Методичка

	Компьютер			Блок
				питания
	(COM порт)
				12В
	интерфейс RS-232
	1		2	3
		Стенд	схема
	схема управления с		регулировки и
	микропроцессором		стабилизации
			напряжения
	схема		питания
	регулировки и
	стабилизации	ILD лазерный	VPD	p-i-n
	тока накачки		Popt	фотодиод
	схема	TPD
	регулировки и		RL	IPD
	стабилизации
	температуры
	4			5
		6	7	Uout

Вольтметр

Волоконно-оптический кабель 1 – порт управления стендом 2 – клемма заземления 3 – разъем питания

4 – входной ВЧ разъем лазерного диода

5 – выходной электрический разъем фотодиода

6 – выходной оптический разъем лазерного диода

7 – входной оптический разъем фотодиода

Рис. 1.10. Блок-схема лабораторной установки

Лабораторная установка позволяет измерять мощность Popt излучения лазерного модуля в зависимости от установленного интерфейсной программой тока накачки ILD и температуры TLD. Излучение лазера по одномодовому волоконно-оптическому кабелю поступает на фотодиод с известным темновым током Id и монохроматической токовой чувствительностью S на длине волны излучения лазера. Напряжение Uout на сопротивлении нагрузки RL фотодиода измеряется с помощью вольтметра. Так как потери в оптическом волокне для длины волны 1550 нм составляют величину менее 0.2 дБ/км, то при длине кабеле в несколько метров ими можно пренебречь. В этом случае мощность излучения лазерного модуля может быть определена по следующей формуле:

P (I	LD	,T	) = Uout RL − Id .		(1.2)
opt		LD		S

В стенде лабораторной установки сопротивление нагрузки RL фотодиода равняется 56.2 Ом, чувствительность S фотодиода на длине волны 1550 нм

11

равняется 1.1 А/Вт, темновой ток Id фотодиода при напряжении смещения -5 В равняется 5 пА.

Лабораторная установка включается в следующем порядке:

1.5.1.Заземлить стенд, вольтметр и персональный компьютер.

1.5.2.Подсоединить стенд к COM-порту компьютера с помощью ноль модемного кабеля.

1.5.3.Подключить блок питания к стенду при нахождении кнопки включения стенда в положении “Выкл.”.

1.5.4.Подключить блок питания стенда к электрической сети 100-240 В,

50/60 Гц.

1.5.5.Включить стенд (перевести кнопку включения стенда в положение

“Вкл.”). Индикатор на кнопке включения стенда указывает на наличие напряжения питания на стенде.

1.5.6.Включить компьютер и запустить интерфейсную программу, управляющую стендом.

1.5.7.Выбрать в интерфейсной программе номер COM-порта, к которо-

му подключен стенд, и произвести соединение интерфейсной программы со стендом нажатием кнопки “F9” на клавиатуре компьютера. Интерфейсная программа произведет диагностику работы стенда и при успешном соединении выведет сообщение “Соединение с COMx установлено”, где “х” – номер COM-порта, к которому подключен стенд.

1.5.8.Если самодиагностика стенда не выявила ошибок, то включить вольтметр и подключить его к выходному электрическому разъему фотодиода на стенде.

1.5.9.Соединить выходной оптический разъем лазерного диода с входным оптическим разъемом фотодиода с помощью одномодового волоконно-

оптического кабеля.

1.6. Порядок выполнения работы

1.6.1.Ознакомиться с составом лабораторной установки.

1.6.2.Включить приборы в указанном выше порядке.

1.6.3.Ознакомиться с работой интерфейсной программы.

1.6.4.Установить при помощи интерфейсной программы температуру лазерного диода 20°С и напряжение питания фотодиода -5 В.

1.6.5.Установить при помощи интерфейсной программы ток накачки

лазерного диода 0 мА. Подождать пока не установится постоянное значение напряжения на сопротивлении нагрузки фотодиода.

1.6.6.Измерить напряжение Uout на сопротивлении нагрузки RL фотодиода с помощью вольтметра. Записать результат измерения напряжения.

