光学接收器光电二极管介绍

光学通信系统依靠光探测器将光信号转换成电流. 两种主要的光探测器类型是PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD). 本条比较了它们的结构,操作和性能,以帮助选择各种应用的合适的探测器. 了解这些组件对于设计电信,感知,以及外在的高效光学接收器至关重要.

PIN 光电二极管

结构和工作

PIN光电二极管有一个层状结构,由一个重度的p型区域,一个内在(未被)半导体层,和一个重度的n型区域组成。内在层拓宽了耗尽区域,允许高效的光子吸收。当能量大于半导体波段的光子进入这个层时,它们会产生电子孔对。这些载体被应用的反向偏差所冲散,产生一个与事件光学功率成比例的光流。 PIN二极管在低偏压电压下运行,一般在5至20伏之间,并带来统一收益,意味着每个光子产生完全一个电子孔对。这导致最小的超声,使得它们成为高速应用的理想。

密钥属性

  • 高速:由于内在区域的载体中转时间较短,宽宽超过40GHz.
  • 低噪声:无乘法噪声;只有射线和热噪声能促进,使信号对噪声比率高.
  • 低倾斜[:要求最小电压,简化供电设计,降低功耗.
  • 材料 :用于光纤中所用的近红外(900-1100 nm)和近红外(900-1700 nm)的显波长(400-1100 nm)和 ⁇ (InGaAs)的硅,详见 PIN二极管维基百科].

雪崩光电仪

结构和乘法

APD 也具有p-i-n结构,但包含一个高场区域,撞击电离能放大光电流。当光子产生主电子孔对时,载体在电场中加速,获得足够能量,以电离其他原子。这会产生二次对子,导致雪崩的倍增效应。增益因子通常在10到1000之间,取决于应用偏差电压和装置设计。APD 需要更高的偏差电压,往往超过100伏,且增益是温度敏感,需要补偿电路。这种内增益可以提高敏感性,但引入来自分泌增益过程的过多噪音。

噪音和收益交易

超常噪声因子,其特点是k值(电子和孔的离子化系数的比例),决定了噪声性能. 下K值导致噪声较少,InAlAs和SiGe等材料被优化以达到这个目的. 尽管有噪声,APD可以检测到PIN光极中噪音无法区分的弱光学信号,使其对于长波和光子饥饿系统不可或缺. 进一步阅读,参考valanche光极维基百科.

比较分析:PIN对APD

敏感性和反应性

反应力测量单位事件光学功率。对于 PIN 二极管,负力受量子效率的限制,一般是1550 nm的InGaAs的0.5至1.0 A/W。APD 有效负力乘以增益因子,可能超过100 A/W。 最小可探测光学功率的敏感度,对于APD来说,大约是10 dB。例如,一个10 Gbps APD 接收器可以达到-28 dBm的敏感性,而对于PIN 接收器来说,则比 -18 dBm 的敏感度。对于有紧链预算的系统来说,这种差异至关重要,正如 RP光学接收器上的光子百科 所讨论的那样。

带宽和速度

PIN光电二极管一般提供更高的带宽,因为载体的中转时间短,没有乘法延迟. 商用PIN设备超过40GHz,支持数据速率高达100Gbps及以上. APD由于乘法需要时间,带法路径较长,因此带宽较低,一般为1至10GHz,尽管高级设计可以达到20GHz. 对于40Gbps以上的高速应用,通常偏好PIN光电二极管.

噪声性能

PIN 二极管由于缺少倍增噪声,总噪声较低. 占优势的噪声源包括来自光流的射噪声和来自负载阻力器的热噪声. APD噪声随信号而放大,多余的噪声因子会增加整体噪声. 信号对噪声比(SNR)可以通过选择适当的增益和偏差电压来优化. 对于高速系统,低噪声转动放大器(TIAs)有助于减轻APD噪声.

偏振电压和复杂度

PIN二极管在低偏差(5-20 V)下运行,可忽略不计的功耗,简化了供电设计. APD需要高偏差(50-200 V),并且往往需要温度补偿来稳定增益,增加复杂性和成本. 具有内置调节器的集成模块是可用的,但会增加整体系统大小和动力散失. 对于电池动力或紧凑设备,PIN光电机是有利的.

光学通信系统应用

与 PIN 光电仪的高端数据链接

PIN光二极管是具有宽大的链接预算的中短距离连接的标准选择,它们被用于10 Gigabit Ethernet (10GBASE-SR/LR/ER),40 Gbps,以及100 Gbps系统,它们使用平行光学或波长分多路(WDM). 在地铁和接入网络中,带有TIA的PIN接收器提供了成本效益高的解决方案,它们的线性化和低扭曲性也使它们适合模拟光学链接,如无线电传动系统. 此外,PIN二极管服务于数据中心的高速光学互联.

与APD的长距离和高敏感性系统

APD在长波通信系统,包括海底电缆和核心网络中表现突出,光学功率严重减弱,它们也被用于自由空间光学通信(FSOC)和LIDAR(光探测和测距)系统,以探测弱反射。在光学时间域反射计(OTDRs)中,APD可以使光子计在长纤维间进行反散信号检测。光子计数APD在Geiger模式中带有偏差,它们被用于量子键分布(QKD)和单光子成像。APD的高敏感性允许更长的无重复传输距离。

光学接收器设计的选择标准

设计光学接收器时,工程师会评估数据速率、连接预算、噪声耐受度和成本。对于具有足够电位的高速连接,PIN光电极提供简单和低成本。对于低速、高灵敏的应用,APD提供了必要的收益。前进错误校正(FEC)可以放松敏感度要求,有可能有利于PIN解决方案。在被动光学网络(PON)的爆模接收器中,APD可以容纳巨大的动态范围。800 Gbps Ethernet等新兴标准可以使用高级数字信号处理(DSP)的PIN接收器。 选择必须平衡性能、复杂性和预算。

光探测器技术的未来方向

研究继续改善PIN和APD的性能. 对于PIN二极管,努力的重点是利用石墨等材料增加带宽,减少暗流. 在APD中,目标包括降低超高噪音,同时通过SiGe, InAlAs, III-V等材料保持高收益. 分离吸收,分级,充电和乘法(SAGCM)结构可以提高性能. 单光子瓦朗切二极管(SPAD)正在推进量子通信和飞行时段成像. 将光探测器与CMOS电子在硅光子平台上的电源结合到紧凑,数据中心的低成本收发器.

结论

PIN光电二极管和雪崩光电二极管是光学接收器中的基本组件,每个光电二极管都提供了独特的优势. PIN光电二极管为高数据速率,短距离应用提供了高速,低噪音,简便的功能. APD以高噪音和复杂度为代价为长途和光子饥饿系统提供优越的灵敏度,选择取决于数据速率,连线预算和成本等具体要求,随着技术的发展,这两种类型都继续推压光学通信能力的界限.