APD-Verstärkung auf 100 eingestellt: Rauschen verstärkt 30 ×, Signal nur 10 ×

Verstärken Sie das Signal-oder verstärken Sie das Geräusch?

Wenn Sie die Verstärkung einer Lawinen photodiode (APD) von 10 auf 100 erhöhen, erhöht sich das Signal tatsächlich um ungefähr 10 ×. Unter typischen Bedingungen kann das Rauschen jedoch um ungefähr 30 × zunehmen.

In einer typischen Berechnung, die auf dem McIntyre-Modell basiert, kann eine Erhöhung der APD-Verstärkung auf ihr Maximum dazu führen, dass der SNR von ungefähr 18 dB auf 8 dB abnimmt.

Verstärken Sie das Signal tatsächlich-oder verstärken Sie das Rauschen?

Das Schlüssel konzept ist dasÜbers chüssiger Lärm faktorEiner APD. Es kann ungefähr beschrieben werden als:

F(M)∝Mˣ

woMIst der Lawinen gewinn undxIst der Exponent für übers chüssiges Rauschen. Für typische InGaAs-APDs,xIst ungefähr 0, 7-1, 0.

Dies bedeutet, dass mit zunehmender Verstärkung jede zusätzliche Verstärkung eine unverhältnis mäßig größere Geräusch menge verursachen kann. Infolge dessen gibt es eineOptimaler Gewinn, MoptUnd dieses Optimum ist oft viel niedriger als der maximal verfügbare Gewinn.

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1. APD-Gewinn ist nicht "frei"

Eine APD erzielt einen internen optischen Gewinn durchAufprall ionisation.

Vereinfacht eine APD mit einem Multi pli kation faktorMProduziert durchschnitt lichMTräger von einem photo generierten Träger. Auf den ersten Blick scheint dies darauf hinzu deuten, dass sowohl das Signal als auch das Rauschen einfach mit multi pli ziert werden solltenMUnd lässt den SNR unverändert.

In Wirklichkeit ist der Lawinen multi pli kation prozess jedoch statistisch.

Unterschied liche Träger haben unterschied liche Wahrscheinlichkeiten, zusätzliche Ionisation ereignisse auszulösen. Diese Zufälligkeit führt zu Schwankungen des Lawinen gewinns, was zu zusätzlichem Lärm führt.

Dieses Phänomen wird von der beschriebenÜbers chüssiger Lärm faktor, F(M):

F(M) = kM (1 − k)(2 − 1/M)

Wo:

• kIst das Ionisation koeffizient verhältnis, definiert als die Elektronen ionisation srate geteilt durch die Loch ionisation srate

• MIst der APD-Multi pli kation gewinn

In den Grenzfällen:

• WennK → 0, Entsprechend ungefähr der Single-Carrier-Lawinen multi pli kation,F(M) → 2 − 1/M

• WennK → 1Entsprechend der Multi pli kation, an der beide Träger beteiligt sind,F(M) → M

Für eine vereinfachte technische Analyse ist eine empirische Form, die üblicher weise für das McIntyre-Modell verwendet wird:

F(M) = Mˣ

woxIst der Exponent für übers chüssiges Rauschen. Die ursprüngliche Quelle gibt typische Werte von ungefähr:

• APD ist: x ≈ 0.3–0.5

• InGaAs APD: x ≈ 0.7–1.0

Der Unterschied ist signifikant.

Zum Beispiel, wennM = 100:

Für eine Si APD mitx = 0.4:

F ≤ 100 ⁰ · ≤ ≤ 6.3

Für eine InGaAs-APD mitx = 0.85:

F ≤ 100 ⁰ · ⁸≤ 50.1

Daher kann unter diesem vereinfachten Modell die gleiche Nenn verstärkung von 100 zu einem dramatisch unterschied lichen Überrausch verhalten führen, abhängig vom APD-Material und den Multi pli kation eigenschaften.

