锗_雪崩光电二极管对快速光脉冲响应时间的研究

锗_雪崩光电二极管对快速光脉冲响应时间的研究 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 锗_雪崩光电二极管对快速光脉冲响应时间的研究 ?? 第26卷第4期2010年8月 德州学院学报 JournalofDezhouUniversityVol.26,No.4 ?? Aug.,2010 锗-雪崩光电二极管对快速光脉冲响应时间的研究 郑贵金,张艳鹏,苏宝林,冷廷武 (绥化学院物理系,黑龙江绥化??152061) ????摘??要:基于P+n平面结构Ge-APD的工作原理,介绍了采用Ge-APD作为光电转换器件,并配以微带电路和取样技术来测量Ge-APD对快速光脉冲响应时间的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 . 关键词:锗-雪崩光电二极管;微带电路;取样 中图分类号:TN710????文献标识码:A????文章编 号:1004-9444(2010)04-0015-04 端加上一反向偏置电压(近于雪崩击穿)的光电敏感 0??引言 利用皮秒电脉冲来测量高速电子学器件的响应时间是近代物理实验中快速光脉冲测试技术的一种应用. 光通讯中,石英光纤在1.0~1.6??m波长范围的良好传输性能(传输—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 损耗小,色散近乎为零),刺激了长波长光源和探测器的发展,从而产生了具有高灵敏度、低噪声且响应速度快的P+n型平面结构锗-雪崩光电二极管(Ge-APD).Ge-APD在光通讯和光检测技术中是最为适宜的光电探测器之一,测量和研究Ge-APD对快速光脉冲的响应时间显得很有必要. 值得一提的是:系统中选用测量示波器时,虽然满足测试条件的带宽在2GHz以上的通用示波器,但其价格昂贵,观察效果却不很理想.因此,则采用性能价格比较好的国产SQ10型取样示波器作为测量仪器. 器件.当信号照射在光敏面上时,因半导体内光的吸收,耗尽层及其附近产生了电子-空穴对.这些电子-空穴对在高电场作用下,将相反方向运动,同时被加速,产生雪崩电离效应,从而得到成倍增加的碰撞、电离的电子-空穴对,被两端电极收集,在外电路形成较大的倍增电流,并随入射光的强度相应变化(线性变化动态范围大,又有极高速的响应),于是,实现了光电转换. 2??Ge-APD对快速光脉冲响应时间 测试线路的设计和分析 ????响应时间是表征Ge-APD对快速光信号反应快慢的重要参数.它取决于载流子在P+区的扩散时间、耗尽层的渡越时间(即漂移时间)和器件的时间常数. P+n平面型Ge-APD结构,根据理论[3]可计算出Ge-APD器件的响应时间T为555ps.Ge-APD器件的响应时间用脉冲响应半宽度表示,则T半为200~300ps. —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 为使测试线路具有严密的可靠性,较小的分布电容,易集成化,采用了微带电路结构(又称参数型 1??Ge-APD的基本工作原理 锗-雪崩光电二极管是指在Ge的P-n结两 收稿日期:2010-07-05 基金项目:绥化学院科学技术研究项目(K1002001) 作者简介:郑贵金(1962-),男,副教授.主要从事电子技术方面的研究工作. 16德州学院学报??????????????????????????????第26卷?? 度,固有上升时间小于0.05ns.为防止输出信号反射,配有50特性阻抗作为终端.因此,整个测试系统都采用50阻抗匹配.在Ge-APD把光脉冲信号i(t)转变成电脉冲信号u(t)后,即采用取样技术来测量快速脉冲的波形和宽度. 取样就是从原始数据中取出少量的样品,经信息的处理过程,最后表达出原始数据的特性.取样示波器是利用取样技术把高频高速信号转换成低频低速信号,再由普通示波器来显示波形的测量仪器(要 -2 集成电路,它包含按设计图形印制在介质基片一面的导体带条和另一面的金属接地极,有较高的电路质量). 由于微带线的场结构属于半开放性的,工作频率提高,将引起显著的辐射损耗.如采用缩小微带线横截面积及选用高介电常数的介质基片,使之远小于波长,就可改善辐射损耗.根据分析,计算选用的玻璃纤—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 维板介质基片的介电常数和微带线宽度.