SU1429047A1 - Method of determining frequency characteristics of photodetecting device with avalanche photodiode - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к фотометрии и обеспечивает пЬвьппение дос товерности определени  динамических свойств фотоприемного устр-ва (ФПУ) Путем определени  частотных х-к ) и S(iw). При подаче на нгану питани  лавинного фотодиода (ЛФД) посто нного напр жени  а на вход ЛФД - оптического сигнала, мопшость которого измен етс  по гармоническому закону, определ ют частотную х-ку 8(ш) ФПУ.. При подаче на шину питани  кроме напр жени  смещени  Е, гармонического напр жени  с амплитудой UQ и час.тотой со измер ют при затемненном ЛФД частотную х-ку Sj(io), а при засвеченном Оптическим Сигналом посто нной мощности ЛФД - частотную х-ку S(iui), Частотные х-ки S,(ico) и 84(100) рассчитывают из соотношений S,(iw) - 84(iw) - 8,(сЭ), Sj(ico) « S(ito)/8 (ico). $ (ЛThe invention relates to photometry and ensures the reliability of determining the dynamic properties of a photo-receiving device (FPU) by determining the frequency x (k) and S (iw). When a avalanche photodiode (LFD) is applied to a nganu power supply to the LFD input — an optical signal whose mobility changes according to a harmonic law, the frequency x-ku 8 (w) of the FPU is determined. When fed to the power supply bus, displacement E, harmonic voltage with amplitude UQ, and time this is measured with darkened LFD frequency x-ku Sj (io), and when illuminated by an Optical Signal constant power LFD - frequency x-ku S (iui), Frequency x - S, (ico) and 84 (100) are calculated from the ratios S, (iw) - 84 (iw) - 8, (CE), Sj (ico) "S (ito) / 8 (ico). $ (L

Description

1зобретение относитс  к фотометрии и может быть использовано дл  экспериментальных исследований динамических свойств фотоприемного уст- , pofljcTBa (ФПУ), состо щего из лавин- ногЬ фотодиода (ЛФД).The invention relates to photometry and can be used for experimental studies of the dynamic properties of a photodetector device, pofljcTBa (FPU), consisting of an avalanche photodiode (LFD).

I Цель изобретени  - повьшение достоверности определени  динамических свойств фотоприемного устройства пу- Q тем, определени  частотных характеристик S|(ico) и 8,(1(4).I The purpose of the invention is to increase the reliability of the determination of the dynamic properties of the photodetector device by Q, determining the frequency characteristics S | (ico) and 8, (1 (4).

Сущность способа заключаетс  в следующем.The essence of the method is as follows.

Характеристика S(ico) определ етс  15 с помощью известного способа, при котором на вход ФПУ подают оптический сигнал, мощность которого измен етс  гармоническому закону. Характеристика 8ц(1с5) определ етс  следующим {Q образом. На шину питани  ЛФД нар ду с напр жением Е смещени  подаетс  гармонический электрический сигнал лр жени  амплитудой U и часто- 1Й СО . При этом амплитуду ) ис-25 тЬчника напр жени  поддерживают пос- тр нной и регистрируют электрический сигнал на выходе ФПУ при каждом зна- ч|ении частоты СО . Контроль амплитуды уществл ют, например, вольтмет- зо 1М, подключенным в схемы. Пусть те- :ерь на активную площадку ЛФД не юступйет оптический сигн, т.е. фо- )диод затемнен. Тогда фототок ЛФД 1авен нулю, т.е. 1 (iw) О. В том случае, измер   амплитуду сиг- (ала на выходе ФПУ дл  различных taCTOT tS. получим частотную характеристику S(ico) , дл  которой справед- 1пиво следующее аналитическое соотно- Q :Шение;The characteristic S (ico) is determined 15 using a known method in which an optical signal is fed to the input of the FPU, the power of which changes according to a harmonic law. The characteristic 8c (1c5) is defined in the following {Q way. Along with the bias voltage E, a harmonic electrical signal of amplitude U and a frequency of 1 st CO is applied to the LFD power supply bus. At the same time, the amplitude of the voltage of the reference voltage is maintained at a voltage of 25 cm and the electric signal is recorded at the output of the FPU at each value of the frequency CO. Amplitude control is applied, for example, by a 1M volt metric connected to circuits. Let te-: en on the active area of the LFD the optical signal does not operate, i.e. The photodiode is dark. Then the photocurrent LFD is equal to zero, i.e. 1 (iw) O. In that case, by measuring the amplitude of the signal (at the output of the FPU for various taCTOT tS.) We obtain the frequency response S (ico), for which the following analytical relation Q: Sewing;