1.6.7.Повторить измерение по пп.1.6.5-1.6.6 для различных токов накачки в диапазоне от нуля до максимального значения, установленного интер-

фейсной программой.

1.6.8. Повторить измерения по пп.1.6.5-1.6.7 для значений температур

30, 40 и 50°С.

12

1.6.9.Для уменьшения ошибок измерений повторить измерения не ме-

нее 5 раз.

1.6.10.Произвести обработку экспериментальных данных и оценить

случайную погрешность измерения мощности Popt излучения лазерного диода, рассчитываемую по формуле (1.2), для доверительной вероятности P = 0.95, при этом значения сопротивления нагрузки RL, чувствительности S

итемнового ток Id фотодиода считать постоянными величинами.

1.6.11.Построить ватт-амперные характеристики лазерного диода для температур 20, 30, 40 и 50°С.

1.6.12.Построить зависимость крутизны ватт-амперной характеристики лазерного диода от температуры.

1.6.13.Построить зависимость порогового тока лазерного диода от тем-

пературы.

1.7. Содержание отчета

Отчет о проделанной лабораторной работе должен содержать:

−название работы, ф.и.о. студента и номер группы;

−таблицы с экспериментальными данными;

−обработку экспериментальных данных;

−ватт-амперные характеристики инжекционного лазера при различных температурах;

−график зависимости крутизны ватт-амперной характеристики лазерного диода от температуры;

−график зависимости порогового тока лазерного диода от температуры;

−выводы.

1.8. Контрольные вопросы

1.8.1.Объясните физический принцип работы инжекционного лазера.

1.8.2.Укажите основные отличия инжекционного лазера от других ти-

пов лазеров.

1.8.3.Приведите основные характеристики и параметры инжекционного лазера и укажите их сущность.

1.8.4.Объясните зависимость порогового тока инжекционного лазера от температуры.

13

2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА “ИЗМЕРЕНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК P-I-N ФОТОДИОДА”

2.1. Задачи лабораторной работы

Измерить вольт-амперную характеристику p-i-n фотодиода при разных мощностях оптического излучения и его энергетическую характеристику, определить монохроматическую токовую чувствительность фотодиода и критическую мощность излучения.

2.2. Основные характеристики и параметры p-i-n фотодиодов в стационарном режиме

В стационарном режиме p-i-n фотодиод описывается вольт-амперной, энергетической и спектральной характеристиками.

2.2.1. Вольт-амперная характеристика отражает зависимость общего тока IPD через p-i-n фотодиод (фототока Iph и темнового тока Id) от приложен-

ного напряжения смещения Ubias (Рис. 2.1).

Темновой ток – постоянный ток, протекающий через фотодиод в отсутствие оптического излучения. Темновой ток определяет минимальную мощность оптического излучения, детектируемую p-i-n фотодиодом.

Пробивное напряжение Ubr – значение напряжения обратного смещения, при котором происходит пробой p-i-n фотодиода.

Ток

Ubr

					Id	Напряжение
		Popt = 0				смещения
		Popt1
	Popt2
					Popt 1 < Popt2

Рис. 2.1. Вольт-амперные характеристики p-i-n фотодиода при различных уровнях мощности оптического излучения

14

2.2.2. Энергетическая характеристика отражает зависимость фототока p-i-n фотодиода от мощности оптического излучения (Рис. 2.2).

Монохроматическая токовая чувствительность SI определяется отно-

шением изменения электрического тока на выходе p-i-n фотодиода к величине изменения мощности монохроматического оптического излучения:

SI = dIPD .						(2.1)
	dPopt
Теоретически максимально возможная токовая чувствительность p-i-n
фотодиода определяется по формуле.
SI max =	e	=		λ	,	(2.2)
			1.24
	hν

где e – заряд электрона, hν – энергия фотона, λ – длина волны в микрометрах.

Критическая мощность излучения Pmax – максимальная мощность опти-

ческого излучения, при которой отклонение энергетической характеристики p-i-n фотодиода от линейного закона достигает заданного уровня (обычно на уровне 0.8).

