pin-photodiode 6.4 Avalanche Photodiode (APD) Schichten und Elektrisches Feld Dynamisches Verhalten 6.5 Rauschen von Photodioden Schrotrauschen Thermisches Rauschen Signal-Rausch-Verhältnis Noise Equivalent Power Rauschbeiträge aus optischen Verstärkern 6. Detektoren Einführung Einführung Detektor: Umwandlung des optischen Signals am Ende der Übertragungsstrecke in ein elektrisches Datensignal Gebräuchliche Detektoren: photovoltaisch Elemente (pn-photodiode) pin-photodiode Avalanche Photodiode (APD) Anforderungen an Detektoren: genügende Empfindlichkeit geringe Signalverzerrung ( hohe Bandbreite) geringes Eigenrauschen 6. Detektoren -

2 6. pn-photodiode (1) pn-photodiode einfachstes photovoltaisches Element geringe Bedeutung für Kommunikationstechnik gut um Funktionsprinzip zu zeigen Absorption im Halbleitermaterial exponentielle Abnahme der Intensität im Halbleiter (Lambert-Beersches Gesetz) Einfallendes Photon Elektron vom Valenzband ins Leitungsband angehoben Generation eines Elektron-Loch-Paares in der Raumladungszone (bzw. im angrenzenden Bahngebiet innerhalb der Diffusionslänge) erzeugte Ladungsträger werden durch anliegende Spannung getrennt Photostrom Photostrom ist direkt proportional zur einfallenden optischen Leistung I P = RP mit in R = ηq Responsivity η : Quantenwirkungsgrad hf der Absorption 6. Detektoren pn-photodiode () pn-photodiode Spektrale Charakteristik Photonenenergie proportional zur Frequenz: E bei konstanter Lichtleistung: Anzahl der einfallenden ph = hf Photonen / Zeiteinheit nimmt mit Wellenlänge zu (= Abnahme bei steigender Frequenz) mehr Ladungsträgerpaare werden gebildet höherer Photostrom Weitere Erhöhung der Wellenlänge: Wellenlänge der Photonen entspricht geringerer Energie als Bandabstand des Halbleiters Photonenenergie zu niedrig um Elektron- Loch-Paar zu generieren Photostrom geht gegen Null 6. Detektoren - 4

3 6. pn-photodiode (3) pn-photodiode Kennlinie Trennung der in der Raumladungszone erzeugten Ladungsträger durch Diffusionsspannung (Sperrspannung) Photostrom qu I = IS I kt exp 1 I = I I I P I D D P : Photostrom : Dunkelstrom P I ph I U 6. Detektoren pn-photodiode (4) pn-photodiode Zeitliches Verhalten zeitliches Verhalten im Wesentlichen bestimmt durch Sperrschichtkapazität der Photodiode Abnahme der Kapazität mit steigender Sperrspannung Zunahme der Kapazität mit steigender Diodenfläche aber: sinkende Empfindlichkeit bei reduzierter Diodenfläche pn-photodiode Nachteile Absorption außerhalb der RLZ Verringerung des Wirkungsgrades Geringe Weite der RLZ Lange Diffusionszonen langsamer Ladungsträgertransport 6. Detektoren - 6

4 6.3 pin-photodiode pin-photodiode Einfügen einer intrinsischen Schicht in die pn-struktur erhöhte Wahrscheinlichkeit für Absorption, η nahe 100% Vergrößerung des Driftgebiets geringerer Anteil von Ladungsträgern aus der Diffusionszone schnellere Reaktion aber: langes Driftgebiet: Driftzeit steigt Bandbreite sinkt Kompromiss zwischen Bandbreite und Empfindlichkeit Optimierung: Heterostruktur - el. field p - i n I ph distance Absorptionskanten: InP: 900nm, InGaAs: 1650nm Absorption nur in i-schicht, keine Diffusionseffekte für 1550nm-Licht optimierte Geschwindigkeit und Empfindlichkeit (bis zu 40Gbit/s) Springer Handbook of Lasers and Optics 6. Detektoren Avalanche Photodiode (APD) (1) Avalanche Photodiode Begrenzung der Responsivity bei pn- und pin-photodioden q R max = hf Erhöhung der elektrischen Feldstärke Generation zusätzlicher Trägerpaare durch Stoßionisation Erhöhung des Photostroms APD: Photodiode mit integriertem Verstärker 6. Detektoren - 8

5 6.4 Avalanche Photodiode (APD) () Avalanche Photodiode - Schichtenfolge zusätzliche p-schicht: Verstärkung durch Stoßionisation hohe Sperrspannung (E 10 5 V/cm) Beschreibung der Verstärkung durch Multiplikationsfaktor M: R = APD R M 6. Detektoren Avalanche Photodiode (APD) (3) Avalanche Photodiode Dynamisches Verhalten Worst-case Driftzeit (bei Vernachlässigung von Effekten höherer Ordnung) ergibt sich aus Summe aus: Laufzeit der Elektronen durch die Driftzone Laufzeit der Elektronen an das Ende der Avalanche-Zone Laufzeit der Löcher durch die Avalanche-Zone Laufzeit der Löcher durch die Driftzone log (f 3dB ) log(m) 6. Detektoren - 10

