APD特性及调试方法.ppt

2024/5/25 周六1目录目录简单介绍基本概念简单介绍基本概念介绍介绍APD的特性的特性介绍介绍APD Voltage的调试方法的调试方法2024/5/25 周六2基本概念基本概念APD:Avalanche Photodiode是光接收机器件，主要作用是检测经过传输的是光接收机器件，主要作用是检测经过传输的微弱光信号，并放大、整形、再生成原传输信微弱光信号，并放大、整形、再生成原传输信号。号。利用光电效应把光信号转变为电信号的光电检利用光电效应把光信号转变为电信号的光电检测器件。测器件。2024/5/25 周六3基本概念基本概念APDAPD的工作原理的工作原理：通过光电效应产生电子和空穴在高电场区运动通过光电效应产生电子和空穴在高电场区运动时被迅速加速，可能多次碰撞其它原子产生时被迅速加速，可能多次碰撞其它原子产生 的结果使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，的结果使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应形成雪崩倍增效应。选择使用选择使用APDAPD的原因主要为通过利用雪崩倍增的原因主要为通过利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增后的接收高灵敏度效应使光电流得到倍增后的接收高灵敏度。APDAPD优点：灵敏高、响应快、噪声小、成本低优点：灵敏高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高。和可靠性高。2024/5/25 周六4基本概念基本概念APD工作条件：工作条件：需要有一定的反向偏压才能产生相应的倍增效需要有一定的反向偏压才能产生相应的倍增效应应APD的光电流的光电流Iop=R*PinM=Iop/IoIo为初始的光电流；为初始的光电流；Iop为倍增后的光电流为倍增后的光电流APD存在击穿电压存在击穿电压Vbr，当，当Vapd=Vbr时，时，M为为，此时雪崩倍增噪声也变得非常大，这种情，此时雪崩倍增噪声也变得非常大，这种情况为况为APD击穿。当然使用时击穿。当然使用时Vapd=Vbr2024/5/25 周六5Typical Dark-Current and Gain vs Bias-Voltage for APD ChipAPD偏压为偏压为小于小于20V时，时，APD没有产没有产生倍增效应生倍增效应,即即M=1。当。当Voltage增大增大时，时，APD则则开始产生倍开始产生倍增效应，同增效应，同时暗电流也时暗电流也随之增大。随之增大。2024/5/25 周六6Temperature dependence of Breakdown voltageAPD 击穿电压随温度变化而变化，当温度升高时，Vbr也加大，结果使固定下的APD的平均雪崩增益随温度而变化。2024/5/25 周六7Gain Vs Input Optical Power图表说明当图表说明当输入的光功输入的光功率增大时，率增大时，APD的的Gain则变小。则变小。2024/5/25 周六8dbm和和mw的换算的换算 将将mW转算为转算为dBm的分式的分式假设假设P为功率，单位为为功率，单位为mW，dbm=10*logP/1mW已知输入已知输入-30 dBm,求转算后为多少求转算后为多少mW-30=10*logP 即即logP=-30/10=-3 P=10-3 mW=0.001mW=1uW2024/5/25 周六9dbm和和mw的转换对应表的转换对应表2024/5/25 周六10Sensitivity vs.APD Bias VoltageAPD偏压增大时，偏压增大时，接收灵敏度越来接收灵敏度越来越好，当越好，当APD接接收灵敏度为最佳收灵敏度为最佳点时，对应的点时，对应的APD偏压不是击偏压不是击穿电压，而是比穿电压，而是比击穿电压小。当击穿电压小。当电压超过电压超过j最佳电最佳电压点越靠近击穿压点越靠近击穿电压时电压时,接收灵敏接收灵敏度越变越差。度越变越差。最佳工作点最佳工作点2024/5/25 周六11Sensitivity vs.APD GainAPD特性表特性表明明Gain并非并非越大越好，越大越好，而是在而是在Gain约为约为10左右左右时，时，APD的的接收灵敏度接收灵敏度为最佳点。为最佳点。最佳工作点最佳工作点2024/5/25 周六12APD Voltage工作区域设定工作区域设定根据根据APD的特性，的特性，Gain(M)10，Vapd Vbr时时APD的接收灵敏度为最佳。的接收灵敏度为最佳。基于考虑基于考虑APD在实际工作中的安全风险，则将在实际工作中的安全风险，则将APD的工作区域设定在的工作区域设定在 ZZZ之间之间2024/5/25 周六13APD Voltage工作区域设定工作区域设定根据根据APD的特性，的特性，Gain(M)10，Vapd Vbr时时APD的接收灵敏度为最佳。的接收灵敏度为最佳。基于考虑基于考虑APD在实际工作中的安全风险，则将在实际工作中的安全风险，则将APD的工作区域设定在的工作区域设定在 ZZZ之间之间2024/5/25 周六14了解了解APD特性后，得知特性后，得知APD偏置电压与偏置电压与Gain有相应的有相应的关系，关系，Gain并不是越大越好并不是越大越好,而是在而是在10时时APD为最佳接为最佳接收灵敏度点。