Gain APD réglé à 100: bruit amplifié 30 ×, signal seulement 10 ×

Amplifiez-vous le signal ou amplifiez-vous le bruit?

L'augmentation du gain d'une photodiode à avalanche (APD) de 10 à 100 augmente en effet le signal d'environ 10X. Cependant, dans des conditions typiques, le bruit peut augmenter d'environ 30 fois.

Dans un calcul typique basé sur le modèle de McIntyre, l'augmentation du gain APD à son maximum peut faire diminuer le SNR d'environ 18 dB à 8 dB.

Alors, amplifiez-vous réellement le signal-ou amplifiez-vous le bruit?

Le concept clé est leFacteur de bruit excessifD'un APD. Il peut être approximativement décrit comme:

F(M)∝Mˣ

oùMEst le gain d'avalanche etxEst l'exposant de bruit en excès. Pour les APDs InGaAs typiques,xEst d'environ 0, 7-1, 0.

Cela signifie que lorsque le gain augmente, chaque incrément supplémentaire de gain peut introduire une quantité de bruit disproportionnée. En conséquence, il y a unGain optimal, MoptEt cet optimum est souvent bien inférieur au gain maximum disponible.

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1. Le gain APD n'est pas "gratuit"

Un APD réalise le gain optique interne parIonisation d'impact.

En termes simplifiés, un APD avec un facteur de multiplicationMProduit une moyenne deMPorteurs d'un porteur photogénéré. À première vue, cela semble suggérer que le signal et le bruit devraient simplement être multipliés parMLaissant le SNR inchangé.

En réalité, cependant, le processus de multiplication des avalanches est statistique.

Différents transporteurs ont différentes probabilités de déclencher des événements d'ionisation supplémentaires. Ce caractère aléatoire produit des fluctuations dans le gain d'avalanche, ce qui entraîne un bruit supplémentaire.

Ce phénomène est décrit par leFacteur de bruit excessif, F(M):

F(M) = kM (1 − k)(2 − 1/M)

Où:

• kEst le rapport du coefficient d'ionisation, défini comme le taux d'ionisation des électrons divisé par le taux d'ionisation des trous

• MEst le gain de multiplication APD

Dans les cas limitatifs:

• QuandK → 0, Correspondant approximativement à la multiplication d'avalanche à un seul porteur,F(M) → 2 − 1/M

• QuandK → 1Correspondant à une multiplication impliquant les deux porteuses,F(M) → M

Pour une analyse d'ingénierie simplifiée, une forme empirique couramment utilisée avec le modèle McIntyre est:

F(M) = Mˣ

oùxEst l'exposant de bruit en excès. La source originale donne des valeurs typiques d'environ:

• APD est: x ≈ 0.3–0.5

• InGaAs APD: x ≈ 0.7–1.0

La différence est significative.

Par exemple, lorsqueM = 100:

Pour un Si APD avecx = 0.4:

F ≈ 100 ⁰ · ⁴ ≈ 6.3

Pour un APD InGaAs avecx = 0.85:

F ≈ 100 ⁰ · ⁸- ≈ 50.1

Ainsi, dans ce modèle simplifié, le même gain nominal de 100 peut entraîner un comportement de bruit excessif radicalement différent en fonction du matériau APD et des caractéristiques de multiplication.

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2. SNR vs Gain: Il se lève d'abord, puis tombe

Le bruit total dans un récepteur APD comprend généralement:

• Bruit de tirAssocié au photocourant et au courant d'obscurité

• Bruit thermiqueAssocié à l'amplificateur transimpédance et à la charge

La source donne l'expression suivante pour le récepteur SNR:

SNR = (Iph · M)² / [2q(Iph − Id)F(M)M²B + 4kTB/RL]

Où:

• IphEst le photocourant

• IdEst le courant sombre

• BEst la bande passante

• RLEst la résistance de charge

• qEst la charge élémentaire

• kEst la constante de Boltzmann

• TEst la température absolue

Le point important est que l'effet de l'augmentation du gain dépend de la source de bruit qui domine.

Quand le bruit thermique domine

Quand:

4kTB/RL >> tir-terme de bruit

L'augmentation du gain APD peut amplifier suffisamment le signal pour surmonter le bruit thermique du récepteur.

Dans cette région d'exploitation, l'augmentationMPeut améliorer le SNR. C'est là que le gain de l'APD offre un avantage clair.