介电常数??r由下式决定 ??r=14.4??h/D ??100/C4 式中,h为纤维板介质基片厚度(测得h=0??14cm,D为被测样品的直径(D=6cm),C4为被测样品电容量(测得C4=1.588??F). r=3.526pF/cm把有关参数代入上式得:?? 显示的波形不是连续测量的,而是在有关间隔上测量信号振幅的离散抽样;为使信号连续出现在阴极射线轨迹上,信号以所需的取样重复几千次,才重新合成为完整的波形). 在对快速光脉冲响应时间测量中,要使被测信号与取样脉冲之间有严格的时间同步,这是一般的宽带示波器不能做到的.作为本系统中使用的SQ10型取样示波器满足以下条件:示波器带宽的上限频率大于被测信号频率:示波器固有上升时间tr小于被测脉冲前沿(上升沿)时间trs/3,即trs<trs(在实际测量中如不能满足,可按修正公式: 3tr0= rS-tr来计算准确的响应时间即脉冲上升 另,微带线阻抗Z由下式决定Z= -0.0724 r??1+1.735??r h 式中:h为介质基片厚度,??r为介质基片介电常数,W为微带线宽度.在阻抗为50??系统中,代入有关参数, —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 得W=2.6mm,微带电路是一个包括微带线、屏蔽盒、Ge-APD器件、同轴连接转换装置组合成一体的完整结构.Ge-APD脉冲响应时间测试线路(见图1)基本分为快速光脉冲信号的形成、光电转换、取样测量三个部分. 时间tr0);示波器的输入阻抗是50??.SQ10取样示波器带宽:DC~1GHz,固有上升时间:tr>350ps,输入阻抗:50??. 测试线路中,取样示波器采用外触发同步输入方式,连接中配以50??终端和连接三通:50??终端用于同轴电缆传输线(SYV-50-5型)的阻抗匹配,并能减小驻波系数和脉冲高频分量的衰减:连接三通是外触发信号的引导装置,信号通过后被衰减20dB.由于取样示波器外触发信号来自毫微秒低频信号发生器,信号源固有脉冲半宽度是2.5ns,而Ge-APD器件的脉冲响应半宽度在0??2~0??3ns,将造成宽脉冲触发,影响Ge-APD的响应特性.在测量前,必须先选择信号源中形成电缆长度来确定输出信号的合适脉宽.在取样示波器处于信号直接外触发输入的工作状态下,使脉冲幅度相同时,比较不同形成电缆长度(16cm,2cm,1cm)的输出脉宽. 读出的脉冲幅值为1.2V.经比较可知随着形成电缆长度缩短,脉冲上升时间不变,脉冲半宽度和 图1??Ge-APD对脉冲响应时间的测试线路原理 快速光脉冲信号(脉宽小于1ps)是用In-GaAsP半导体激光器(J7102型)获取的.激光峰值波长??P为1.27??m;在200mA的工作电流下,器件的出纤功率到1.8mW,固有上升时间达450ps;在240mA的工作—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 电流下,????<0??3pm光谱半宽度????<0??3pm.激光器外壳接正极,输入不同的偏压时,则输出不同功率、稳定的光脉冲序列. 激光器偏压是由MFD-IA毫微秒低频信号发生器供给,改变信号发生器中形成电缆长度,可改变激光脉冲宽度.信号源有毫微秒数量级输出脉冲宽 ??第4期??????????????郑贵金,等:锗-雪崩光电二极管对快速光脉冲响应时间的研究脉冲下降时间变窄;当形成电缆长度L??2cm时,脉宽变窄趋缓. Ge-APD对快速光脉冲响应时间的测量测试条件:环境温度27??C,工作反向偏压:30V,激光器工作偏压:24V,信号源输出脉宽随形成电缆长度而定,脉冲重复频率:300Hz. (a):脉冲上升时间T上=450ps;脉冲半宽度T半=2.5ns;脉冲下降时间T下=850ps.(b):T上=450ps;T半=800ps;T下=600ps.(c):T上=450ps;T半=700ps;T下=500 ps 17 形成电缆长度取2cm,实际测得脉冲上升时 间:trs=1cm??500ps/cm=500ps,代入修正公式,得:t0=354ps. 测得脉冲响应宽度(即半宽度)tW=1.4cm??500ps/cm=700ps. 测得脉冲下降时间t下=0.8cm??500ps/cm=400ps. 形成电缆长度取1cm:trs=1cm??500ps/cm=500ps t0=354ps,测得tW=1.3cm??500ps/cm=650ps,测得t下 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ =0.7cm??500ps/cm=350ps 在本测试条件下,测得Ge-APD对快速光脉冲的响应时间是354ps,由于外触发信号与被测脉冲信号严格同步,它不随形成电缆长度变化;当形成电缆长度分别为2cm,1cm时,测得脉冲响应宽度 图2??Ge-APD对快速光脉冲响应时间测量的系统连接框图 分别是700ps、650ps,测得脉冲信号的下降时间分别是400ps、350ps.