S(ico)-U,(iu).,S (ico) -U, (iu).,

где - квантовый вы q - зар д электр h - посто нна  П f - частота опти и - пробивное на хода;where is quantum quantum; q is the charge of electr; h is a constant; P f is the optical frequency and is breakdown per turn;

п - коэффициент, типа полупроn - coefficient, like semi-pro

При выполнении услWhen performing services

1 с погрешностью, н  1 with an error, n

долей процента, фотот быть представлен след ем.fractions of a percent, photocell to be represented next.

) 1„. е) one". e

«cot"Cot

где I,where i

Заметим, что модул ЛФД путем модул ции е лавинного умножени  п р жени  смещени  ЛФД тот пор дка единиц ГГNote that the LFD modulus by modulating e avalanche multiplication of the LFD displacement voltage is in the order of GG units

Измер   амплитуду ходе ФПУ дл  различны получим частотную хар Sj(ito) при засвеченно дл  которой справедли аналитическое соотнощMeasuring the amplitude of the course of the FPU for different, we obtain the frequency har Sj (ito) at which the analytical ratio holds.

s,(b).u,cio) j--.(jjs, (b) .u, cio) j -. (jj

4. т f 1гЛ. 4. t f 1gL.

f i«pjjuo; ,(io)f i “pjjuo; , (io)

где Rf - внутреннее сwhere rf is internal with

источника на Пусть в интервале вьшолн етс  соотношенsource on Let in the range of ratios

ви  in and

О) 45 |«;-c;J- r,O) 45 | «; - c; J- r,

где - квантовый выход; q - зар д электрона; h - посто нна  Планка; f - частота оптического сигнала; и - пробивное напр жение перехода;where is the quantum yield; q is the electron charge; h is Planck's constant; f is the frequency of the optical signal; and - breakdown voltage of the junction;

п - коэффициент, завис щий от типа полупроводника... ,, .n is the coefficient depending on the type of semiconductor ... ,,.

При выполнении услови  /When the condition /

1 с погрешностью, не превьпвающей  1 with an error not exceeding

долей процента, фототок ЛФД может быть представлен следующим выражением .fractions of a percent, the photocurrent LFD can be represented by the following expression.

) 1„. е) one". e

«cot"Cot

(3)(3)

где I,where i

(4)(four)

Заметим, что модул ци  фототока ЛФД путем модул ции его коэффициента лавинного умножени  при изменении напр жени  смещени  ЛФД возможна до частот пор дка единиц ГГЦ.Note that modulation of an LFD photocurrent by modulating its avalanche multiplication factor when the LFD bias voltage is changed is possible up to frequencies of the order of GHz units.

Измер   амплитуду сигнала на выходе ФПУ дл  различных частот со , получим частотную характеристику Sj(ito) при засвеченном фотодиоде, дл  которой справедливо следующее аналитическое соотнощение:Measuring the amplitude of the signal at the output of the FPU for different frequencies ω, we obtain the frequency response Sj (ito) with an illuminated photodiode, for which the following analytical relation is valid:

s,(b).u,cio) j--.(jj5b;:fio) s, (b) .u, cio) j -. (jj5b;: fio)

4. т f 1гЛ. 4. t f 1gL.

f i«pjjuo; ,(io)+ 4x( (5)f i “pjjuo; , (io) + 4x ((5)

где Rf - внутреннее сопротивлениеwhere rf is the internal resistance

источника напр жени . Пусть в интервале частот OjUSg вьшолн етс  соотношениеvoltage source. Let the ratio be in the frequency range OjUSg

(6)(6)

где г фр - внутреннее сопротивлениеwhere r fr - internal resistance

генератора тока;current generator;

iff (iw)- входное сопротивление усилител .iff (iw) is the input impedance of the amplifier.