Lorsque le bruit de tir domine

Lorsque le gain APD devient plus élevé, le système peut entrer dans un régime où le bruit de tir devient dominant.

Le numérateur de l'expression SNR augmente approximativement comme:

M²

Tandis que la contribution sonore associée à la multiplication des avalanches augmente approximativement comme:

F(M) · M²∝M²⁺ ˣ

Parce que le dénominateur croît plus vite que le numérateur, le SNR commence finalement à diminuer.

C'est la raison physique pour laquelleUn gain APD plus élevé ne produit pas nécessairement un meilleur SNR.

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3. Un exemple: InGaAs APD avec x = 0,85

Considérez un InGaAs APD avec:

X = 0,85

La source fournit la comparaison simplifiée suivante:

Gain M	F(M) = Mˣ	Puissance du signal∝M²	Puissance de bruit∝F· M²
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

La tendance importante est claire.

DeM = 10 à M = 100:

• La puissance du signal augmente de100×

• La puissance de bruit augmente d'environ705×

Par conséquent, l'augmentation du gain par un autre facteur de 10 ne fournit pas une amélioration correspondante du SNR. Au lieu de cela, le SNR se détériore de manière significative.

La leçon pratique est simple:

Le gain APD maximal n'est pas nécessairement le gain APD optimal.

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4. Dérivant le gain optimal Mopt

Le gain APD optimal peut être obtenu en différenciant le SNR par rapport au gain de multiplication et en mettant la dérivée à zéro:

D (SNR)/dM = 0

La source donne l'expression approximative suivante:

Mopt ≈ [4kTB / (x · q · Iph · RL)]^(1/(2 x))

Où:

• xEst l'exposant d'excès de bruit

• IphEst le photocourant

Cette équation révèle deux relations importantes:

1. Photocourant supérieur → gain optimal inférieur

2. Exposant d'excès de bruit supérieur x → gain optimal inférieur

En d'autres termes, le gain optimal dépend non seulement de l'APD lui-même, mais également de la puissance optique et des conditions de fonctionnement du récepteur.

Exemple: InGaAs APD

Pour un InGaAs APD avec:

• x      = 0.85

• Puissance optique reçue ≈ − 20 dBm

• Iph≈ 10 μA

• Bande passante = 1 GHz

• RL= 50 Ω

Les estimations de la source:

Mopt ≈ 15-25

Pour un Si APD dans les mêmes conditions supposées:

Mopt ≈ 50-100

Cela aide à expliquer pourquoi les APDs Si peuvent souvent fonctionner à des gains de multiplication significativement plus élevés que les APDs InGaAs dans des conditions comparables.

Important,Mopt n'est pas une valeur fixe.

Lorsque la puissance optique reçue augmente, le gain optimal diminue.

C'est un peu contre-intuitif:Des signaux optiques plus forts peuvent nécessiter un gain APD plus faible.

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5. Pourquoi le bruit InGaAs APD est-il supérieur au bruit Si APD?

La raison fondamentale est liée à laCoefficient d'ionisation, k.

La source compare plusieurs matériaux APD comme suit:

Matériau	Gamme de longueurs d'onde typique	K = α/β	x	Gamme typique de Mopt
Oui	400-1000 nm	0.02–0.05	0.3–0.5	50–200
Gé	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
Inhalations (SAM)	1000-1700 nm	0.1–0.3	0.5–0.7	20–50

Selon la source, le Si a une très faiblekValeur, environ 0.02-0.05. Cela signifie que la multiplication des avalanches est largement dominée par un type de transporteur, ce qui entraîne des fluctuations statistiques relativement faibles et un bruit excessif plus faible.

InGaAs a un plus hautkValeur, environ 0.3-0.5. Les électrons et les trous participent de manière plus significative au processus d'avalanche, ce qui entraîne de plus grandes fluctuations de gain et un excès de bruit plus élevé.

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6. InAlAs SAM: Une approche à faible bruit pour InGaAs APDs

Pour les applications de communication optique fonctionnant autour de 1310 et 1550 nm, InGaAs fournit la sensibilité optique requise.

Cependant, ses caractéristiques de multiplication d'avalanche introduisent un bruit supplémentaire.

Une approche est laInAlAs Absorption et multiplication séparées (SAM)Structure.

Dans cette architecture:

• LeRégion d'absorption d'InGaAsFournit la sensibilité dans les bandes 1310/1550 nanomètre de communication.

