Photodiode pour Répéteur Optique Sous
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Master STPI-EEA M2IUP GEII Spécialité OPTOELECTRONIQUE, HYPERFREQUENCE, SYSTEMES DE TELECOMMUNICATION tel: (33) 04 67 14 93 13 fax: (33) 04 67 54 71 34 PROJET INITIATION RECHERCHE/DEVELOPPEMENT UMSII309 Master M2 IUP GEII Spécialité : OPTOELECTRONIQUE, HYPERFREQUENCE, SYSTEMES DE TELECOMMUNICATION 1. Parcours Optoélectronique Ou 2. Parcours Systèmes de Télécommunication soutenu le 21/02/2006 par Mrs BRADTKE Romain - KAYAIAN Jean devant le Jury : B. ORSAL : Président M. LAFAGE X.BERTHOMME F. GENTY Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Sommaire Table des Illustrations .......................................................................................................................................... 3 I. INTRODUCTION ............................................................................................................................................. 4 II. Enjeux de la Transmission Optique ............................................................................................................... 5 III. Détails d’une Transmission Optique Haut Débit......................................................................................... 6 III.1 L’émetteur optique : le LASER ........................................................................................................... 7 III.2 Le modulateur Mach ZENDER ........................................................................................................... 7 III.3 La fibre optique.................................................................................................................................... 8 III.4 Dispersion Chromatique et FCDC ....................................................................................................... 8 III.5 L’AOFD............................................................................................................................................... 9 III.6 Le répéteur optique .............................................................................................................................. 9 III.6.1. La Réception.................................................................................................................................... 10 III.6.2. La Régénération .............................................................................................................................. 10 III.6.3. La Réémission.................................................................................................................................. 11 IV. CAHIER DES CHARGES........................................................................................................................... 12 V. Etude théorique du phénomène d’avalanche par ionisation par impact................................................... 14 V.1. V.2. Ionisation par impact.......................................................................................................................... 14 Photodétecteur à avalanche................................................................................................................ 16 VI. Etude du Bruit de la photodiode avalanche ............................................................................................... 19 VI.1. VI.2. VI.3. VI.4. VI.5. VI.6. VI.7. VI.8. VI.9. Définition du bruit.............................................................................................................................. 19 Origines physique du bruit................................................................................................................. 19 Bruit thermique .................................................................................................................................. 19 Bruit de Génération-Recombinaison.................................................................................................. 20 Bruit de grenaille................................................................................................................................ 21 Bruit en 1/f ......................................................................................................................................... 21 Bruit de multiplication ....................................................................................................................... 21 Bruit de la source : Bruit du laser....................................................................................................... 23 Bilan des bruits de la photodiode avalanche ...................................................................................... 24 VII. Caractérisation expérimentale des composants........................................................................................ 25 VII.1. Précautions de mesure à prendre :...................................................................................................... 