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2. SNR vs. Gewinn: Es steigt zuerst, dann fällt

Das Gesamt rauschen in einem APD-Empfänger umfasst typischer weise:

• Schuss geräuschMit dem Photos trom und dem dunklen Strom verbunden

• Thermisches GeräuschMit dem Trans impedanz verstärker und der Last verbunden

Die Quelle gibt den folgenden Ausdruck für den Empfänger SNR:

SNR = (Iph · M)² / [2q(Iph Id)F(M) M2. B 4kTB/RL]

Wo:

• IphIst der Photos trom

• IdIst die dunkle Strömung

• BIst die Bandbreite

• RLIst der Last widerstand

• qIst die elementare Ladung

• kIst die Boltzmann-Konstante

• TIst die absolute Temperatur

Der wichtige Punkt ist, dass der Effekt der Erhöhung der Verstärkung davon abhängt, welche Geräusch quelle dominiert.

Wenn thermischer Lärm dominiert

Wann:

4kTB/RL >> Schuss-Lärm-Begriff

Eine Erhöhung der APD-Verstärkung kann das Signal ausreichend verstärken, um das thermische Rauschen des Empfängers zu überwinden.

In dieser operativen Region steigtMKann den SNR verbessern. Hier bietet der APD-Gewinn einen klaren Vorteil.

Wenn Schuss geräusch dominiert

Wenn der APD-Gewinn höher wird, kann das System in ein Regime eintreten, in dem Schuss geräusche dominant werden.

Der Zähler des SNR-Ausdrucks nimmt ungefähr wie folgt zu:

Quadratmeter

Während der mit der Lawinen multi pli kation verbundene Lärm beitrag ungefähr wie folgt zunimmt:

F(M) · M²∝M²⁺ ˣ

Da der Nenner schneller wächst als der Zähler, beginnt der SNR schließlich zu sinken.

Das ist der physische Grund, warumEin höherer APD-Gewinn führt nicht unbedingt zu einem besseren SNR.

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3. Ein Beispiel: InGaAs APD mit x = 0,85

Betrachten Sie eine InGaAs-APD mit:

X = 0,85

Die Quelle liefert den folgenden vereinfachten Vergleich:

Gewinn M	F(M) = Mˣ	Signal leistung∝M²	Lärm leistung∝F· M.²
1	1	1	1
10	7.1	100	710
20	12.6	400	5,040
50	28.5	2,500	71,250
100	50.1	10,000	501,000

Der wichtige Trend ist klar.

VonM = 10 bis M = 100:

• Signal leistung steigt um100×

• Die Geräusch leistung steigt um ca.705×

Eine Erhöhung der Verstärkung um einen weiteren Faktor von 10 führt daher nicht zu einer entsprechenden Verbesserung des SNR. Stattdessen verschl echtert sich der SNR deutlich.

Die praktische Lektion ist einfach:

Die maximale APD-Verstärkung ist nicht unbedingt die optimale APD-Verstärkung.

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4. Ableitung des optimalen Gains Mopt

Die optimale APD-Verstärkung kann erhalten werden, indem das SNR in Bezug auf die Multi pli kation verstärkung unterschieden und die Ableitung auf Null gesetzt wird:

D (SNR)/dM = 0

Die Quelle gibt den folgenden ungefähren Ausdruck an:

Mopt ≤ [4kTB / (x · q · RIph · RL)]1/(2 x)

Wo:

• xIst der Exzess-Noise-Exponent

• IphIst der Photos trom

Diese Gleichung zeigt zwei wichtige Beziehungen:

1. Höhere Photos trom → niedrigere optimale Verstärkung

2. Höherer Überschuss-Rausch-Exponent x → niedriger optimaler Gewinn

Mit anderen Worten, die optimale Verstärkung hängt nicht nur von der APD selbst ab, sondern auch von der optischen Leistung und den Betriebs bedingungen des Empfängers.