• LeRégion de multiplication InAlAsprovides lower avalanche noise characteristics.

La source identifie InAlAs SAM comme une architecture avancée InGaAs APD qui vise à combiner la sensibilité optique d'InGaAs avec les caractéristiques de multiplication à faible bruit d'InAlAs.

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7. Directives d'ingénierie: le gain maximal n'est pas l'objectif

L'analyse ci-dessus conduit à plusieurs lignes directrices de conception pratiques.

7.1 Ne pas utiliser automatiquement un InGaAs APD supérieur à un gain de 30

Pour InGaAs APDs avec:

X ≈ 0, 7-1, 0

La source indique que le gain optimal est typiquement autour de:

Mopt ≈ 10-30

Une fois que le gain dépasse le point optimal, d'autres augmentations peuvent provoquer une dégradation significative du SNR.

La valeur optimale exacte dépend toutefois de l'appareil et des conditions de fonctionnement.

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7.2 Une puissance optique plus forte nécessite un gain plus faible

La source donne la relation:

Mopt∝Iph-1/(2 x)

Au fur et à mesure que la puissance optique reçue augmente, le bruit de tir devient de plus en plus important. Par conséquent, le gain APD devrait être réduit plutôt qu'augmenté.

C'est une des raisons pour lesquellesContrôle de gain automatique (AGC)Peut être préférable au fonctionnement d'un APD à un gain maximum fixe.

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7.3 Regardez l'exposant de bruit excessif x-pas seulement Mmax

Deux APDs peuvent tous deux spécifier un gain maximum de 100 mais ont des performances de bruit très différentes.

Selon la source, un appareil avec:

X = 0,5

Peut fournir environ3-5 dB mieux SNRQu'un appareil avec:

X = 0,85

Un gain d'environ 20.

Par conséquent, lors de la sélection d'un APD, leCaractéristiques de l'excès de bruitPeut être plus informatif que simplement regarder le gain maximum indiqué dans la fiche technique.

Le gain maximal est typiquement associé à un fonctionnement à proximité de la région de tension de claquage; il ne doit pas être automatiquement interprété comme le point de fonctionnement optimal.

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7.4 Questions de compensation de température

Le gain de multiplication de l'APD dépend également de la température.

Pour un InGaAs APD, la source donne un coefficient typique de température de claquage-tension d'environ:

0,1 V/°C

Lorsque la température augmente, le gain de multiplication peut diminuer sous le même biais appliqué.

Sans compensation de température appropriée, le gain APD peut donc dériver avec la température, ce qui entraîne une performance SNR instable.

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7.5 Considérons un récepteur TIA PIN

Un APD n'est pas toujours la meilleure solution.

Si le bruit thermique n'est pas la limitation dominante-par exemple, lorsque le signal optique reçu est relativement fort-aPhotodiode PIN combinée avec un amplificateur transimpédance à faible bruit (TIA)Peut fournir une meilleure performance globale.

Par rapport à un APD, une architecture PIN TIA n'introduit pas de bruit excessif d'avalanche et peut offrir une bonne linéarité et une large plage dynamique.

L'architecture de récepteur appropriée dépend donc de la puissance optique réelle, de la bande passante, du budget de bruit et des exigences de plage dynamique.

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8. Conclusion

Le gain APD n'est pas simplement un paramètre qui devrait être maximisé.

Il existe un point de fonctionnement optimal, et l'augmentation du gain au-delà de ce point peut en fait réduire le SNR du récepteur.

Pour les cas simplifiés discutés dans la source:

• InGaAs APD:Mopt peut être d'environ 10-30

• APD est:Mopt peut être d'environ 50-100

L'optimum exact dépend de l'exposant d'excès de bruit, de la puissance optique reçue, de la bande passante, de la température et des paramètres du récepteur.

Le principe d'ingénierie le plus important est donc:

Ne choisissez pas le gain APD le plus élevé possible. Choisissez le gain qui donne le meilleur SNR dans les conditions de fonctionnement réelles.

Lors de la sélection d'un APD, regardez au-delàMmax. Les caractéristiques de bruit excessif, la puissance d'entrée optique, la dépendance à la température, la bande passante et l'architecture du récepteur doivent toutes être prises en compte.

Gain est un amplificateur-pas une solution magique. Utilisé correctement, il améliore la mesure. Utilisé de manière incorrecte, il amplifie le problème.