收灵敏度点。M=Iop/Io Iop=M*Io在调试时，先给一定偏压后初判在调试时，先给一定偏压后初判APD最大最大Iop是多少？是多少？要求目标设定在要求目标设定在M=10，基于安全风险，根据情况会考，基于安全风险，根据情况会考虑将目标设定要虑将目标设定要M 10时，找到最佳的时，找到最佳的APD偏压。偏压。即当如果即当如果APD最大最大Iop都远远都远远10(M)*Io时，则将时，则将Gain 设为设为M=10时的电流为调试电流；当时的电流为调试电流；当APD最大最大Iop都靠都靠近于近于 10(M)*Io时，则会将调试电流减小用时，则会将调试电流减小用Gain 设为设为M=8的电流为调试电流；当如果的电流为调试电流；当如果APD最大最大Iop没有远没有远远大于又没有靠近于远大于又没有靠近于10(M)*Io时，则会将调试电流减时，则会将调试电流减小用小用Gain 设为设为M=9的电流为调试电流。的电流为调试电流。APD Voltage调试方法调试方法2024/5/25 周六15APD Voltage调试方法调试方法经过经过RD工程师对工程师对APD评估发现评估发现APD偏压比击穿电压小，偏压比击穿电压小，并给出个相应的经验值，都不会比并给出个相应的经验值，都不会比Vbr-3V大，是以将大，是以将Vbr-3V做为初判的做为初判的Vapd电压。电压。则则M=Iop/Io=Pin*R(Vapd=Vbr-3)/Pin*R(Vapd=10V)APD典型的暗电流为典型的暗电流为1.25uA，在增益为，在增益为10时接收灵敏度时接收灵敏度最佳，即最佳，即Iop=12.5uA计算计算Iop及及Io需要有一定的测试条件，如下表：需要有一定的测试条件，如下表：2024/5/25 周六16APD Voltage调试方法调试方法Parameter（参数）（参数）Symbol(符号）符号）Unit (单位）单位）Condition(条件）条件）Breakdown Voltage(击穿电压）击穿电压）VbrVId=10uA时对应的电时对应的电压压Dark Current(暗电流）暗电流）IdnAVapd=0.9VbrAPD Operation Current(工作电流工作电流)IopuAVapd=Vbr-3V，Pin=-27dBmAPD Base Current（响应电流）（响应电流）IouAVapd=10V，Pin=-27dBm，M=1Gain(增益）增益）M=Iop/Io2024/5/25 周六17在在“小功率小功率”系统中每个系统中每个dB都非常重要，特别要记住都非常重要，特别要记住“3dB法则法则”。每增加或降低每增加或降低3dB，意味着增加一倍或降低一半的，意味着增加一倍或降低一半的功率：功率：-3 dB=1/2 功率功率 -6 dB=1/4 功率功率 +3 dB=2*功率功率 +6 dB=4*功率功率 例如，例如，100mW的无线发射功率为的无线发射功率为20dBm，而，而50mW的无线发射功率为的无线发射功率为17dBm，而，而200mW的发射功率为的发射功率为23dBm，功率增加或降低相应的电流也就增加或降低。，功率增加或降低相应的电流也就增加或降低。特别了解事项特别了解事项2024/5/25 周六18Pin=-30dBm,Vapd=Vbr-3VPin=-30dBm,Vapd=Vbr-3VPin=-27dBm,Vapd=Vbr-3VPin=-27dBm,Vapd=Vbr-3V目标目标 Pin=-27dBm,Vapd=?Pin=-27dBm,Vapd=?Gain(M)IopIop工作电流工作电流Iopset1=9Iopset1=9IopIop工作电流工作电流Iopset1=18Iopset1=18IapdIapd调试电流调试电流Iapdset1=12Iapdset1=12M=10Iopset2=7.5Iopset2=7.5Iopset2=15Iopset2=15Iapdset2=11Iapdset2=11M=9Iopset3=6Iopset3=6Iopset3=12Iopset3=12Iapdset3=10Iapdset3=10M=8最初判定最初判定APD工作电流输入光功率为工作电流输入光功率为-30dBm，算出，算出Iop后，后，再折算到再折算到-27dBm时的电流找到对应的时的电流找到对应的APD调试电流。原调试电流。原因为判定因为判定APD电流与调试电压是两个工位操作，需进行对电流与调试电压是两个工位操作，需进行对比检测两个工位输入光功率的差异。比检测两个工位输入光功率的差异。之后将工位合并，便将输入光功率为之后将工位合并，便将输入光功率为-27dBm后的光电流后的光电流找对应的调试电流找对应的调试电流。不同的工作电流与对应的调试电流表如下表：不同的工作电流与对应的调试电流表如下表：2024/5/25 周六19APD Voltage的调试方法的调试方法将将APD Voltage的算法利用可编程语言的算法利用可编程语言(如如CVI、Labview）等软件的独有的功能（标准的数据）等软件的独有的功能（标准的数据采集和仪器控制）来实现。采集和仪器控制）来实现。2024/5/25 周六20APD资料资料