25 VII.2. Mesure du courant d’obscurité........................................................................................................... 25 VII.2.1. Schéma du montage de mesure....................................................................................................... 25 VII.2.2. Rappel de la Structure de la photodiode APD................................................................................ 26 VII.2.3. Résultat expérimentaux du courant d’obscurité en fonction de la tension inverse......................... 27 VII.2.4. Résultat expérimentaux de la résistance dynamique en fonction de la tension inverse.................. 29 VII.2.5. Résultat expérimentaux de la densité spectral de bruit en fonction du courant d’obscurité .......... 29 VII.3. Mesure de la densité spectrale de bruit en courant à l’obscurité de la photodiode 2.......................... 31 VII.2.1. Schéma du montage de mesure....................................................................................................... 31 VII.2.2. Détermination de la densité spectrale de bruit en courant à l’obscurité ....................................... 31 VII.2.3. Relevé de la densité spectrale de bruit en courant de l’APD 2 ...................................................... 32 VII.4. Détermination de la puissance minimum détectable l’APD 2............................................................ 32 VII.5. Conclusions sur les mesures. ............................................................................................................. 34 VIII. Conclusion générale................................................................................................................................... 35 Bibliographie ....................................................................................................................................................... 36 2/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Table des Illustrations Figures et Schémas : Figure III-1: Liaison point à point WDM amplifiée optiquement........................................................................... 6 Figure III-2: Interféromètre de Mach-Zender ......................................................................................................... 7 Figure III-3: AOFD................................................................................................................................................. 9 Figure III-4: Schéma de la partie électronique d' un régénérateur 3R.................................................................... 10 Figure III-5: Amplificateur Transimpédance ........................................................................................................ 11 Figure V-1 Illustration de la multiplication par ionisation par impact. Poour un électron primaire entrant à x=0, Mn électrons sortent à w.............................................................................................................................. 14 Figure V-2 Structure des bandes d’énergie dans une photodiode PIN polarisée en inverse. ................................ 16 Figure VII-1 Structure simplifié de la photodiode APD InP/InGaAs en polarisation Inverse .............................. 26 Figure VII-2 Résistance dynamique de la photodiode APD 1&2. ........................................................................ 29 Figure VII-3 Densité spectrale de bruit en courant à l’obscurité. ......................................................................... 30 Figure VII-4: Etude du bruit en courant................................................................................................................ 31 Tableaux : Tableau IV-1- Paramètres constructeurs des Photodiodes Avalanches................................................................. 13 Tableau VI-1 - Récapitulatif des Bruits de la Photodiode Avalanche................................................................... 24 Courbes : Courbe III-1: Rapport Signal à Bruit en fonction du flux optique reçu ................................................................ 10 Courbe V-1: Evolution du coefficient d' ionisation des électrons en fonction du champ électrique...................... 16 Courbe V-2:Evolution du facteur de multiplication pour plusieurs valeurs du rapport p/ n ............................. 18 Courbe VI-1:Facteur d’excès de bruit des électrons et des trous pour différentes valeur du rapport des coefficients d’ionisation .............................................................................................................................. 23 Courbe VII-1 - Caractéristique du courant d' obscurité APD 1&2. ....................................................................... 27 Courbe VII-2: Densité spectrale de bruit en courant à l’obscurité en fonction du courant d’obscurité ................ 