Пусть теперь на активную площадку ЛФД падает оптическое излучение мощностью Р , т.е. фотодиод засвечен. Тогда фототок ЛФД будет определ етьс  следующим выражением:. Now suppose that optical radiation of power P is incident on the LFD active site, i.e. photodiode illuminated. Then the photocurrent LFD will be defined with the following expression :.

1,„(Ь)1, „(b)

Ла.р La.r

1Г ог чч . т у ч 1 1G og hh t at h 1

где С .pj, - емкость р-п-перехода ЛФД. Тогда выражение С5) преобразуетс  к следующему виду:where C .pj, is the capacity of the pn junction of the LFD. Then the expression C5) is converted to the following form:

S. ( IQ) - и., (iu))ут-г-7 ТS. (IQ) - и., (Iu)) ut-g-7T

г„Лш)-г„,(га)g "Lsh) -g", (ha)

epuvepuv

ц. т fiM i -- ssiielc. t fiM i - ssiiel

г,(1о) Z5,,(io) g, (1o) Z5 ,, (io)

()()

На практике генераторы гармонического электрического сигнала имеютIn practice, harmonic electric signal generators have

3142904731429047

. Поэтому выражени  (5) и (7) можно считать эквивалентными в широком интервале частот.. Therefore, expressions (5) and (7) can be considered equivalent over a wide frequency range.

Если при изменении СО величина U(iu) поддерживаетс  неизменной, то второе слагаемое выражени  (7) пропорционально частотной характеристике Sj (ico) .If, with a change in CO, the value of U (iu) is kept constant, then the second term of expression (7) is proportional to the frequency response Sj (ico).

Объедин   (1) и (7), получим следующее соотношение:Comb (1) and (7), we obtain the following relationship:

S, (ico) - S(iG3) - S(ia)).S, (ico) - S (iG3) - S (ia)).

(8)(eight)

Использу  (8 дл  амплитудно-час- 15 тотной характеристики S, (оз) и фазочас- тотной характеристики Ц), (Q) получим следующие выражени ;Using (8 for the amplitude-frequency-15 volt characteristic S, (oz) and phase-frequency characteristic C), (Q) we obtain the following expressions;

S(w) - 5(0) + 84(03) - 2S(o)-S(co) . )/(a)) - (o); (9)S (w) - 5 (0) + 84 (03) - 2S (o) -S (co). ) / (a)) - (o); (9)

arctgarctg

§i(wlisin Cf,j(§I (wlisin Cf, j (

S,j (w) cosq(w) - S,(iu) S2(iu). (11)S, j (w) cosq (w) - S, (iu) S2 (iu). (eleven)

Из (11) следует, что дл  определени  характеристики S2(itO) можно использовать .следующее выражение:From (11), it follows that the following expression can be used to define the characteristic S2 (itO). The following expression:

S.Xiw)S.Xiw)

S(ico} s7(ico)S (ico} s7 (ico)

(12)(12)

Форму л а изобрет ени  Invention Formula

Способ определени  частотных характеристик фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом, заключающийс  в том, что посто нный электрический сигнал напр жени  подают на шину питани  лавинного фотодиода, оптический сигнал, мощность которого измен етс  по гармоническому закону, подают на вход фотоприемного устройства и по отношению к этому сигналу определ ют частотную характеристику S(iw) фотоприемного устройства, о тA method for determining the frequency characteristics of a photodetector with an avalanche photodiode, namely, that a constant electric voltage signal is applied to the avalanche photodiode power bus, an optical signal whose power varies according to a harmonic law, is fed to the photodetector device and in relation to this signal determine the frequency response S (iw) of the photodetector, o t

5 five

где S (Ы) ,where S (Ы),

))

амплитудно-частотные характеристики, соответствующие S(io3) и S(io);amplitude-frequency characteristics corresponding to S (io3) and S (io);

(со) Ц),(со) - фазочастотные характеристики , соответствующие S (ico)(co) C), (co) - phase-frequency characteristics corresponding to S (ico)

и S4(ico).and S4 (ico).