1.0

0.8 Фототок

Pmax

Мощность оптического излучения

Рис. 2.2. Энергетическая характеристика p-i-n фотодиода

2.2.3. Спектральная характеристика отражает зависимость монохроматической чувствительности от длины волны оптического излучения

(Рис. 2.3).

Длина волны максимума спектральной чувствительности λ0 – длина волны, соответствующая максимуму спектральной характеристики.

Спектральный диапазон – диапазон длин волн оптического излучения λmin λmax, в котором значение чувствительности фотодиода составляет не менее 10% от его максимальной чувствительности. Современные p-i-n фото-

15

диоды на основе кремния, германия или гетероструктур АIIIBV перекрывают спектральный диапазон длин волн от 0.3 мкм до 3.0 мкм.

Монохроматическая чувствительность S, отн. ед.

1.0

0.1

λmin λ0 λmax

Длина волы λ

Рис. 2.3. Относительная спектральная характеристика монохроматической чувствительности p-i-n фотодиода

2.3. Фотоэлектрические процессы в p-i-n фотодиоде

Благодаря высокой квантовой эффективности и надежности, планарной технологии изготовления и относительно низкой цене p-i-n фотодиоды на основе кремния, германия и соединений АIIIBV являются наиболее распространенными фотодетекторами. Работа p-i-n фотодиода основана на преобразовании оптического сигнала в электрический сигнал при поглощении фотонов в результате внутреннего фотоэффекта в полупроводниках. Под действием излучения, энергия кванта которого превышает ширину запрещенной зоны, в полупроводнике образуется пара свободных носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Под действием электрического поля, сформированного потенциальным барьером p-n перехода или напряжением обратного смещения, происходит разделение генерированных оптическим излучением носителей заряда (фотоносителей), в результате чего через p-i-n фотодиод протекает фототок.

Рис. 2.4 показывает структуру и зонную диаграмму p-i-n фотодиода на

основе гетероструктуры p+-InP / n0-In0.47Ga0.53As / n+-InP. Широкозонные p+-InP и n+-InP (Eg InP = 1.35 эВ) слои сильно легированы, а поглощающий

n0-In0.47Ga0.53As (Eg InGaAs = 0.74 эВ) слой нелегирован и имеет низкую остаточную концентрацию фоновой донорной примеси 5·1014 5·1015 см-3. При попадании в фоточувствительную область фотодиода оптического излучения с энергией кванта большей ширины запрещенной зоны In0.47Ga0.53As, но мень-

16

шей ширины запрещенной зоны InP, что соответствует длинам волн от 0.95 мкм до 1.65 мкм, в InGaAs слое происходит поглощение фотонов и генерация электронно-дырочных пар. Генерированные оптическим излучением в области пространственного заряда электроны и дырки разделяются электрическим полем p-n перехода, причем в обедненной области перенос носителей заряда осуществляется с помощью дрейфового механизма, а носители, появившиеся на расстояниях порядка диффузионной длины по обе стороны от p-n перехода вне области пространственного заряда – с помощью диффузионного механизма.

фоточувствительная

область

диэлектрическое

покрытие

i-InP

p+-InР hν

p-контакт

hν

p+-область i-InGaAs n+-InP

n-контакт

дрейф

диффузия

n0-InGaAs

n+-InP

Рис. 2.4. Cтруктура InGaAs/InP p-i-n фотодиода и его зонная диаграмма

Обычно к p-i-n фотодиоду прикладывается напряжение обратного смещения, достаточное для полного обеднения поглощающего i-слоя. В результате исключается более медленный диффузионный механизм переноса носителей заряда и снижается емкость перехода, что в совокупности приводит к увеличению чувствительности и предельной частоты p-i-n фотодиода. Рис. 2.5 показывает схему включения p-i-n фотодиода в СВЧ диапазоне и на низких или высоких частотах.

