Guadagno APD impostato su 100: rumore amplificato 30 ×, solo segnale 10 ×

Stai amplificando il segnale o amplificando il rumore?

Aumentare il guadagno di un fotodiodo da valanga (APD) da 10 a 100 aumenta effettivamente il segnale di circa 10 ×. Tuttavia, in condizioni tipiche, il rumore può aumentare di circa 30 ×.

In un calcolo tipico basato sul modello McIntyre, aumentare il guadagno APD al massimo può far diminuire l'SNR da circa 18 dB a 8 dB.

Quindi, stai effettivamente amplificando il segnale o stai amplificando il rumore?

Il concetto chiave è ilFattore di rumore in eccessoDi un APD. Può essere approssimativamente descritto come:

F(M)∝Mx

doveMÈ il guadagno della valanga exÈ l'esponente del rumore in eccesso. Per gli APD InGaAs tipici,xÈ di circa 0, 7-1, 0.

Ciò significa che all'aumentare del guadagno, ogni ulteriore incremento di guadagno può introdurre una quantità di rumore sproporzionatamente maggiore. Di conseguenza, c' è unGuadagno ottimale, Mopt, E questo optimum è spesso molto più basso del guadagno massimo disponibile.

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1. Il guadagno APD non è "libero"

Un APD raggiunge il guadagno ottico interno attraversoIonizzazione da impatto.

In termini semplificati, un APD con un fattore di moltiplicazioneMProduce una media diMVettori da un vettore fotogenerato. A prima vista, questo sembra suggerire che sia il segnale che il rumore dovrebbero essere semplicemente moltiplicati perM, Lasciando invariato l'SNR.

In realtà, però, il processo di moltiplicazione a valanga è statistico.

Diversi portatori hanno diverse probabilità di innescare ulteriori eventi di ionizzazione. Questa casualità produce fluttuazioni nel guadagno della valanga, con conseguente rumore aggiuntivo.

Questo fenomeno è descritto dalFattore di rumore in eccesso, F(M):

F(M) = kM (1 − k)(2 − 1/M)

Dove:

• KÈ il rapporto del coefficiente di ionizzazione, definito come il tasso di ionizzazione dell'elettrone diviso per il tasso di ionizzazione del foro

• MÈ il guadagno di moltiplicazione APD

Nei casi limitanti:

• QuandoK → 0, Corrispondente approssimativamente alla moltiplicazione della valanga a portante singolo,F(M) → 2 − 1/M

• QuandoK → 1, Corrispondente alla moltiplicazione che coinvolge entrambi i portatori,F(M) → M

Per l'analisi ingegneristica semplificata, una forma empirica comunemente usata con il modello McIntyre è:

F(M) = Mx

dovexÈ l'esponente del rumore in eccesso. La fonte originale fornisce valori tipici di circa:

• Si      APD: x ≈ 0.3–0.5

• APD InGaAs: x ≈ 0.7–1.0

La differenza è significativa.

Ad esempio, quandoM = 100:

Per un APD Si conx = 0.4:

F ≈ 100 ⁰ · ⁴ ≈ 6.3

Per un APD InGaAs conx = 0.85:

F ≈ 100,

Pertanto, in questo modello semplificato, lo stesso guadagno nominale di 100 può comportare un comportamento di rumore in eccesso notevolmente diverso a seconda del materiale APD e delle caratteristiche di moltiplicazione.

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2. SNR vs. guadagno: sale prima, poi cade

Il rumore totale in un ricevitore APD include in genere:

• Rumore del colpoAssociato alla fotocorrente e alla corrente oscura

• Rumore termicoAssociato all'amplificatore e al carico di transimpedenza

La fonte fornisce la seguente espressione per il ricevitore SNR:

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

Dove:

• IphÈ il photocurrent

• IdÈ la corrente oscura

• BÈ la larghezza di banda

• RLÈ la resistenza del carico

• qÈ la carica elementare

• KÈ la costante di Boltzmann

• TÈ la temperatura assoluta

Il punto importante è che l'effetto dell'aumento del guadagno dipende da quale fonte di rumore domina.

Quando domina il rumore termico

Quando:

4kTB/RL >> termine shot-noise

Aumentare il guadagno APD può amplificare il segnale in modo sufficiente per superare il rumore termico del ricevitore.

In questa regione operativa, aumentandoMPuò migliorare l'SNR. È qui che il guadagno APD fornisce un chiaro vantaggio.

Quando il rumore del colpo domina

Man mano che il guadagno APD diventa più alto, il sistema può entrare in un regime in cui il rumore degli spari diventa dominante.