Из выражений (9) и (10) следует, что частотна  характеристика S, tiuO) может быть экспериментально определе на косвенным образом по измеренным значени м частотных характеристик S,(iw) и S,(ico).From expressions (9) and (10) it follows that the frequency response S, tiuO) can be determined experimentally on an indirect basis from the measured values of the frequency characteristics S, (iw) and S, (ico).

Частотные характернетик Stiu), S, (iu) , S(ico) св заны следующим соотношением:The frequency characteristics of Stiu), S, (iu), S (ico) are related as follows:

,§il i Eil}iCjiyl., §Il i Eil} iCjiyl.

84 (со) coscp4(ca)84 (co) coscp4 (ca)

(10)(ten)

00

5five

0 5 0 5

о ЧТО, сabout WHAT s

лич-ающийс  тем, целью повышени  достоверности определени  динамических свойств фотоприемного устройства путем определени  частотных характеристик S,(i6)) и Sj(ico) дополнительно на щину питани  лавинного фотодиода .подают гармонический сигнал напр жени  :и при затемненном лавинном фотодиоде определ ют частотную характеристику S(ico), а затем на вход фотоприемного устройства подают оптический сигнал посто нной мощности и по отношению к гармоническому сигналу на шине питани  лавинного фотодиода определ ют частотную характеристику S;.(icci), после чего частотные характеристики S,(ico) и 82(100) рассчитывают из следующих соотношений:aiming at increasing the reliability of determining the dynamic properties of a photodetector by determining the frequency characteristics S, (i6)) and Sj (ico), an additional harmonic voltage signal is applied to the avalanche photodiode power supply bar: and with a darkened avalanche photodiode, the frequency characteristic is determined S (ico) and then an optical signal of constant power is fed to the input of the photodetector and the frequency characteristic S is determined with respect to the harmonic signal on the avalanche photodiode power bus;. (Icci) , after which the frequency characteristics S, (ico) and 82 (100) are calculated from the following relations:

S, (ico) « 84 (ico) - S,(i{0)S, (ico) "84 (ico) - S, (i {0)

- fmT-- - fmT--

Claims (1)

Формула изобретенияClaim Способ определения частотных характеристик фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом, заключающийся в том, что постоянный электрический сигнал напряжения подают на шину питания лавинного фотодиода, оптический сигнал, мощность которого изменяется по гармоническому закону, подают на вход фотоприемного устройства и по отношению к этому сигналу определяют частотную характеристику S(iw) фотоприемного устройства, о тлич-ающийся тем, что, с целью повышения достоверности определения динамических свойств фотоприемного устройства путем определено ния частотных характеристик S₍(icO) и S₂(ico) дополнительно на шину питания лавинного фотодиода .подают гармонический сигнал напряжения и при ’ затемненном лавинном фотодиоде опре35 деляют частотную характеристикуA method for determining the frequency characteristics of an avalanche photodiode photodetector, which consists in the fact that a constant electrical voltage signal is supplied to the power bus of the avalanche photodiode, an optical signal whose power varies in harmonic law, is fed to the input of the photodetector and the frequency response is determined with respect to this signal S (iw) of the photodetector, characterized in that, in order to increase the reliability of determining the dynamic properties of the photodetector by the frequency characteristics S ₍ (icO) and S ₂ (ico) are additionally supplied to the power bus of the avalanche photodiode. They supply a harmonic voltage signal and, with a darkened avalanche photodiode, determine the frequency response S jico), а затем на вход фотоприемного устройства подают оптический сигнал постоянной мощности и по отношению к гармоническому сигналу на шинеS jico), and then an optical signal of constant power and with respect to the harmonic signal on the bus is fed to the input of the photodetector 40. питания лавинного фотодиода определяют частотную характеристику δ₄(ίώ), после чего частотные характеристики S_t(io) и S₂(iw) рассчитывают из следующих соотношений:40. The power supply of the avalanche photodiode determines the frequency response δ ₄ (ίώ), after which the frequency responses S _t (io) and S ₂ (iw) are calculated from the following relationships: s< (ίω) « δ₄(ίω) - s,(io)^s <(ίω) «δ ₄ (ίω) - s, (io) ^ S₂(i«) =S ₂ (i ") = S(iy2_ . s, (ΐω) ‘S (iy2_. S, (ΐω) ‘