6 6.5 Rauschen von Photodioden (1) Rauschbehafteter Detektorstrom auch bei Detektion von rauschfreien Signalen: rauschbehafteter Photostrom Beiträge zum Detektorrauschen: Schrotrauschen thermisches Rauschen Generations-Rekombinations-Rauschen Rauschbeschreibung Effektivwert des Rauschstroms am Photostrom I Neff, I ergibt sich aus Varianz der Verteilungsfunktion des Rauschstroms I Neff, = Neff, Reaktion eines Detektors auf ein rauschfreies, konstantes optisches Eingangssignal: I ( t) = I I i ( t) i ( t { P { D { S { T ) Photostrom rauschfrei er Dunkel strom - Schrotrausch strom - Rauschstro thermischer m 6. Detektoren Rauschen von Photodioden () Schrotrauschen Ursache ist die Statistik der Anzahl der aus eintreffenden Photonen generierten Ladungsträgerpaare Poissonverteiltes weißes Rauschen genähert durch Gaußsches Rauschen I ~ S, eff = qi phδf Popt Δf : äquivalente Rausch-Bandbreite des Empfängers Schrotrauschen ist proportional zur Quadratwurzel der optischen Leistung! Schrotrauschen des Dunkelstroms: ISD, = qidδf 6. Detektoren - 1

7 6.5 Rauschen von Photodioden (3) Thermisches Rauschen (Johnson- / Nyquist-Rauschen) Statistische thermische Bewegung der Ladungsträger überlagert sich dem Photostrom Spektrale Leistungsdichte: kbt ST ( f )= mit Lastwiderstand R L R L Varianz: k T = Δf 4k effektiver Rauschstrom: BT IT, eff = Δf f ( Popt) R 4 B T RL Thermisches Rauschen ist keine Funktion der optischen Leistung! L Δf : äquivalente Rausch-Bandbreite des Empfängers Generations-Rekombinations-Rauschen Statistische Schwankungen der Generations- und Rekombinationsprozesse und damit der mittleren Trägerdichte und Leitfähigkeit besonders wichtig bei Photoleitern in photovoltaischen Elementen meist vernachlässigbar 6. Detektoren Rauschen von Photodioden (4) Signal-Rausch-Verhältnis SNR = I shot thermisch Fälle: Thermisches Rauschen dominiert: RRP L Ph SNR = 4kTFΔf B N Verbesserung des SNR durch Erhöhung der Eingangsleistung bzw. des Lastwiderstandes optischer Vorverstärker bzw. Hochimpedanzverstärker Schrotrauschen dominiert: RP SNR = Ph q Δ f Verbesserung des SNR durch Erhöhung der Eingangsleistung (Verstärkung) bzw. Verringerung der Bandbreite 6. Detektoren - 14

8 6.5 Rauschen von Photodioden (5) Noise Equivalent Power (NEP) optische Leistung zur Erzeugung eines Photostroms, der gleich dem Rauschstrom ist Pqηλ I = ; I = q( I I ) Δf ; I = I hc hc a) Id << Iph NEP = Δ f ηλ ph S ph d ph S hc qid Δf b) Id >> I ph NEP = qηλ Detectivity: D = 1 NEP 6. Detektoren Rauschen von Photodioden (6) Rauschbeiträge aus optischen Verstärkern Verwendung von optischen Verstärkern (z.b. im WDM System) Verstärkung des Signals Erzeugung von ASE-Rauschen Detektion mit Photodiode: Detektion der Intensität Betragsquadratbildung der komplexen Feldamplitude Bildung von Schwebungstermen ( Mischung während der Detektion) I ~ E E1 ( t) = Eˆ 1 cos( ω1t ) Pges ( t) = k E1( t) E( t) E( t) = Eˆ cos( ωt) k ( ( ) ( )) P ( t) = k E t E t = Eˆ t Eˆ t k Eˆ Eˆ t t ges 1 ( ) ( ) 1 1 cos(ω1 ) 1 cos(ω ) 1 cos( ω ω) cos( ω 4 1 ω 43 ) Mischterm Mischterm Entstehung von Anteilen bei der Differenzfrequenz δf der Signale Liegt δf innerhalb der Empfängerbandbreite, tritt das gemischte Signal als zusätzliches Störsignal in Erscheinung. 6. Detektoren - 16

9 6.5 Rauschen von Photodioden (7) Rauschbeiträge aus optischen Verstärkern Rauschbeiträge aufgrund gemischter Frequenzerzeugung und ASE: Signal-spontaneous beat noise Mischung der Signalfrequenz mit benachbarten ASE-erzeugten Frequenzen Spontaneous-spontaneous beat noise R P S δf sig sp = sig sp = RS Δff δ sp, sp sp mit S = ( G 1) hf sp F n Schrotrauschen der ASE-Detektion δf Δf δf Signal- Spontaneous Beat Noise Spontaneous- Spontaoneous Beat Noise s sp= qrs Δfδf sp δf: elektr. Bandbreite des Receivers Δf: optische Bandbreite von Signal und Rauschen 6. Detektoren Rauschen von Photodioden (8) Zusammenfassung N D E Poisson- Verteilung S N S-Sp N Sp-Sp N shot Neq H N (s) H A (s) S N S-Sp N Sp-Sp N D N shot N eq WGN Signal Signal-Spontaneous-Beat-Noise Spontaneous-Spontaneous-Beat-Noise Dunkelstrom (Thermisches Rauschen) Schrotrauschen Äquivalentes Eingangsrauschen des (Transimpedanz-) Verstärkers 6. Detektoren - 18