脉冲响应的宽度是随形成电缆减短而变窄.如能选择更合适的形成电缆长度,脉冲响应宽度就会有一个最佳值. 由于连接测试系统各部分的同轴电缆型号不可能完全一致(如取样示波器中50??延迟线为SFF-50-3,传输线有SYV-50-5等.主要指其直径和填充的介质),引起高频分量衰减也不一样,造成被测脉冲信号后沿出现失真,并不能严格同步,使测得的脉冲下降时间随被测信号脉宽而变.Ge-APD实际工作环境温度偏离了室温,影响器件响应特性,会给测量结果带来误差.进一步完善测试系统可减少高频分量的衰减,选择更适合器件响应特性的形成电缆长度,将给Ge-APD对快速光脉冲响应时间的测量带来更好的效果. 选用的Ge-APD参数:暗电流ID<1??A,反向击穿电压VB>30V,光电倍增因子M>5,量子效率??>70%,光谱响应范围1.0~1.6??m. 设置毫微秒低频信号源,SQ10取样示波器初始状态.MFD21A毫微秒信号发生器初始化如 触发方式:内触发偏置电压:0~200V脉冲形成电缆:L??2cm极性选择:正脉冲校正工作选择:工作电源开关:关 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ SQ10取样示波器初始化如下:通道选择:A触发方式:外触发X轴作 用选择:正常Y轴灵敏度:5mV??cm????X轴扫描时间:500PS??cm稳定 度:自激发状态取样密度:5~10点??cmX轴扫描延时:7.5ns 按图2连接系统,进行测量.取样示波器测得脉冲响应时间是用脉 冲的上升时间来表述. 测量结果: 参考文献: [1]清华大学微带电路编写组.微带电路[M].北京:清华 大学出版社,1996. [2]王家骅,李长健,朱文成.半导体器件物理[M].北京: 科学出版社,1998. [3]吕斯骅,朱印康.近代物理实验技术[M].北京:高等教 育出版社,1997. [4]尚世铉,等.近代物理实验技术(??)[M].北京:高等 教育出版社,1999. 18德州学院学报??????????????????????????????第26卷?? MeasurementofGe-APDQuickOpticalPulseResponseTime ZHENGGui-jin,ZHANGYan-peng,SUBao-lin,LENGTing-wu (DepaartnentofPhysics,SuihuaUniversity,SuihuaHeilongjiang??152061,Ch ina) —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ Abstract:TheoperationalprincipleofGe-APDwasintroduced.ThemeasurementofGe-APDquickopt-ical-electrictransducer,microbandcircuitandsamplingtechniquewerepresented. Keywords:Ge-APD;microbandcircuit;sample (上接) BayesianEstimationofParetoDistributionParameter undertheSquareLossFunction LIYan-ying (DepartmentofMathematics,BaojiArtandScienceCollege,BaojiShaanxi721007,China) Abstract:ThisarticlehasmainlydonethefollowingaspectsofworktotheParetodistribution:Underthesquarelossfunction,gavetheBayesianestimationofParetodistributionparameter,andhadproventhatthisestimationwasmayallow. Keywords:Paretodistribution;squareloss;Bayesianestimation;admissibility ——————————————————————————————————————