Detection of performances and noise of APD detector module
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摘要: 为了实现可见光通信系统的探测器模块微小型化，设计并制作了一款50 cm3的温控APD探测器模块，并对模块的稳定性、温控效果和噪声特性进行了检测。结果表明，APD探测器模块的光电流测量平均相对偏差为0.795%；APD探测器的雪崩增益和响应度随着温度的降低而提高；APD探测器电阻的变化影响负载电阻分压，使得过剩噪声因子的测量值远大于真实值，且会随着入射光功率的增大而增大。可以得出结论：提高反向偏置电压与降低温控温度相配合，更有利于弱光信号检测；检测电路中的负载电阻影响APD探测器噪声特性。Abstract: In order to realize the miniaturization of the detector module of visible light communication system, a 50 cm3 temperature-controlled avalanche photodiode (APD) detector module was designed and fabricated, and the stability, temperature control effect and noise characteristics of the module were tested. The results show that the average relative deviation of photocurrent measurement of APD detector module is 0.795%; the avalanche gain and responsivity of APD detector increase with the decrease of temperature; the change of the resistance of the APD detector affects the load resistor divider so that the measured value of the excess noise factor is much larger than the true value and increases as the incident light power increases. It can be concluded that increasing the reverse bias voltage in combination with lowering the temperature control temperature is more conducive to weak light signal detection; the load resistance in the detection circuit affects the noise characteristics of the APD detector.
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Keywords:
- APD detector module /
- avalanche gain /
- responsivity /
- excess noise factor
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引言
近年来，随着LED照明光源的发展，可见光通信(visible light communication，VLC)由于具有良好的发展前景而备受关注[1]。然而，VLC的商用化，必须解决自身的小型化、宽带、弱光信号接收以及双向通信等关键问题。在双向通信中，由于雪崩光电二极管(avalanche photodiode，APD)具有内部增益，其产生的光电流往往比PIN光电二极管的大一个数量级以上[2]，因此APD已被广泛应用于光通信领域的微弱光信号的高速通信[3]。目前，APD的研究主要集中在结构研究[4]、性能研究[5]和单光子探测器研究[6-8]，但对于APD应用较少涉及。
通常，大多数用于研究的检测平台都是搭建在特定的实验室，实验条件比较稳定，很少考虑APD模块的安装尺寸、工作环境对它的影响以及自身的散热问题，但是实验表明不同的温度会影响APD的雪崩增益、响应度等性能参数[9]。相比之下，大部分研究者都只专注于研究检测方法[10-11]，不断改进检测方法和搭建不同的检测系统[12-13]，但对整个检测及应用模块缺乏改善，不利于VLC的推广和发展。
本文设计制作了一种能恒温控制的APD探测器模块，整个模块结构紧凑、小巧实用，方便APD探测器性能参数的检测以及实际VLC系统中的安装使用。在自制探测器模块的基础上，本文测量其稳定性并进行恒温控制探究温度对APD的影响，更进一步研究了负载电阻对噪声检测的影响，为下一步研究高频APD的性能参数打下了基础。