Beispiel: InGaAs APD

Für eine InGaAs-APD mit:

• x      = 0.85

• Empfangene optische Leistung ≤ − 20 dBm

• Iph≤ 10 μA

• Bandbreite = 1 GHz

• RL= 50 Ω

Die Quellen schätzungen:

Mopt ≤ 15-25

Für eine Si-APD unter den gleichen angenommenen Bedingungen:

Mopt ≤ 50-100

Dies erklärt, warum Si-APDs unter vergleichbaren Bedingungen häufig mit signifikant höheren Multi pli kation gewinnen arbeiten können als InGaAs-APDs.

Wichtig ist,Mopt ist kein fester Wert.

Wenn die empfangene optische Leistung zunimmt, nimmt die optimale Verstärkung ab.

Dies ist etwas nicht intuitiv:Stärkere optische Signale können eine geringere APD-Verstärkung erfordern.

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5. Warum ist InGaAs APD Lärm höher als Si APD Lärm?

Der grundlegende Grund hängt mit dem zusammenIonisation koeffizient verhältnis, k.

Die Quelle vergleicht mehrere APD-Materialien wie folgt:

Material	Typischer Wellenlängen bereich	K = a/b	x	Typischer Mopt-Bereich
Ja	400-1000 nm	0.02–0.05	0.3–0.5	50–200
Ge	1000-1600 nm	0.5–0.8	0.8–1.0	5–10
InGaAs	1000-1700 nm	0.3–0.5	0.7–1.0	10–30
InAlAs (SAM)	1000-1700 nm	0.1–0.3	0.5–0.7	20–50

Laut der Quelle hat Si einen sehr niedrigenkWert, ungefähr 0, 02-0, 05. Dies bedeutet, dass die Lawinen multi pli kation weitgehend von einem Träger typ dominiert wird, was zu relativ geringen statistischen Schwankungen und geringerem Lärm überschuss führt.

InGaAs hat eine höherekWert, ca. 0, 3-0, 5. Sowohl Elektronen als auch Löcher sind stärker am Lawinen prozess beteiligt, was zu größeren Verstärkungs schwankungen und höherem Übermaß führt.

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6. InAlas SAM: Ein geräuscharmer Ansatz für InGaAs-APDs

Für optische Kommunikation anwendungen, die um 1310 und 1550 nm arbeiten, bietet InGaAs die erforderliche optische Empfindlichkeit.

Seine Lawinen multi pli kation eigenschaften führen jedoch zu zusätzlichem Lärm.

Ein Ansatz ist derSeparate Absorption und Multi pli kation von InAlAs (SAM)Struktur.

In dieser Architektur:

• DerInGaAs-Absorptions regionLiefert Empfindlichkeit in den Kommunikation bändern 1310/1550 nm.

• DerInAlAs-Multi pli kation regionBietet geringe Lawinen geräusch charaktertik.

Die Quelle ident ifi ziert InAlAs SAM als eine fortschritt liche InGaAs-APD-Architektur, die darauf abzielt, die optische Empfindlichkeit von InGaAs mit den Multi pli kation eigenschaften mit geringerem Rauschen zu kombinieren.

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7. Engineering-Richtlinien: Maximaler Gewinn ist nicht das Ziel

Die obige Analyse führt zu mehreren praktischen Gestaltungs richtlinien.

7.1 Betreiben Sie eine InGaAs-APD nicht automatisch über einem Gewinn von 30

Für InGaAs APDs mit:

X ≤ 0, 7-1, 0

Die Quelle zeigt an, dass der optimale Gewinn typischer weise ungefähr ist:

Mopt ≤ 10-30

Sobald die Verstärkung den optimalen Punkt übers ch reitet, können weitere Erhöhungen einen signifikanten SNR-Abbau verursachen.

Der genaue optimale Wert hängt jedoch von dem Gerät und den Betriebs bedingungen ab.

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7.2 Eine stärkere optische Leistung erfordert eine geringere Verstärkung

Die Quelle gibt die Beziehung an:

Mopt∝Iph− 1/(2 x)

Mit zunehmender optischer Leistung wird das Schuss rauschen immer wichtiger. Daher sollte der APD-Gewinn eher reduziert als erhöht werden.

