Фактор мультиплексии зависит от приложенного напряжения. Из-за необходимости сильного ускорения первичных носителей требуется приложение достаточно высокого (в ряде случаев в несколько сотен вольт) напряжения, обеспечивающего появление зоны сильного поля. При низких напряжениях APD работает подобно диоду pin-типа без усиления.

Существует пороговое значение напряжения для инициирования лавинного процесса ударной ионизации. Выше порога по напряжению APD будет генерировать ток без наличия оптической мощности. Самого напряжения при этом достаточно для инициирования ударной ионизации.

Достаточно часто APD используют в режиме, когда приложенное напряжение чуть ниже порогового. Тогда даже незначительная оптическая мощность приводит к мгновенному реагированию и заметному выходному сигналу. К недостаткам APD можно отнести то, что шумовой ток (ток, возникающий в результате генерации пары носителей в отсутствие света) растет при увеличении приложенного напряжения и, кроме того, высокое напряжение требует специального высоковольтного питания.

В основе работы детектора лежит генерация электрического тока в ответ на падающие фотоны. От него требуется улавливание даже очень слабого оптического сигнала и воспроизведение заметного электрического тока. Однако в действительности электрический сигнал может быть достаточно слабым при уровне оптической мощности от нескольких десятков до нескольких сотен на-новатт. Поэтому в приемнике происходит усиление электрического сигнала, полученного от детектора, и возможно искажение его формы.

Шум является неустранимым эффектом, который серьезно ограничивает чувствительность детектора. Шумом называется любое возмущение электрического или оптического характера, отличное от полезного сигнала. Сигнал несет полезную информацию, а шум является чем-то дополнительным и бесполезным. Хотя шум может присутствовать и присутствует во всех частях коммуникационной системы, особенно важен его уровень на входе в приемное устройство. Причина в том, что приемное устройство работает со слабым сигналом, потерявшим свою первоначальную мощность при передаче. Поэтому слабый в большинстве контуров по сравнению с сигналом шум становится заметным на фоне слабого сигнала. Того же уровня шум в передающем устройстве обычно несуществен, поскольку здесь уровень сигнала намного вьш1е. Итак, шум оказывает существенное влияние на порог чувствительности детекторов. Слишком слабый оптический сигнал невозможно различить на фоне шума, для этого необходимо либо уменьшить уровень шума, либо усилить сигнал.

В процессе усиления в приемном устройстве усиливается не только сигнал, но и шум. Некоторые виды шума можно отфильтровать с помощью электронных фильтров. Удобно иметь уровень сигнала более высокий по сравнению с уровнем шума, а еще лучше иметь сильный сигнал и слабый шум.

Некоторые виды шума связаны с самим фотодетектором или приемником. Уже упоминался шум, связанный с процессом мультиплексирования в APD, объясняющийся статистической природой самого процесса. К другим

Область о высокой иощностыо поля

Область перемещения

Рис. 9.3. Лавинные фотодиоды (рисунок предоставлен AMP Incorporated)

Данный процесс создания вторичных носителей назьтается ударной ионизацией. Первоначальные носители порождают несколько вторичных носителей, которые в свою очередь, ускорившись в электрическом поле, порождают новые носители. Процесс в целом называется фотомулътитек-сией и представляет собой по сути некоторую форму усиления.

Число электронов, протекающих во внешнем контуре в результате поглощения одного фотона, зависит от APD-фактора мультиплексии. Типичное значение фактора мультиплексии находится в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен. При значении фактора мультиплексии 70 в среднем 70 электронов протекают во внешнем контуре после поглощения диодом одного фотона. Выражение в среднем очень важно. Фактор мультиплексии является статистической величиной, о которой можно говорить только в смысле среднего значения. В каждом конкретном случае один первичный электрон может породить как больший, так и меньший ток во внешнем контуре.

Например, в APD с фактором мультиплексии 70 некоторый первичный носитель может породить как 67 вторичных носителей, так и 76 вторичных носителей. Такого рода вариации являются причиной возникновения шума, лимитирующего предел чувствительности детектора, работающего на основе APD. Более подробно проблема шумов будет обсуждена ниже.

видам шумов, также важных для понимания работы фотодиодов и волоконной оптики, относятся дробный и тепловой шум.

Дробный шум

Дробный шум возникает вследствие дискретной природы электронов. Электрический ток не является непрерывным однородным потоком. Это поток отдельных дискретных электронов. Напомним, что фотодиод работает благодаря поглощению фотонов, которые инициируют появление электронно-дырочных пар, а те, в свою очередь, - тока во внешнем контуре. Это трехст)шенчатый процесс: фотон, электрон-дырка, электрон. Падение и поглощение каждого фотона и генерация пары носителей являются частями случайного процесса. Он протекает как серия дискретных событий, а не плавно текущий однородный поток. Таким образом, в действительности ток флюктуирует в зависимости от того, насколько много или насколько мало электронно-дырочных пар возникло в данный момент времени.

Дробный шум присутствует и тогда, когда свет не падает на детектор. Даже в отсутствие света малый дребезг тока генерируется за счет тепловых флюктуации, причем его уровень увеличивается примерно на 10% при росте температуры на 1 градус. Типичное значение шумового тока составляет 25 нА при 25 градусах.

Дробный шум определяется выражением

г J = 2фВ

где q - заряд электрона (1.6x10 кулон), i - средняя сила тока (включая фоновый ток и ток сигнала) и S - ширина частотной полосы приемника. Из уравнения видно, что дробный шум усиливается при росте тока и ширины полосы. Дробный шум минимален, когда присутствует только фоновый ток (когда i = фоновому току), и растет при возникновении тока, возбуждаемого оптическим сигналом. Детектор с уровнем фонового тока 2 нА, работающий в частотной полосе 10 МГц, имеет дробный шум на уровне 80 пА:

ij = 2qiB

= (2) (1.6 X 10 ) (2 X 10 ) (10 X 10)

= 6.4 X 10

8 X 10

= 80 пА

Тепловой шум

Тепловой шум, или шум Джонсона-Найквиста, возникает благодаря флюктуа-циям сопротивления детектора. Электроны в пространстве между электродами ведут себя непостоянно. Их тепловая энергия позволяет им случайным образом смещаться. В каждый момент времени суммарный поток случайного движения электронов может быть направлен к одному либо к другому электроду. Таким образом появляется постоянно меняющийся случайный ток. Он накладывается на полезный ток сигнала и изменяет его. Тепловой шум задается выражением