32 COURBE VII-3 - PUISSANCE DE BRUIT MINIMUM DETECTABLE .............................................................................. 33 3/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre I Introduction I. INTRODUCTION L' apparition de la Fibre Optique a totalement révolutionné le monde des télécommunications. Grâce à elle, la conception de systèmes de transmission à très grande capacité fut désormais envisageable. L' aboutissement de nombreuses années de recherche de base pour obtenir d' une part des fibres présentant une atténuation compatible avec les exigences d' un réseau de télécommunications, d' autre part des composants et dispositifs suffisamment performants et fiables a permis l' apparition des premiers systèmes de transmission optique dès les années 90. Ils sillonnent désormais le monde entier, aussi bien sur terre que dans le domaine sous-marin. La transmission de l’information se fait donc désormais sur fibre optique à une longueur d' onde de 1,55µm et à un débit élevé qui ne cesse de s' accroître (les débits 2,5 Gbits/s et 10 Gbits/s sont déjà installés et le 40 Gbits/s le sera très prochainement). Le débit est tout de même restreint à cause des photodétecteurs et des modulateurs qui doivent être capables de le suivre à la longueur d’onde utilisée (1.55µm). De même les faibles pertes de la FO (environ 0,15 dB/Km) permettent le transport des données sur de plus longues distances. En effet, de nos jours on peut utiliser jusqu' à 80/100 km de FO sans ré-amplifier et régénérer le signal pour 2 Km de câble coaxial en comparaison. Par contre, il est bien évident qu' il faut ré-amplifier plusieurs fois le signal optique pour parcourir de très longues distances ( 5.000 ou 6.000 Km) comme c' est le cas pour les liaisons transatlantiques, et quelque fois il faut placer des répéteurs régénérateurs qui permettent de remettre en forme le signal lorsque l’amplification ne suffit plus à restituer convenablement les signaux d’information et d’horloge. 4/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre II– Enjeux de la transmission optique. II. Enjeux de la Transmission Optique L' une des difficultés de ce type de réseaux est que le signal optique est déformé lors de sa propagation dans la FO. Cela est principalement du à la dispersion chromatique (étalement du signal). Si on veut parcourir de très longues distances et être toujours capable de détecter le signal afin de décoder les informations, il faudra rajouter dans ce type de réseau optique plusieurs éléments: Dans un premier temps on rajoute des fibres à compensation de dispersion chromatique et des amplificateurs optiques pour reformer le signal. Cependant il est évident que l' on ne peut pas utiliser que des étages amplificateur, d' une part à cause du bruit généré et de l’étalement du signal, et d' autre part à cause d' une consommation accrue de la puissance électrique de ces derniers. Au bout de plusieurs corrections (environ huit) il est nécessaire de reformer le signal à l' aide d' un autre moyen plus efficace. C' est ici que le système de répéteur régénérateur optoélectronique intervient, ce dernier est composé de plusieurs fonctions optoélectroniques et électroniques: le photodétecteur est le premier en ne citant pas la connectique préalable. Il est généralement une photodiode PIN ou APD. Ce dernier est l' élément le plus sensible à choisir car il doit produire le moins de bruit possible et pouvoir suivre le débits envoyé de 10 à 40 GHz (la tendance actuelle se dirige vers des photodiodes à avalanches (dites APD) dont nous verrons la raison plus tard). L’intérêt de la photodiode à avalanche est de multiplier elle-même le photocourant. La partie électronique de ce genre de système est actuellement très bien maîtrisée, on peut dés à présent réaliser des circuits électroniques fonctionnant à de très hautes fréquences. L’enjeu de la transmission optique à hauts débits réside désormais dans la fabrication de photodétecteurs suffisamment rapides pour fonctionner à des débits de l’ordre de 10 à 40 GHz avec des puissances minimum détectables de l’ordre de -30 dBm soit 10µW. Le but de ce projet est donc de trouver sur le marché des photodétecteurs les plus adéquats en fonction de leurs performances en termes de bruit, de facteur de multiplication et de leur bande passante. Nous disposons de plus de 2 prototypes de photodiodes fournies par THALES AVANEX, qui sont données pour une bande passante de 25 GHz. Nous caractériserons donc ces photodiodes. 