13.2 для германия и кремния. Этот эффект приводит к увеличению шум-фактора при работе с очень тонкой лавинной областью, поскольку в таком случае для получения заданного коэффициента умножения необходимо увеличивать среднюю напряженность поля. Эффект иллюстрируется рис. 13.11.

ЗАДАЧИ

13.1. Вывести формулу (13.1.12).

13;2. Показать, что - a,,w) и M/i1/(1 - a,ii«j), если a/i

и ttp не зависят от местоположения и а/а,, -»- 1.

13.3. Используя рис. 13.2, построить график изменения k =~ аца,,, с напряженностью электрического поля для показанных полупроводниковых материалов. Для каждого из них указать тип рюсителей, вызывающих лавину.

13.4. Лавинный фотодиод, подобный показанному ма рис. 13.4, а, изготовлен со следующими концентрациями примесей: в п + - и р--областях - 10* м-, в р-слое - 4-10м-. в энитаксиальном л-слое -- 10" м-. Толщина р-слоя 2 мкм, л-слоя - 20 мкм. Диаметр полностью обедненной л-области ограничен канальным ограничителем диффузии и состав.1яет 200 мкм. Время рекомбинации в активной области 10 мкс. Предполагая, что легирование однородно, а переходы сделар!ы резкими, мрир1ять е 12.

а) Построить график изменения электрнческого поля но сечению прибора, указав Fia каждом участке значение d£/dA:.

б) Рассчитать необходимое для обеднершя всего л-слоя напряжение и соответствующее этому состоянию макси.мальное значение электрического поля.

в) Вычислить напряжение смещения и электрическое поле в р+р и рл-переходах при максимальном поле 30 кВ/мм.

г) Обсудить ожидаемые изменения темрювого тока при отрицательном напряжении смещения и объяснить характерные особенности рис. 13.4, б.

д) Используя формулы (13.3.2) и (13.3.3), рассчитать переходное время и полосу частот при М= 100. Предполагать, что достигается насыщение дрейфовых скоростей (§ 13.3), и считать, что W]i - 1 мкм, k - 0,1.

13.5. По аналогии с приведенным выводом выражения (13.4.2) для коэффициента шума при электронном умножении вывести выражение (13.4.3) ,аля коэффициента шума при дырочном умножении.

13.6. Показать, что при Мр 3> 1 зависимость (13.4.2) аппроксимируется фор-.мулой f,, 2(1 - k) kM, и получить соответствующее выражение для при Mfi :> 1, используя равенство (13.4.3).

13.7. Из приведер!ных на рис. 13.11 данных видно, что при М 100 для одного диода f = 6, а для другого F ~~ 10. Предполагая, что в каждом из этих случаев лавина инициируется электронами, рассчитать соответствующее значение к. Сравнить результаты, получающиеся из уравнения (13.4.2), с результатами, которые получаются при использовании полученного в задаче 13.6 приближенного выражения. Для каждого случая, используя рис. 13.2 оценить максимальное поле в области лавины.

РЕЗЮМЕ

Первичный фототок в электрических полях в несколько десятков мегавольт на метр умножается в процессе лавинной ионизации электронами и дырками. Коэффициент умножения М ограничивается обра--зованием микроплазмы. Теоретическая зависимость коэффициента шума от М приведена в § 13.4. На практике может использоваться аппроксимация вида F = М".

в лавине выгоднее использовать инициирующие носители с высоким коэффициентом ионизации. При этом получается самое высокое усиление, самая хорошая частотная характеристика и самый низкий коэффициент шума.

В кремниевых лавинных фотодиодах, особенно при низких полях,

Таким образом, в п+-р-л-р+-диодах со сквозным воздействием, показанных на рис. 13.3 и 13.4, умножается электронный ток. Коэффициент шума может быть снижен до Л!"- {F 4 при М 100), но при использовании более высоких электрических полей могут быть достигнуты лучшие квантовая эффективность (которая может приближаться к 100 %) и полоса частот (которая может доходить до 1 ГГц), а также простота изготовления. При этом коэффициент шума может возрасти до 6-10 при М 100 {х - 0,4 -0,5).

