PD暗電流對(duì)ROSA靈敏度的影響分析

  ICC訊 來(lái)自Sifotonics文章指出，光通信應(yīng)用中光接收組件PD ROSA的靈敏度由ROSA中PD光響應(yīng)度和ROSA的噪聲決定。ROSA噪聲包含PD的噪聲和TIA的噪聲。

  PD在反偏工作狀態(tài)下的噪聲主要是散粒噪聲，它與載流子產(chǎn)生的隨機(jī)性有關(guān)。散粒噪聲與PD工作時(shí)的總電流直接相關(guān)，而PD工作時(shí)的電流包含光電流和暗電流兩部分。

  PD的散粒噪聲iPDshot與PD光電流Iphoto以及暗電流Idark的關(guān)系如下式(1)表示：

  公式中q為電子電荷，B為ROSA帶寬。

  PD的光電流=響應(yīng)度X入射光功率，對(duì)于25G PD ROSA，我們可以假設(shè)靈敏度為-17dBm，PD響應(yīng)度為0.8A/W，則PD的光電流為20uW x 0.8A/W=16uA。

  根據(jù)公式(1)的計(jì)算可以得到散粒噪聲iPDshot與PD暗電流Idark的關(guān)系曲線如下圖：

  從上圖中可以看出，當(dāng)PD暗電流為1uA時(shí)，PD的散粒噪聲相對(duì)于暗電流為1nA時(shí)上升不到5%，因此對(duì)25G PD來(lái)說(shuō)，1uA的暗電流對(duì)PD散粒噪聲的貢獻(xiàn)小于5%。

  ROSA噪聲的另一個(gè)來(lái)源是TIA噪聲，使用等效輸入噪聲電流iTIA表示，是TIA的一項(xiàng)重要的性能參數(shù)，TIA的規(guī)格書中均會(huì)標(biāo)示此參數(shù)。PD ROSA總的噪聲iPIN-TIA有下式(2)表示:

  根據(jù)目前市面上主流TIA的參數(shù)，我們?cè)O(shè)定TIA的等效輸入噪聲電流為1.5uA RMS, 則可以根據(jù)上述公式(2)得到不同PD暗電流與ROSA的總噪聲關(guān)系如下圖：

  從圖中可以看出，當(dāng)PD暗電流小于1uA時(shí)， ROSA的總噪聲相比單獨(dú)TIA噪聲(1.5uA)，只增大了2.5%。這是因?yàn)镻D的散粒噪聲本身相對(duì)于TIA的噪聲小了接近一個(gè)數(shù)量級(jí)，因而對(duì)整體的噪聲貢獻(xiàn)很小。

  即使當(dāng)PD的暗電流達(dá)到10uA時(shí)，PD散粒噪聲的貢獻(xiàn)也只占不到4%。利用此ROSA的噪聲電流可以進(jìn)一步計(jì)算出ROSA的靈敏度，如下圖所示：

  圖中不同PD暗電流下的靈敏度計(jì)算結(jié)果顯示，即使PD暗電流在10uA時(shí)，其ROSA靈敏度和暗電流只有1nA時(shí)相比，也只劣化了不到0.1dB。而對(duì)于PD從1nA增加到1uA，ROSA靈敏度幾乎完全不變。

  從上述的計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)于25G PD ROSA，由于TIA的噪聲電流在整個(gè)ROSA的靈敏度影響因素中占了絕對(duì)主導(dǎo)地位，PD的暗電流大小對(duì)ROSA靈敏度影響已經(jīng)非常小。

  這就從理論上解釋了目前暗電流比傳統(tǒng)III-V族材料高2個(gè)數(shù)量級(jí)(1nA vs. 100nA)的Ge/Si PD ROSA的靈敏度和InGaAs材料的PD ROSA一樣甚至更好。