5/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre III– Détails d’une transmission optique haut débit. III. Détails d’une Transmission Optique Haut Débit Voici une présentation sommaire des différents éléments qui constituent une liaison optique haut débit pour les réseaux sous-marins : Un laser envoie une porteuse dite optique, Un interféromètre MAC ZENDER permet de moduler la porteuse à l’aide des données à transmettre, Le support de transport est la fibre optique : actuellement 80 à 100 Km de fibre sans amplification optique, Les amplificateurs optiques utilisés dans les réseaux sous-marins sont des AOFD « Amplificateur à Fibre Dopée Erbium » qui sont des fibres à matrice de silice dopées avec des « terres rares » ici l’Erbium, Fibre à Compensation de Dispersion Chromatique « FCDC » : on modifie le profil d’indice de cette dernière de telle sorte qu’elle compense la dispersion de la fibre optique standard (SFC), Le répéteur qui a pour but de détecter le signal optique, de le régénérer (c' est-à-dire de le remettre en forme et d’éliminer un maximum de bruit) et enfin de le réémettre dans le réseau optique avec un minimum de bruit. Ci-après la représentation d’une liaison optique haut débit et longues distances avec les principaux éléments la constituant : Figure III-1: Liaison point à point WDM amplifiée optiquement. 6/37 X8 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre III– Détails d’une transmission optique haut débit. III.1 L’émetteur optique : le LASER Quelques généralités sur les Lasers : Les lasers produisent une lumière cohérente bien différente de la lumière ordinaire produite par le soleil ou les ampoules de nos maisons. Les propriétés de la lumière laser sont à la base des applications utilisant ce type de lumière, et plus particulièrement dans les applications télécommunications. La lumière laser est : D’une seule couleur, on dit qu’elle est quasi monochrome. Elle ne peut pas se décomposer en un spectre. La lumière émise correspond à une longueur d’onde précise, dans le domaine des télécoms ce sera 1.3 ou 1.55 µm du fait de la faible absorption de cette longueur d’onde, Unidirectionnelle, toutes les ondes lumineuses se déplacent dans la même direction et forment un faisceau de lumière étroit non divergent, Ordonnée ou cohérente, toutes les ondes sont en synchrones pour une liaison à o. III.2 Le modulateur Mach ZENDER Les propriétés des diodes lasers font que la modulation directe est satisfaisante jusqu' à5 Gigahertz environ mais qu' au delà, cette méthode n' est plus applicable. Trop de dégradations (oscillations de relaxation, bruit, ...) apparaissent et limitent les capacités de transmission. Pour palier à ce problème, la modulation externe est une bonne alternative qui permet au laser d' émettre un signal constant. Tous les défauts dus à la modulation du courant de polarisation seront ainsi atténués. Les effets électro-optiques sont la base de ces types de modulateurs, à savoir que l' indice de réfraction de certains matériaux peut être modifié par l' application d' un champ électrique, variant selon la modulation des données.. De tels modulateurs fonctionnant à 1,5 µm ont été réalisés sur substrat de Niobate de lithium (LiNbO3) ainsi que dans des matériaux semi-conducteurs (arséniure de gallium (GaAs), ...). La technique utilisée pour moduler l' amplitude d' un faisceau consiste à lui faire traverser un interféromètre de Mach Zender dans lequel il est possible de commander la différence de phase entre les deux bras. Figure III-2: Interféromètre de Mach-Zender La lumière est couplée dans deux guides par un embranchement en Y. Les deux faisceaux se recombinent ensuite dans un deuxième embranchement en Y. L' indice de 7/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre III– Détails d’une transmission optique haut débit. réfraction du matériau électro-optique, placé sur l' un des bras de l' interféromètre, est modifié par l' application d' une tension, entraînant ainsi un déphasage entre les deux faisceaux. Suivant leur différence de marche (phase relative), les deux faisceaux interfèrent de manière constructive (toute la puissance optique est disponible en sortie), ou destructive (aucune lumière n' est injectée dans le guide de sortie). Entre ces deux extrêmes, tous les états intermédiaires sont possibles et la modulation de la lumière reproduit celle de la tension appliquée. III.3 La fibre optique Quelques généralités sur la fibre : Schéma, fabrication, avantages… sont : La fibre optique est le support qui permet transporter le signal optique. Ses avantages Elle transporte des photons au lieu des électrons : elle n’est donc pas sensible aux perturbations électromagnétiques et n’en créent pas, La bande passante du signal est 10000 fois supérieure à celle des câbles électriques, Elle occasionne moins de pertes. Il existe 2 types de fibres : multi modes et monomodes. Les fibres utilisées en télécoms sont des fibres monomodes car elles permettent de diminuer la dispersion modale. Le petit diamètre du cœur des fibres monomodes nécessite une grande puissance d' émission qui est délivrée par des diodes laser. Cependant, sur de longues distances, le signal a tendance à se dégrader à cause de l’atténuation, du bruit et de la dispersion chromatique. III.4 Dispersion Chromatique et FCDC Le temps de propagation de groupe, c' est-à-dire le temps mis