Dies ist ein Grund, warumAutomatische Verstärkungs steuerung (AGC)Kann dem Betrieb einer APD mit einer festen maximalen Verstärkung vorzuziehen sein.

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7.3 Sehen Sie sich den Exzess-Noise-Exponenten x an-nicht nur Mmax

Zwei APDs können beide eine maximale Verstärkung von 100 angeben, haben jedoch eine sehr unterschied liche Rausch leistung.

Laut der Quelle ein Gerät mit:

X = 0,5

Kann ungefähr zur Verfügung stellen3-5 dB besser SNRAls ein Gerät mit:

X = 0,85

Bei einem Gewinn von etwa 20.

Daher wird bei der Auswahl einer APD dieÜbers chüssige Geräusche igen schaftenKann informativer sein, als nur den im Datenblatt aufgeführten maximalen Gewinn zu betrachten.

Die maximale Verstärkung ist typischer weise mit dem Betrieb in der Nähe des Durchbruchs pannungs bereichs verbunden. es sollte nicht automatisch als optimaler Betriebs punkt interpret iert werden.

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7.4 Temperatur kompensation ist wichtig

Die APD-Multi pli kation verstärkung ist ebenfalls temperatur abhängig.

Für eine InGaAs-APD gibt die Quelle einen typischen Durchbruchs pannungs temperatur koeffizienten von ungefähr:

0,1 V/°C

Mit zunehmender Temperatur kann die Multi pli kation verstärkung unter derselben angelegten Vorspannung abnehmen.

Ohne angemessene Temperatur kompensation kann die APD-Verstärkung daher mit der Temperatur driften, was zu einer instabilen SNR-Leistung führt.

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7.5 Betrachten Sie einen PIN-TIA-Empfänger

Eine APD ist nicht immer die beste Lösung.

Wenn thermisches Rauschen nicht die dominierende Einschränkung ist-beispiels weise wenn das empfangene optische Signal relativ stark ist-aPIN-Fotodiode kombiniert mit einem rausch armen Trans impedanz verstärker (TIA)Kann eine bessere Gesamt leistung bieten.

Im Vergleich zu einer APD führt eine PIN-TIA-Architektur kein Lawinen überschuss geräusch ein und bietet eine gute Linearität und einen breiten Dynamik bereich.

Die geeignete Empfänger architektur hängt daher von der tatsächlichen optischen Leistung, Bandbreite, dem Rausch budget und den Anforderungen an den Dynamik bereich ab.

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8. Schluss folgerung

Die APD-Verstärkung ist nicht einfach ein Parameter, der maximiert werden sollte.

Es gibt einen optimalen Betriebs punkt, und eine Erhöhung der Verstärkung über diesen Punkt hinaus kann den SNR des Empfängers tatsächlich verringern.

Für die in der Quelle diskutierten vereinfachten Fälle:

• InGaAs APD:Mopt kann ungefähr 10-30 sein

• APD ist:Mopt kann ungefähr 50-100 sein

Das genaue Optimum hängt vom Exponenten für übers chüssiges Rauschen, der empfangenen optischen Leistung, der Bandbreite, der Temperatur und den Empfänger parametern ab.

Das wichtigste Engineering-Prinzip ist daher:

Wählen Sie nicht den höchst möglichen APD-Gewinn. Wählen Sie den Gewinn, der unter den tatsächlichen Betriebs bedingungen das beste SNR bietet.

Wenn Sie eine APD auswählen, schauen Sie darüber hinausMmax. Die Überrausch eigenschaften, die optische Eingangs leistung, die Temperatur abhängigkeit, die Bandbreite und die Empfänger architektur müssen berücksicht igt werden.

Gain ist ein Verstärker-keine magische Lösung. Richtig verwendet, verbessert es die Messung. Falsch verwendet, verstärkt es das Problem.