Il numeratore dell'espressione SNR aumenta approssimativamente come:

Misuratore quadrato

Mentre il contributo acustico associato alla moltiplicazione delle valanghe aumenta approssimativamente come:

F(M) · M²∝M²Quindi

Poiché il denominatore cresce più velocemente del numeratore, l'SNR alla fine inizia a diminuire.

Questa è la ragione fisica per cuiUn maggiore guadagno APD non produce necessariamente SNR migliore.

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3. Un esempio: APD InGaAs con x = 0,85

Considera un APD InGaAs con:

X = 0,85

La fonte fornisce il seguente confronto semplificato:

Guadagno M	F(M) = Mx	Potenza del segnale∝M²	Potenza del rumore∝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 tendenza importante è chiara.

DaM = 10 a M = 100:

• La potenza del segnale aumenta di100×

• La potenza del rumore aumenta di circa705×

Pertanto, aumentare il guadagno di un altro fattore 10 non fornisce un miglioramento corrispondente in SNR. Invece, l'SNR si deteriora in modo significativo.

La lezione pratica è semplice:

Il guadagno APD massimo non è necessariamente il guadagno APD ottimale.

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4. Derivare il guadagno ottimale Mopt

Il guadagno APD ottimale può essere ottenuto differenziando l'SNR rispetto al guadagno di moltiplicazione e impostando la derivata a zero:

D (SNR)/dM = 0

La fonte fornisce la seguente espressione approssimativa:

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

Dove:

• xÈ l'esponente del rumore in eccesso

• IphÈ il photocurrent

Questa equazione rivela due importanti relazioni:

1. Fotocurrent più alto → guadagno ottimale inferiore

2. Maggiore esponente del rumore in eccesso x → guadagno ottimale inferiore

In altre parole, il guadagno ottimale dipende non solo dall'APD stesso, ma anche dalla potenza ottica e dalle condizioni operative del ricevitore.

Esempio: APD InGaAs

Per un APD InGaAs con:

• x      = 0.85

• Potenza ottica ricevuta ≈ − 20 dBm

• Iph≈ 10 μA

• Larghezza di banda = 1 GHz

• RL= 50 Ω

Le stime della fonte:

Mopt ≈ 15-25

Per un Si APD alle stesse condizioni presunte:

Mopt ≈ 50-100

Questo aiuta a spiegare perché gli APD Si possono spesso operare con guadagni di moltiplicazione significativamente più elevati rispetto agli APD InGaAs in condizioni comparabili.

È importante sottolineare che,Mopt non è un valore fisso.

All'aumentare della potenza ottica ricevuta, il guadagno ottimale diminuisce.

Questo è in qualche modo controintuitivo:Segnali ottici più forti possono richiedere un guadagno APD inferiore.

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5. Perché il rumore APD di InGaAs è più alto del rumore di Si APD?

La ragione fondamentale è legata alRapporto del coefficiente di ionizzazione, k.

La fonte confronta diversi materiali APD come segue:

Materiale	Gamma tipica di lunghezza d'onda	K = α/β	x	Gamma tipica di Mopt
Sì	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
InAs (SAM)	1000-1700 nm	0.1–0.3	0.5–0.7	20–50

Secondo la fonte, Si ha un molto bassoKValore, circa 0, 02-0, 05. Ciò significa che la moltiplicazione delle valanghe è in gran parte dominata da un tipo di vettore, con conseguenti fluttuazioni statistiche relativamente basse e rumore in eccesso inferiore.

InGaAs ha un più altoKValore, circa 0, 3-0, 5. Sia gli elettroni che i buchi partecipano in modo più significativo al processo delle valanghe, con conseguenti maggiori fluttuazioni di guadagno e maggiore rumore in eccesso.

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6. InAlas SAM: un approccio a basso rumore per le APD InGaAs

Per le applicazioni di comunicazione ottica che operano intorno a 1310 e 1550 nm, InGaAs fornisce la sensibilità ottica richiesta.

Tuttavia, le sue caratteristiche di moltiplicazione delle valanghe introducono rumore aggiuntivo.

Un approccio è ilAssorbimento e moltiplicazione separati di InALAs (SAM)Struttura.

In questa architettura:

• IlRegione di assorbimento InGaAsFornisce sensibilità nelle bande di comunicazione 1310/1550 nm.

• IlRegione di moltiplicazione InAlAsFornisce le caratteristiche più basse di rumore della valanga.