par un signal pour parcourir l' unité de longueur, dépend de la longueur d' onde . Dans le cas d' un signal issu d' une source émettant sur une raie de largeur d , ces temps de propagation vont s' étaler sur une certaine durée. Le paramètre de dispersion chromatique (D) est défini comme la dérivée du temps de propagation de groupe par rapport à la longueur d' onde, pour une longueur de fibre de 1 km. On le donne généralement en ps/(nm.km), les picosecondes correspondant à l' élargissement temporel, les nanomètres à la largeur spectrale et les kilomètres à la longueur de fibre. La dispersion chromatique est donc un facteur majeur de limitation des performances des systèmes de transmission sur fibre à haut débit. Car le milieu des télécommunications utilise principalement des longueurs d' onde autour de 1,55µm (en raison de sa faible atténuation dans cette plage spectrale). Aussi, plus les débits à transmettre seront élevés, plus le recouvrement peut se produire rapidement, et plus des techniques de compensation élaborées devront être mises en oeuvre. Il y a principalement deux possibilités : utiliser des fibres ayant la dispersion chromatique modifiée quasiment nulle pour cette longueur d' onde 8/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre III– Détails d’une transmission optique haut débit. ou ajouter à la première fibre ayant la dispersion chromatique positive une seconde fibre à dispersion négative. On parle de compensation de dispersion. La mise en série de ces fibres permet de compenser et d' annuler les déformations des impulsions dues aux dispersions chromatiques. III.5 L’AOFD Ci-dessous voici le schéma du principe de fonctionnement de l’AOFD apparue la première fois dans les années 1986. Deux lasers de pompe permettent de remplir la bande d’énergie dite « métastable » (dû à l’Erbium) en créant des paires électrons trous par absorption de la puissance de pompage. Cet état métastable permet de faire une réserve d’électrons libres qui vont se recombiné avec des trous libres lors de l’excitation de l’électron par un photon provenant du signal (que l’on désire amplifier).Ce dernier phénomène est l’émission stimulée donc un photon de même fréquence et de même direction ainsi que phase est crée lors de la recombinaison : il y a amplification du signal. 1hυ + (1e + ,1e − ) 2 hυ Figure III-3: AOFD III.6 Le répéteur optique Il assure la fonction 3R, c’est-à-dire Réception, Régénération, Réémission. Ci-dessous, le schéma de la détection et du décodage du signal. Une fois les données « DATA » retrouvé c' est-à-dire l’information reconstruite comme à l’origine, on peut recodé ces données pour moduler la porteuse optique a l’aide d’un interféromètre Mac Zender. 9/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre III– Détails d’une transmission optique haut débit. Figure III-4: Schéma de la partie électronique d'un régénérateur 3R III.6.1. La Réception La réception du signal est assuré par un photo détecteur qui permet la conversion photon électron c’est-à-dire qu’il convertit l’énergie lumineuse du signal optique qu’il reçoit en énergie électrique. C’est une photodiode à base de semi-conducteur III-V. Il existe 2 principaux types de photodiodes : les photodiodes PIN et APD. La figure suivante permet de comparer le rapport signal sur bruit de ces 2 photodiodes en fonction du nombre moyen d’électrons détectés par unité de temps. Courbe III-1: Rapport Signal à Bruit en fonction du flux optique reçu Pour de faibles niveaux, le rapport signal sur bruit est meilleur avec une photodiode à avalanche alors que pour des niveaux plus forts, il vaut mieux utiliser une photodiode PIN. Notre choix se portera donc sur une photodiode de type APD car nous sommes dans le cas de faibles signaux ( -30 dBm) à cause de l’espacement entre les répéteurs (80 Km). III.6.2. La Régénération Au fur et à mesure de la propagation dans la fibre et dans les amplificateurs, le signal se déforme à tel point qu’il est nécessaire de le remettre en forme, c’est-à-dire lui redonner sa forme originelle. 10/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre III– Détails d’une transmission optique haut débit. Les photodiodes génèrent un courant de très faible amplitude, typiquement dans le domaine des nano ampères. Aussi avant de les amplifier on préfère généralement les convertir en tension grâce par exemple au dispositif amplificateur transimpédance ci-dessous qui V = - R 1 * i . La résistance R1 sera évidemment très élevée fournit en sortie une tension 0 (>100M ). L' amplificateur transimpédance a une structure à contre-réaction R1 . Si le gain de la chaîne amplificatrice est grand, on a un gain plat et reproductible sur une large bande passante. Par contre, la résistance R1 apporte un supplément de bruit. Figure III-5: Amplificateur Transimpédance Le signal émit par le photodétecteur ainsi amplifié peut être reconstitué en éliminant le bruit et la distorsion qu’il a subit avant de pouvoir être réémis. III.6.3. La Réémission Suite à l’amplificateur transimpédance on trouve un bloc de décision piloté par un bloc de récupération d’horloge (PLL) qui va permettre de reformer le signal comme à son origine. Il ne reste plus ensuite à attaquer le modulateur Mach-Zender de la diode Laser réemetrice afin de moduler la porteuse de cette dernière. 