17

а)	V	б)		Ubias
	PD		L	C
					Uout
		Uout
	C
				PD	RL
	RL

Рис. 2.5. Схема включения p-i-n фотодиода: а) на низких или высоких частотах, б) в СВЧ диапазоне

2.4. Объект исследования

В данной лабораторной работе исследуется волоконно-оптический фотодиодный модуль, который представляет собой кристалл планарного InGaAs/InP p-i-n фотодиода с диаметром фоточувствительной области 40 мкм, соединенный с одномодовым оптическим волокном и помещенный в герметичный металлический корпус (Рис. 2.7). Волоконно-оптический фотодиодный модуль работает в спектральном диапазоне от 800 до 1700 нм, длина волны максимума спектральной чувствительности равняется 1550 нм (Рис. 2.6). Величина темного тока составляет 3.7 пА при напряжении смещения -2.0 В и 5.4 пА при напряжении смещения -20 В (Рис. 2.8). Пробивное напряжение волоконно-оптического фотодиодного модуля равняется 40 В. Исследуемый волоконно-оптический фотодиодный модуль предназначен для волоконно-оптических систем связи и измерительных систем.

	1.0
	0.9
ед.	0.8
	0.7
.
отн
	0.6
Чувствительность,
	0.5
	0.4
	0.3
	0.2
	0.1
	0.0	900	1000	1100	1200	1300	1400	1500	1600	1700
	800
					Длина волны, нм
Рис. 2.6. Относительная спектральная характеристика InGaAs/ InP p-i-n фотодиода

18

Темновой ток, А

Рис. 2.7. Внешний вид волоконно-оптического фотодиодного модуля

10-10

10-11

10-12

	10	-13
		0		2	4	6	8	10	12	14	16	18	20

Напряжение обратного смещения, В

Рис. 2.8. Зависимость темнового тока InGaAs/InP p-i-n фотодиода от напряжения обратного смещения

2.5. Описание лабораторной установки и методов измерения

Рис. 2.9 показывает блок-схему лабораторной установки, в состав которой входят:

−стенд для измерения фотоэлектрических характеристик p-i-n фотодиода;

−вольтметр универсальный портативный В7-58/2;

−персональный компьютер с COM-портом и с интерфейсной программой, управляющей работой стенда.

Лабораторная установка позволяет измерять ток IPD через p-i-n фотодиод

в зависимости от напряжения смещения Ubias и падающей на него мощности Popt излучения лазерного диода, которая устанавливается интерфейсной программой. Излучение лазерного диода по одномодовому волоконнооптическому кабелю поступает на p-i-n фотодиод. Напряжение Uout на сопротивлении нагрузки RL p-i-n фотодиода измеряется с помощью вольтметра.

19

Ток IPD через p-i-n фотодиод и напряжение смещения Ubias на p-i-n фотодиоде рассчитываются по следующим формулам:

IPD = Uout	RL ,	(2.3)
Ubias = VPD	− Uout ,	(2.4)

где VPD – напряжение питания p-i-n фотодиода, которое задается интерфейсной программой. Так как потери в оптическом волокне для длины волны 1550 нм составляют величину менее 0.2 дБ/км, то при длине кабеле в несколько метров ими можно пренебречь. В этом случае чувствительность p-i-n фотодиода может быть определена по следующей формуле:

S =	Uout RL − Id .	(2.5)
	Popt

В стенде лабораторной установки сопротивление нагрузки RL фотодиода равняется 56.2 Ом, а темновой ток Id p-i-n фотодиода при напряжении смещения в диапазоне от -15 В до +0.5В составляет величину менее 5 пА.

Компьютер			Блок
			питания
(COM порт)
			12В
интерфейс RS-232
1		2	3
схема управления с	Стенд	схема
		регулировки и
микропроцессором		стабилизации
		напряжения
схема		питания
регулировки и
стабилизации ILD	лазерный	VPD	p-i-n
тока накачки	диод	Popt	фотодиод
		RL	IPD
4			5
	6	7	Uout

Вольтметр

Волоконно-оптический кабель 1 – порт управления стендом 2 – клемма заземления 3 – разъем питания

4 – входной ВЧ разъем лазерного диода

5 – выходной электрический разъем фотодиода

6 – выходной оптический разъем лазерного диода

7 – входной оптический разъем фотодиода

Рис. 2.9. Блок-схема лабораторной установки

20