La sorgente identifica InAlAs SAM come un'architettura APD InGaAs avanzata che mira a combinare la sensibilità ottica di InGaAs con le caratteristiche di moltiplicazione a basso rumore degli InALA.

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7. Linee guida di ingegneria: il guadagno massimo non è l'obiettivo

L'analisi sopra porta a diverse linee guida pratiche di progettazione.

7.1 Non utilizzare automaticamente un APD InGaAs superiore a un guadagno di 30

Per APD InGaAs con:

X ≈ 0, 7-1, 0

La fonte indica che il guadagno ottimale è tipicamente intorno a:

Mopt ≈ 10-30

Una volta che il guadagno supera il punto ottimale, ulteriori aumenti possono causare una significativa degradazione dell'SNR.

L'esatto valore ottimale, tuttavia, dipende dal dispositivo e dalle condizioni operative.

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7.2 Una potenza ottica più forte richiede un guadagno inferiore

La fonte dà la relazione:

Mopt∝Iph− 1/(2 x)

Man mano che la potenza ottica ricevuta aumenta, il rumore del colpo diventa sempre più importante. Pertanto, il guadagno APD dovrebbe essere ridotto piuttosto che aumentato.

Questa è una delle ragioni per cuiControllo automatico del guadagno (AGC)Può essere preferibile al funzionamento di un APD a un guadagno massimo fisso.

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7.3 Guarda l'esponente del rumore in eccesso x-non solo Mmax

Due APD possono specificare entrambi un guadagno massimo di 100 ma hanno prestazioni di rumore molto diverse.

Secondo la fonte, un dispositivo con:

X = 0,5

Può fornire approssimativamente3-5 dB meglio SNRDi un dispositivo con:

X = 0,85

Con un guadagno di circa 20.

Pertanto, quando si seleziona un APD, ilCaratteristiche di rumore in eccessoPuò essere più informativo che semplicemente guardando il guadagno massimo elencato nella scheda tecnica.

Il guadagno massimo è tipicamente associato al funzionamento vicino alla regione della tensione di rottura; non dovrebbe essere interpretato automaticamente come il punto di funzionamento ottimale.

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7.4 La compensazione della temperatura è importante

Anche il guadagno di moltiplicazione dell'APD dipende dalla temperatura.

Per un APD InGaAs, la sorgente fornisce un tipico coefficiente di temperatura di tensione di rottura di circa:

0,1 V/°C

All'aumentare della temperatura, il guadagno di moltiplicazione può diminuire sotto lo stesso bias applicato.

Senza un'adeguata compensazione della temperatura, il guadagno APD può quindi andare alla deriva con la temperatura, con conseguenti prestazioni SNR instabili.

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7.5 Considera un ricevitore PIN TIA

Un APD non è sempre la soluzione migliore.

Se il rumore termico non è la limitazione dominante, ad esempio quando il segnale ottico ricevuto è relativamente forte, aFotodiodo PIN combinato con un amplificatore a transimpedenza a basso rumore (TIA)Può fornire prestazioni complessive migliori.

Rispetto a un APD, un'architettura PIN TIA non introduce il rumore in eccesso da valanga e può offrire una buona linearità e un'ampia gamma dinamica.

L'architettura del ricevitore appropriata dipende quindi dalla potenza ottica effettiva, dalla larghezza di banda, dal budget del rumore e dai requisiti della gamma dinamica.

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8. Conclusione

Il guadagno APD non è semplicemente un parametro che dovrebbe essere massimizzato.

Esiste un punto operativo ottimale e aumentare il guadagno oltre quel punto può effettivamente ridurre l'SNR del ricevitore.

Per i casi semplificati discussi nella fonte:

• APD InGaAs:Mopt può essere circa 10-30

• Si      APD:Mopt può essere circa 50-100

L'ottimale esatto dipende dall'esponente del rumore in eccesso, dalla potenza ottica ricevuta, dalla larghezza di banda, dalla temperatura e dai parametri del ricevitore.

Il principio di ingegneria più importante è quindi:

Non scegliere il guadagno APD più alto possibile. Scegli il guadagno che dà il miglior SNR nelle condizioni operative effettive.

Quando si seleziona un APD, guardare oltreMmax. Le caratteristiche del rumore in eccesso, la potenza ottica in ingresso, la dipendenza dalla temperatura, la larghezza di banda e l'architettura del ricevitore devono essere considerate.

Il guadagno è un amplificatore-non una soluzione magica. Usato correttamente, migliora la misurazione. Usato in modo errato, amplifica il problema.