11/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre IV– Cahier des charges. IV. CAHIER DES CHARGES Nous allons travailler avec une photodiode avalanche fonctionnant entre 10 et 40 GHz à la longueur d’onde de 1550 nm. Certaines photodiodes pourront avoir un amplificateur transimpédance intégré ou non. Pour le choix des photodiodes que nous allons être amené à caractériser nous allons devoir faire attention à certains paramètres du composant afin de déterminer les plus performants. Nous allons particulièrement nous intéresser à : La bande passante : l’objectif est d’atteindre des fréquences de fonctionnement supérieures à 10 GHz, Le domaine spectral d’utilisation : les réseaux télécoms optiques opérants à une longueur d’onde de l’ordre de 1550 nm, nous chercherons un domaine d’utilisation autour de cette valeur, La réponse spectrale : c’est le rendement externe en A/W à la longueur d’onde de 1550 nm qui est généralement donné pour un facteur de multiplication M = 1, La détectivité : c’est le minimum de puissance détectable par la photodiode dBm, La sensibilité : C’est en réalité la capacité de la photodiode à convertir un puissance optique en courant électrique. Le rendement quantique : il représente le taux de conversion photons électrons total ou primaire, Le facteur de multiplication : il représente le coefficient d’amplification de la photodiode avalanche, La tension inverse de la photodiode APD : tension nominale de polarisation inverse de la photodiode environ 30 V, Le courant d’obscurité : c’est le courant thermique généré par le composants à la température ambiante, Le BER taux d’erreur : c’est le pourcentage de bits d’erreur, La capacitance : capacité de la jonction, Le facteur d’ionisation : nombre d’électrons secondaires créés par nombre d’électrons primaires, La surface de réception du composant. De plus dans les cas de composants dans lesquels sont intégrés des amplificateurs transimpédance nous nous intéresserons aux paramètres suivants : Le gain de l’amplificateur : correspond à l’impédance de l’amplificateur transimpédance, L’alimentation. Parmi les documentations de constructeurs nous avons trouvé les valeurs suivantes : 12/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre IV– Cahier des charges. Constructeur Modèle Bande Passante Facteur de Multiplication Domaine Spectral Réponse Détectivité JDS Uniphase ERM 578 RLC 8 GHz M=3-9 1300 - 1575 nm 0,85 A/W - 28 dBm Courant d'obscurité Tension de Claquage Gain Transimpédance BER Capacitance Diamètre Actif facteur ionisation k=alpha/beta 5 - 50 nA 20 V 1700 10^-12 Cyoptics Sensors EMCORE APDSFF SU020-10A-SM DG062 8 GHz 7,9 GHz 10 GHz M = 10 M = 10 M=9 1280 - 1600 nm 1000 - 1650 nm 1550 nm 0,8 A/W 0,8 A/W 0,75 A/W - 27,5 dBm - 26 dBm 20 250 nA 5 - 50 nA 100nA 31 V 32,3 V 34 V 1100 10^-12 0,18 pF 0,18 pF 20 µm 28 µm EMCORE RA194W 9 GHz M=9 1300 - 1610 nm 0,64 A/W - 26 dBm 100 nA 35 V 2000 10^-12 0,4 Tableau IV-1- Paramètres constructeurs des Photodiodes Avalanches Nous allons étudier 3 photodiodes fournies par THALES AVANEX donnée pour un fonctionnement à 25 GHz mais dont nous ne connaissons pas les paramètres. Nous caractériserons ces composants en étudiant plus particulièrement leur courant d’obscurité, leur facteur de multiplication et leur bruit afin de déterminer le niveau minimum détectable. 13/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre V – Etude théorique du phénomène avalanche. V. Etude théorique du phénomène d’avalanche par ionisation par impact V.1. Ionisation par impact Dans un photodétecteur à avalanche on met à profit la multiplication des paires électrons trous pour amplifier le nombre de porteurs photocréés et ainsi augmenter la réponse du détecteur. Si le champ électrique régnant dans un semi-conducteur dépasse largement le champ de saturation de la vitesse, certains électrons vont pouvoir gagner un excédent d’énergie cinétique au-dessus du bas de la bande de conduction plus grand que Eg, l’énergie du GAP. Le processus d’ionisation par impact devient alors possible. L’électron interagit avec tous les électrons de la bande de valence par interaction électron-électron et peut exciter un électron au travers de la bande interdite, ce qui correspond à une création d’une paire électron-trou, donc à un processus de génération. Un électron qui génère une paire électron-trou secondaire sera à nouveau accéléré par le champ électrique et peut donc générer d’avantage de particules secondaires. La même possibilité existe pour les particules secondaires de générer encore d’avantage de particules