ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ Katedra mikroelektroniky SEMESTRÁLNÍ PROJEKT X34BPJ

[Type text]

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ Katedra mikroelektroniky

SEMESTRÁLNÍ PROJEKT X34BPJ

2011

Petr Koukal

X34BPJ

Page 1

[Type text]

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ Katedra mikroelektroniky

Optické přijímače Semestrální projekt

Vedoucí práce: Doc. Ing. Zdeněk Burian, CSc. Student: Petr Koukal X34BPJ

Page 2

[Type text]

Úvod Progresivní rozvoj elektroniky způsobil, že zaujala výlučné místo v oblasti zpracovávání informací. Pokrok ve výrobní technologii polovodičů, ultračistých materiálů a dokonalých monokrystalů odhalil nové možnosti optických spekter záření a optických principů zpracování signálů v elektronických systémech přenosu, transformace, záznamu či zobrazení informace.

Optické principy zpracování informace skýtají na rozdíl od elektronického zpracování několik výhod, dosahují totiž vyšší kvality z hlediska rychlosti a objemu zpracované informace. Ryzí optické systémy však především z materiálních důvodů nejsou možné. Optoelektronika je technická disciplína zabývající se soustavami pro zpracování optických a elektrických signálů využitím elektronických a optických metod ve snaze vyzdvihnou jejich přednosti a potlačit nedostatky.Optoelektronické prvky využívají poznatky především z vědního oddílu fyziky-elektrooptiky a teoretické elektrotechniky.Optické záření pak buď nese informaci,nebo slouží k zprostředkování požadované transformace, záznamu či zobrazení informace.

Optické přijímače 1. Transimpedanční přijímač: Tranzistor JFET potlačuje vliv vstupní kapacity zesilovače. Tranzistor JFET

obr.1 Vysokoimpedanční přijímač simulace v programu Orcad 9.2.3

2 Vysokoimpedanční optoelektronický přijímač

X34BPJ

Page 3

[Type text]

obr.1 Principiální zapojení transimpedančního přijímače

obr.2 Transimpedanční přijímač simulace v programu Orcad 9.2.3

X34BPJ

Page 4

[Type text]

Šumy šumy na detektoru: Název šumu

1/ f



Výstřelový (detektory s přechodem) Generačně rekombinační (fotorezistor)

Tepelný Johnsonův

X34BPJ

Příčina Zejména výměna nábojů mezi objemem a povrchovými stavy; výměna nábojů na energetických hladinách uvnitř zakázaného pásu-hluboké úrovně Náhodný průchod nosičů náboje rozhraním Náhodná generace a rekombinace nosičů náboje

Fluktuace náboje telepným pohyben nosičů náboje

Způsob odstranění Matematický popis Dokonalá pasivace povrchu, potenciálová bariéra u povrchu; vertikální optimalizacestruktury bezdislokační polovodič pracovat s kmitočtny nad bodem zlomu

Nelze

Nv  2qe  iBR

Pracovat s kmitočty nad kmitočtem zlomu

N gr  2 N

f 

1

0 1 U 1  2 Nv 0 2 d 1  0 d 1   2 0

2

kde  je doba života nosičů náboje Snížení teploty

N  4kTB

Page 5

[Type text]

Náhradní lineární obvody pro řešení šumových poměrů M NLO TRANSIMPEDANČNÍ OPTICKÝ PŘIJÍMAČ

NLO VYSOKOIMPEDANČNÍ OPTICKÝ PŘIJÍMAČ

Náhradní lineární obvody pro řešení dynamických poměrů X34BPJ

Page 6

[Type text]

NLO TRANSIMPEDANČNÍ OPTICKÝ PŘIJÍMAČ

NLO VYSOKOIMPEDANČNÍ OPTICKÝ PŘIJÍMAČ

X34BPJ

Page 7

[Type text]

Optimalizace šumových poměrů: I.Přijímač s lavinovou fotodiodou II.Koherentní přijímač III.Přijímač s optickým předzesilovačem

Přijímač s lavinovou fotodiodou:

Výpočty Minimální výkon detekovatelný ideálním detektorem:

Psid  2  h   SNR  B Minimální výkon detekovatelný lavinovou fotodiodou:

PsAPD 

1 Psid * FAPD 2 

1  B   m2  * 1  NlasSNR 2  1  1  2 m   SNRFAPD  

 4  k T 2  iTM  FAPD    Rz  M 2  B  q 2 B  qe e 

  1  Nlas SNRB    m2    

Nastavení M pro minimální detekovatelný výkon:

M optim 

2 x

4  k B  T  Gek P  x  qe  opt   qe  itM  i poz   h  

Hodnota x ve firemním katalogu není uváděna – odhad z katalogových údajů:

   qe  2  qe  iTM  B NEP 2   1 h   M2  x  ln   qe   ln M 2  qe  B NEP  iTM  h    X34BPJ

Page 8

[Type text]

M

 apd  PN

   PN

1.24



Konstanty

qe h kB

název Elementární náboj

hodnota

Planckova k.

6.63  1034 Js 1.38  1023 JK 1

Boltzmanova k.

poznámka

19

1.6  10 C

Výpočet pro konkrétní lavinovou fotodiodu: Parametr

Hodnota

 PN  APD

0.3 AW

ITM ITN

75 AW 1 1MHz 13 pW / Hz0.5 50nA 0

Rek

1,10,100, 1k,10k,100k

N las

0

B NEP

M

Název

1

Pracovní odpor

 apd 75   250  PN 0.3

   PN

1.24





1.24  0.3  0.372 1

Kde  je kvantová účinnost Pak odhadneme parametr x jenž není v katalogu:

X34BPJ

Page 9

[Type text]

   qe  2  qe  iTM  B NEP 2   1 h   M2  x  ln    qe   ln M 2  qe  B NEP  iTM  h    .372 1.6 10 13 10   60.63 10  3 10

19

12 2

ln



34

8

  

1  1,982979113 19 19 6 12 0.372 1.6 10 9  ln 250 2 1.6 10 10 13 10  50 10  6.63 10 34  3 108  

V PŘÍLOZE A NA MÉM WEBU JE EXCELOVSKÝ SOUBOR URČENÝ PRO VÝPOČET PARAMETRU X

M optim 

X34BPJ

2 x

4  kb  T  Gek P  x  qe  opt   qe  itM  i poz   h  

Rek 

M opt

1 10 100 1k 10k 100k 1M

60 31 15 8 4.2 2.1 1

Page 10