Спектральная чувствительность.Чувствительность на единицу
интервала длин волн на данной длине волны называется спектральной
чувствительностью ФД. На рис. 6.1-1 и 6.1-2 показаны нормализованные типовые
чувствительности для различных типов ФД, откуда видно, что кремниевые ФД
эффективны в диапазоне коротких волн 500-1000 нм, а в области длинных волн
эффективны германиевые и InGaAs ФД. Германий можно рекомендовать для измерения
мощности в относительно узком спектре в диапазоне длин волн 1300-1550 нм. Так в
диапазоне длин волн 1550 нм германиевый ФД имеет погрешность 1%/нм. В отличие
от них InGaAs ФД существенно меньше зависят от длины волны в районе 1550 нм
(погрешностью менее 0,1%/нм), что важно при измерениях на ОУ типа EDFA (в
диапазоне 1525-1570 нм).
Термостабилизация.
Чувствительность германиевого ФД имеет относительно небольшую температурную
зависимость для большей части диапазона длин волн, в то время как выше 1550 нм,
наблюдается значительная температурная зависимость. Ее можно описать, как
смещение верхней критической длины волны с коэффициентом приблизительно 1 нм/К.
Примерно такое же смещение можно наблюдать в InGaAs ФД в районе 16 50 нм. По
этой причине измерители мощности с термостабилизированными фотодиодами имеют
лучшую воспроизводимость результатов измерений.
Пространственная однородность.
В связи с неоднородностью п/п структуры чувствительность ФД может изменяться в
разных точках его поверхности, а это приводит к погрешности измерения, так как
в процессе измерения положение и диаметр падающего луча, как правило, не
контролируются. Данный фактор особенно сказывается при измерениях на
многомодовом волокне, где наблюдается существенное изменение распределения
мощности в поперечном сечении волокна.
Диапазон измерения и
нелинейность.
Одним из серьезных ограничений точности при измерении оптической мощности в
широком динамическом диапазоне является нелинейность функции преобразования
измерителя, которая может быть вызвана как нелинейностью ФД, так и его
электронной схемы. Считается, что ФД имеют высокую линейность в диапазоне шести
и более декад оптической мощности, однако существуют три фактора, сужающие этот
диапазон – это уровень шума, сверхлинейность на средних уровнях и насыщение на
высоких уровнях мощности. Нелинейность электронной схемы в свою очередь может
быть обусловлена нелинейностью усиления сигнала на низких и высоких уровнях
мощности, а также нарушением непрерывности диапазона измерения при
переключениях диапазона измерения, что вызвано отличием коэффициентов усиления
усилителя тока ФД на различных диапазонах измерения.
Нижняя граница диапазона измерений мощности обычно ограничивается темновым (в отсутствие
излучения) током ФД. Его значение зависит от площади активной области и
параметров п/п материала ФД. Так ФД из InGaAs имеют значение темнового фототока
в 100 раз ниже, чем германиевые ФД. Темновой ток приводит к возникновению
дробового шума, характеризуемого средним квадратом шумового тока in,
пропорциональным темновому току IT и эквивалентной полосе частот шума Dfn и не зависящим от частоты.
Рассчитанное на его основе отношение сигнал/шум равно:
На рис. ниже приведен пример
зависимости от уровня измеряемой мощности, при значении темнового тока ФД,
равном 1,5 мкА (типовое значение для германиевого ФД диаметром 5 мм при 250С)
и Dfn = 100 гц. Как видно из приведенной зависимости, при низких уровнях
мощности возрастает линейно, а при высоких уровнях мощности – нелинейно. Такой
характер объясняется ростом уровня шума с увеличением оптической мощности.
Следовательно, улучшения отношения сигнал/шум можно добиться путем уменьшения
темнового тока, что достигается охлаждением и ограничением активной области
фотодиода, а также увеличением времени усреднения.
Влияние других эффектов: нарушение непрерывности диапазонов измерения и эффект
“суперлинейности” ФД.
Оптические отражения и
интерференция.
Как было отмечено выше, ФД обладают коэффициентом отражения, достигающим 30%,
что вызывает проблемы измерений абсолютной мощности и вносимых потерь в связи с
возникновением множественных отражений и оптической интерференции. Это является
основной причиной применения в фотодиодах антиотражательных покрытий, например,
диоксида кремния на германиевых фотодиодах и нитрида кремния на фотодиодах
InGaAs . В результате их применения значение коэффициента отражения снижается
до 1-10% в зависимости от длины волны измеряемого излучения. Так, при
однослойном антиотражательном покрытии из нитрида кремния с толщиной в четверть
длины волны коэффициент отражения на l=1310 нм, l=1550 нм иl=1625 нм составляет
приблизительно 3%, 8% и 9%, соответственно. Очевидно, что отражательная
способность разных фотодиодов существенно отличается, причем, небольшие
изменения толщины слоя полупроводника будут изменять значения коэффициента
отражения в зависимости от длины волны.
Другой причиной возникновения отражений и оптической интерференции может быть
плоский стеклянный наконечник, который обычно покрывает корпус фотодиода и
выступает как резонатор. Следовательно, в измерительных целях необходимо
избегать использования стеклянных наконечников с очень хорошей оптической
поверхностью, а для снижения двойного отражения оптического интерфейса и самого
фотодиода адаптер последнего должен быть покрыт с внутренней стороны
антиотражательным покрытием, а на отражательном конце коннектора должна быть
установлена диафрагма.