créant ainsi une avalanche. Ceci conduit à une augmentation de la conduction par l’intermédiaire de l’augmentation de la densité de porteurs libres. De manière pratique on définit des coefficients d’ionisation n et p (que nous supposerons égaux par la suite) par le nombre de paires secondaires créées par ionisation par un électron ou un trou primaire par centimètre de chemin parcouru par la particule primaire dans al direction du champ. Les coefficients dépendent du champ local F. En parcourant une zone de fort champ entre 0<x<w, un électron primaire génère donc : w N s = α n (F )dx paires secondaires. Les particules secondaires et tertiaires, etc., engendrent un nombre total d’électrons dans la zone donné par : 0 1 1 − N s à la condition que Ns soit inférieur à 1. Si un électron entre en x=0, il y a donc un nombre d’électron Nw qui sort à w. On définit le facteur de multiplication Mn pour les électrons comme le rapport entre le courant d’électrons sortant et le celui d’électron entrant dans la zone à fort champ. De façon analogue on définit Mp pour J (0) = M p J p (w) les trous par p où les trous entent à w et sortent à 0. La figure suivante montre schématiquement ce phénomène d’avalanche : N w = 1 + N s + N s2 + N s3 + .... + N sn = Figure V-1 Illustration de la multiplication par ionisation par impact. Poour un électron primaire entrant à x=0, Mn électrons sortent à w. 14/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre V – Etude théorique du phénomène avalanche. Le modèle le plus simple pour les cœfficients d’ionisation est dû à Shockley : c’est le modèle de l’électron chanceux. Puisque seuls les électrons ayant une énergie dépassant l’énergie de seuil donnée par l’équation (1) peuvent provoquer l’avalanche, il y en a donc peu qui ont eu la chance d’être accélérés par le champ à cette énergie sans collision. Le libre parcours moyen de l’électron avant collision avec un phonon optique sera appelé op (supposé indépendant de l’énergie pour simplicité) et le libre parcours moyen avant ionisation par impact i (pourvu que le sel soit atteint) et on suppose que chaque collision fait repartir l’électron à vitesse nul (électron dit « froid »). Pour arriver à l’énergie de E = eFxi et la seuil Ei, un électron doit parcourir au moins une distance xi donnée par i probabilité de faire ce parcours sans collision avec les phonons est : P(Ei ) = exp − xi λop = exp − Ei eFλop Une fois le seuil dépassé, le libre parcours moyen de l’électron est donnée par la 1 1 1 = + λ λi λop composition des deux mécanisme de collision soit . La probabilité que le premier processus de collision soit un processus d’ionisation est donc / i. Si, par contre, le premier processus est une diffusion par phonon, l’électron redémarre à 0. Pour chaque départ « à froid » la probabilité d’ionisation est donc : Pi = λ E exp − i λi eFλop (2) Si nous définissons op comme le nombre de diffusion par phonons pour un parcours de 1 cm, le bilan entre l’énergie fournie par le champ et l’énergie dissipée en ionisations ou (3) eF = α n Ei + α op Eop émissions de phonon s’écrit : Où n est le coefficient d’ionisation cherché. Le nombre de fois qu’un électron doit démarrer à 0 pour ce même parcours est n+ op , ce qui nous donne le nombre d’ionisation α = (α n + α op )Pi par centimètre : n (4) Où nous avons profité du fait que Eop<<Ei (de l’ordre de 50 meV contre plus plus de 1 eV). Après réintroduction de (2) : eF exp − αn = Ei eFλop λi Ei Eop + Ei exp − λ eFλop 15/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre V – Etude théorique du phénomène avalanche. Sauf pour des champs F très élevés nous pouvons négliger le deuxième terme du αn = dénominateur et écrire : λ λi Eop eF exp − Ei eFλop Coefficient d’ionisation par impact. On se rend compte avec cette dernière expression de la dépendance de n sur le champ observée expérimentalement. Courbe V-1: Evolution du coefficient d'ionisation des électrons en fonction du champ électrique V.2. Photodétecteur à avalanche Dans une photodiode à avalanche on met à profit la multiplication des paires électron trou pour amplifier le nombre de porteurs photocrées et ainsi augmenter la réponse du photodétecteur. Nous avons d’écrit l’ionisation par impact précédemment et nous avons définit les cœfficients de multiplication n et p comme le nombre ndx de paires électrons trou secondaires engendrées par un électron qui traverse la zone dx en présence d’un champ fort. Le coefficient p décrit de la même manière le nombre de paires crée par un trou. Les coefficients dépendent de la même manière drastique du champ électrique mais sont négligeables aux champs faibles. Dans une photodiode avalanche on obtient un champ fort en appliquant une tension inverse très importante à une structure PIN. Figure V-2 Structure des bandes d’énergie dans une photodiode PIN polarisée en inverse. 