В германии электронный и дырочный коэффициенты ионизации одного порядка {к « 1). В этом случае из теории следует F « М, что наблюдается и па практике. Германиевые лавинные фотодиоды могут иметь т) > 80 % и полосу в несколько гигагерц, по для них характерны высокие значения темнового тока.

Коэффициент умножения в Л" fi полупроводниковых гетерост-руктурах в настоящее вре.мя ограничивается токами утечки и возникновением микроплазмы.

14. УСИЛИТЕЛЬ ПРИЕМНИКА ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 14.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Ранее (см. гл. 2-13) были рассмотрены оптические компоненты волоконно-оптических систем связи. Теперь необходимо проанализировать электронные аспекты процесса восстановления электрического сигнала в оптическом приемнике.

Обобщенная структурная схема оптического приемника приведена на рис. 14.1. Как видно из нее, фотодиод преобразует принимаемый оптический сигнал в атектрический ток, пропорциональный мощности оптического сигнала. Следующий за фотодиодом усилитель усиливает полученный токовый сигнал и преобразует его в напряжение. Как и в любой системе связи, отношение сигнал-шум на выходе оптической системы и ее характеристики определяются тем звеном оптического приемника, где принятый сигнал имеет наименьший уровень. Следовательно, характеристики этого звена являются основными при проектировании всей системы связи. В § 14.2 будут рассмотрены различные источники шума в приемнике оптических сигналов. В последующих параграфах определяется зависимость отношения сигнал-шум от уровня принимаемого сигнала для различных схе.м усилителей. И, наконец, в заключительных главах будет найдено минимальное значение отношения сигнал-шум, необходимое для нормальной работы системы связи при использовании различных видов модуляции.

Оптическая мошкоеть

Сигнал

Рис. 14.1. Структурная схема оптического приемника

Известно, что вид модуляции определяет структуру демодулятора. В волоконно-оптических системах связи имеют дело с двумя видами аналоговой и одним видом цифровой модуляции, причем последний, без сомнения, является самым важным. В каждом из рассматриваемых видов модуляции модулируется мощность оптического несущего колебания. Для открытых оптических систем связи (см. гл. 16) имеется более широкий выбор видов модуляции. Что касается волоконно-оптических систем связи, то для них рассмотрены:

а) прямая модуляция уровня мощности оптического несущего колебания модулирующим сигналом;

б) модуляция мощности оптической несущей частоты частотно-модулированным сигналом на поднесущей радиочастоте;

в) импульсно-кодовая модуляция мощности оптической несущей частоты.

Прямая модуляция является простейшим видом модуляции и часто может быть весьма эффективной. Основная трудность при ее реализации связана с необходимостью обеспечения весьма высокой степени линейности модуляционной характеристики при использовании в качестве источников излучения лазеров и светодиодов. Второй способ модуляции свободен от этого недостатка и позволяет использовать эти источники излучения без специальных мер линеаризации их модуляционных характеристик. Он применяется, например, в кабельном телевидении, где весьма существенно обеспечить малый уровень нелинейных и перекрестных искажений. При этом возможно использование стандарта частотной модуляции, который обычно применяется в электрических кабельных системах телевидения. Подробнее этот вопрос будет рассмотрен в гл. 17. И, наконец, третий, цифровой способ модуляции господствует в волоконно-оптических линиях связи, используемых в обычной телефонной сети, главным образом, на участках с высокой информационной пропускной способностью, а также во всех линиях передачи данных.

14.2. ИСТОЧНИКИ ШУМА В ОПТИЧЕСКОМ ПРИЕМНИКЕ

При рассмотрении шумов следует очень внимательно относиться к тому, что понимается под этим термином. Шум обусловлен теми случайными флуктуациями тока, которые возникают в любой электронной схеме или ее элементе в силу самой природы электричества и над которыми разработчик схемы не имеет никакого контроля. Эти флук-