О временной задержке высокочастотных модулирующих сигналов в лавинных фотодиодах Текст научной статьи по специальности «Физика»

О временной задержке высокочастотных модулирующих сигналов в лавинных фотодиодах.

Григорьевский В.И. ( vig248@ire216.msk.su ), Личманов А.А., Соколовский А.А. Яковлев Ю.О.

ИРЭ РАН.

При точных измерениях временных интервалов между импульсами радиочастотной модуляции на световой несущей возникает проблема запаздывания временного отклика сигнала модуляции, в зависимости от места попадания модулированного светового излучения на фоточувствительную площадку (ф.ч.п.) фотоприемника, в частности построенного на основе лавинного фотодиода. Лавинные фотодиоды наряду с высокой чувствительностью к световому излучению обладают и высоким быстродействием и широко применяются в различного рода оптических измерительных приборах: рефлектометрах, дальномерах, локаторах и т.д. Однако, в зависимости от технологических процессов изготовления диодов, их фоточувствительная площадка оказывается существенно неоднородной по таким параметрам, как, например, чувствительность к свету и времени отклика на световой импульс.

В данной работе были исследованы 5 лавинных фотодиодов SSO-AD-500NF фирмы Silicon Sensor на однородность их фоточувствительной площадки по временному отклику. Схема экспериментальной установки показана на рис 1.

Рис 1.

Лавинный фотодиод с диаметром фоточувствительной площадки 500 мкм был помещен на расстоянии 10 см от полупроводникового лазерного излучателя

с коллимирующей оптикой, луч от которого коллимировался в точку размером 70 мкм на ф.ч.п. Фотодиод мог перемещаться в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с шагом 62.5 мкм. Лазер модулировался синусоидальным сигналом 900 МГц. С помощью гетеродинного сигнала частотой 901 МГц на смесителях 1 и 2 выделялись промежуточные частоты 1 МГц, между которыми измерялась разность фаз, а также измерялась амплитуда сигнала со смесителя 1(с помощью аналого-цифрового преобразователя, встроенного в компьютер).

Разность фаз пересчитывалась во время запаздывания сигнала отклика по известной формуле:

, (1)

где Ш- время запаздывания временного отклика сигнала,

df - разность фаз сигналов промежуточной частоты, Г - модулирующая

частота.

Результаты измерений неоднородности временного отклика фоточуствительной площадки по ее диаметральной линии для пяти фотодиодов представлены на рис.2.

Неоднородность задержки сигнала в зависимости от положения на площадке фотодиода

—1диод1 —■— диод2 —а— диодЗ —диод4 —ж— диод5

л н

о

0

1

ср ф

2

0

1

т га ср ф

I

*

ф

0

и

«

С

га

1 |_

О

120 100 80 60 40 20 0

62,5 125 187,5 250 З12,5 З75 4З7,5 положение пятна на площадке,мкм

500 562,5

Рис.2

Из рисунка видно, что диоды 1,3,5 обладают неоднородностью временного отклика около 20 псек, в то время как диоды 2,4 - около 100 псек. Для таких приборов как лазерные измерители расстояний неоднородность временного отклика в100 псек приводит к погрешности в измеряемой величине расстояния

dD=dt*c/2 = 15 мм (2)

где dD - погрешность измерения расстояния, с - скорость света в вакууме. Неоднородность временного отклика связана с технологией изготовления ф.ч.п. фотоприемника, но общая закономерность его ясна из приведенного рисунка, а именно: в центре ф.ч.п. отклик запаздывает сильнее, чем на краях, так как на

крае ф.ч.п. располагается кольцевой электрод, собирающий носители зарядов и время движения носителей к нему на крае ф.ч.п. обычно меньше, чем от центральной области ф.ч.п. Трехмерный вид неоднородности ф.ч.п. представляет собой фигуру близкую к фигуре вращения приведенной одномерной кривой.

зависимость амплитуды сигнала от места засвечивания на

площадке диода

—1диод1 —■— диод2 —а— диодЗ —к— диод4 —ж— диод5

га <4

Ч х

> н

ь о

5 С

I £

га

5

О

25 000

20 000

15 000

10 000

5 000

62.5 125,0 187,5 250,0 З12,5 З75,0 4З7,5 500,0 562,5 625,0 смещение по площадке,мкм

Рис.3

Наряду с неоднородностью временного отклика исследовалась неоднородность амплитудного отклика ф.ч.п. фотодиодов. Для этого после смесителя 1 амплитудный детектор фиксировал амплитуду принятого сигнала и направлял ее (с помощью аналого-цифрового преобразования) в компьютер. Результаты амплитудных измерений представлены на рис.3. Видно, что заметной корреляции между временной и амплитудной неоднородностью нет.

Так, например, диод 2 обладая большой временной неоднородностью, имеет сравнительно однородный амплитудный отклик и наоборот диод 1 имеет существенно неоднородный амплитудный отклик при однородном временном отклике ф.ч.п.

Таким образом, измеренные образцы лавинных фотодиодов показывают их существенное различие в поведении при отклике на импульсные и непрерывные сигналы.

Временная неоднородность исследованных фотодиодов может достигать 100 псек и это обстоятельство может существенно снизить точность многих прецизионных приборов, построенных на базе этих лавинных фотодиодов. Для обеспечения хороших точностных характеристик приборов необходим тщательный отбор фотодиодов по равномерности их фоточувствительной площадки.