1 探测器模块
作为VLC接收端探测器模块，为了使探测器便于拆装、更换和检测，同时小巧易用，APD探测器模块结构设计尺寸为41 mm×43 mm×28 mm，如图 1所示。
2 测量原理
2.1 基本参数的测量原理
APD的两个基本性能参数[14]分别为：雪崩增益(M)和响应度(R)
$$ M=\frac{I_{p}-I_{d}}{I_{\rho 0}-I_{d 0}}, R=\frac{I_{\rho}}{P} $$ (1) 式中：Ip为不同反向偏置电压下的光电流；Id为对应的暗电流；Ip0为M=1时的初始光电流；Id0为初始暗电流；P为入射光的光功率。
APD探测器模块的稳定性通过检测APD的基本性能参数来验证。实验仪器：数字源表(Keithley 2450)；MW-RRL-635光纤激光器，峰值波长为635 nm±5 nm，入射光功率设定为5.086 μW；日本滨松光子学的S12053-02硅基APD(APDs)。
2.2 过剩噪声因子的测量原理
由于碰撞电离过程的随机性，APD的雪崩增益会产生涨落，该涨落会引入过剩的噪声，称为过剩噪声因子，并且与雪崩增益呈正相关[15]。根据中国人民共和国电子行业标准SJ/T2354-2015，可以推导得到APD的过剩噪声因子的表达式[14]：
$$ F=\frac{V^{2}}{2 q I_{\rho 0} M^{2} R_{L}^{2}} $$ (2) 式中：V为APD的噪声电压谱密度($V / \sqrt{H z}) $)；q为电子电量；M为雪崩增益；RL为负载电阻。搭建的噪声测量系统如图 2所示。数字源表(Keithley 2450)为APDs提供反向偏置电压；信号发生器调制激光器，经过调制的光入射到APDs，负载电阻(RL=50 Ω)将电流转变成电压；负载电阻上的电压经过低噪声放大器(CLC-9K3G-3225-S)放大，再由频谱分析仪(RIGOL DSA832E)的噪声光标锁定某一远离调制信号的频率(42.1 MHz)测量噪声电压谱密度V；电子频谱分析仪锁定调制频率(10 kHz)测量负载电阻两端的电压值，计算得到初始光电流Ip0和雪崩增益M。
3 实验结果与分析
3.1 探测器模块的稳定性和温控实验
选取APD雪崩增益M=1时的初始光电流作为评定参数，在室温条件下连续拔插光纤接口3次进行测量，得到重复测量平均相对偏差为0.795%，说明该模块的稳定性较好。
室温条件下，探测器模块恒温控制为27.1 ℃±0.05 ℃、24.5 ℃±0.30 ℃和20.4 ℃±0.15 ℃，测得光电流后计算得到响应度和雪崩增益曲线，如图 3所示。当反向偏置电压大于110 V时，温度对APDs输出光电流的影响逐渐增大，说明反向偏置电压在逐渐接近反向击穿电压时，探测器模块的温度越低雪崩增益越大。
3.2 过剩噪声因子
图 4是噪声电压谱密度及数字源表测量得到的APDs电阻随反向偏置电压的变化。当反向偏置电压为0 V~40 V时，APDs电阻逐渐增大，导致负载电阻上的分压逐渐减小，过剩噪声电压的增加量小于负载电阻电压的减小量，造成噪声电压谱密度逐渐减小；当反向偏置电压为40 V~128 V时，APDs电阻逐渐减小，导致负载电阻上的分压逐渐增大，由此增加了额外的噪声电压谱密度。最终测量得到的电压谱密度既含有APDs产生的噪声电压谱密度，又包含负载电阻分压变化引入的噪声电压谱密度。因此可以预见在噪声电压谱密度逐渐减小的区域内测量得到的过剩噪声因子相比真实值偏小，在逐渐增大的区域测量得到的过剩噪声因子则比真实值偏大。
图 5实验结果显示APDs电阻随着入射光功率的增大而减小。
图 6实验结果显示在相同的雪崩增益下，过剩噪声因子随着入射光功率的增大而增大。因为入射光功率越大会使APDs电阻越小，从而负载电阻上的分压会越大，测量得到的噪声电压谱密度也会越大，进而计算得到的过剩噪声因子也会越大。同时根据McIntyre模型[15]对图 6中的3组结果进行线性拟合得到斜率k(碰撞电离系数比)，其中最小的是k=0.988，远大于APDs公认的值[4](k＜0.1)，这也进一步说明在APDs过剩噪声因子的测量过程中，APDs内阻的变化影响负载电阻上的分压，使得测量值远大于真实值。
4 结论
设计制作了一种VLC系统用APD探测器模块，尺寸为41 mm×43 mm×28 mm。其光电流的相对平均偏差为0.795%；在恒温实验中，结果表明APDs的基本性能参数随着温度的降低而提高。因此在实际应用中，通过提高反向偏置电压与降低温控温度相配合，更加有利于弱光检测。在APDs的过剩噪声因子测量过程中，由于APDs的电阻随着反向偏置电压和入射光功率的变化而变化，影响负载电阻上的分压，使得过剩噪声因子的测量值远大于真实值，且会随着入射光功率的增大而增大。该问题的发现有助于改进APD的过剩噪声因子的检测方案，并为制定相关标准提供参考。
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