16/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre V – Etude théorique du phénomène avalanche. Pour le courant traversant la diode (ayant une section A) il y a trois sources : la génération primaire (par absorption d’un photon ou par création thermique) A*q*G*dx dans une couche d’épaisseur dx, la génération par impact due aux électrons n*In*dx, et la génération par impact due aux trous, p*Ip*dx, menant aux équations suivantes pour les courants en régime statique : dI n = αnIn +α pI p + A× q × G dx dI p = αnIn + α p I p + A× q × G dx − La continuité du courant total I =In+Ip est assurée par ces équations, et en remplaçant In dans la deuxième équation, on obtient : dI p dx − (α p − α n )I p = α n I + A × q × G ( A) Cette équation est du premier ordre, elle possède donc une solution Ip telle que : I p = I p1 + I p 2 Avec Ip1 solution de l’équation sans second membre et Ip2 solution de l’équation avec second membre que nous résoudrons par la méthode de variation de la constante. Solution générale de l’équation différentielle : [ ] (α I α+ A−×αq × G ) I p = I p1 + I p 2 = C × exp − (α n − α p )x + n n p La constante C dépend des conditions limite aux contacts, n à x=0 et p à x=L. Idéalement, le contact n ne peut injecter aucun trou : Ip(0)=0 et le contact p ne peut lui injecter aucun électron : In(L)=0 . De la conservation du courant total il s’en suit que I= In(L)+ Ip(L), ce qui donne : Ce qui donne : I = A × q × G × exp((α n − α p )L ) − 1 α n − α p exp((α n − α p )L ) On voit que le flux de courant électrique est I/Aq est augmentée vis-à-vis du flux de génération G d’un facteur de multiplication M donnée par : M= exp((α n − α p )L ) − 1 I 1 = × A × q × G × L L α n − α p exp((α n − α p )L ) Dans le cas spécial ou n= p, le facteur de multiplication de génération devient : M= 1 1−αL 17/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre V – Etude théorique du phénomène avalanche. Courbe V-2:Evolution du facteur de multiplication pour plusieurs valeurs du rapport p/ n On voit que pour avoir un facteur de multiplication important, il est préférable de choisir p/ n grand cela permet de réduire la longueur de la zone de multiplication et donc les dimensions du composant. Dans notre étude la photodiode est de type InGaAs/InP. Ainsi les porteurs multipliés sont les trous qui possèdent un coefficient d’ionisation beaucoup plus important que les électrons ( p=4 à 6 n). On sait par expérience que ces derniers génèrent un facteur de bruit en excès bien plus important que celui des trous dû au coefficient d’ionisation plus faible qui n’amplifie pas assez le niveau haut du signal détecté (bit 1) par rapport au niveau bas du signal (bit 0). L’absorption se fait donc sur le contact n à petit GAP afin de faire diffuser les porteurs minoritaires (trous) vers la zone d’avalanche dans un matériau à grand GAP. Pour ce type de structure on trouve que le facteur de multiplication des trous est : Mp = I I p (0 ) = (α n −α p ) α n − α p exp[(α n − α p )L ] Remarque : Pour des structures comme le silicium dans laquelle les porteurs multipliés (α n − α p )exp (α n − α p )L I Mn = = I n (L ) α n − α p exp (α n − α p )L sont les électrons on obtient : [ [ ] ] 18/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VI – Etude du bruit de la photodiode Avalanche. VI. Etude du Bruit de la photodiode avalanche VI.1. Définition du bruit On appelle bruit toute fluctuation aléatoire de tension ou de courant. La connaissance des phénomènes physiques qui génèrent le bruit dans un composant permettra de déterminer la puissance de signal minimum que le composant pourra détecter. VI.2. Origines physique du bruit Dans un barreau de semi-conducteur court-circuité et à l’obscurité, le courant instantané qui circule est conservé partout dans le circuit : i (t ) = A N −1 N − qv xn = − q vx V n =0 L N A : section V : volume N : nombre de porteurs v : vitesse des porteurs L : longueur En moyenne ce courant est nul, mais puisque la vitesse des porteurs et leur nombre peuvent fluctuer, le courant instantané n’est pas nul. Ce sont ces fluctuations qui sont à l’origine de bruit en courant. Les fluctuations des vitesses des porteurs sont dues aux mouvements thermiques et aux chocs que subissent les porteurs : c’est le bruit thermique (ou bruit de Johnson ou bruit de Nyquist) et c’est la principale source de bruit dans les photodétecteurs. Les fluctuations du nombre de porteur sont dues au phénomène de générationrecombinaison c’est le bruit de génération-recombinaison, et au fait que chaque contact injecte ou capture le courant électron par électron avec une fluctuation dans la durée entre chaque évènement, c’est le bruit de grenaille. Chacun des mécanismes étant bien distincts, on peut donc considérer que les sources de bruit sont indépendantes, non corrélées. Le bruit total est donc égal à la somme des différents bruits. VI.3. Bruit thermique Découvert par JB Johnson des laboratoires Bell Téléphone en 1920, il est causé par l’excitation thermique des porteurs du fait des fluctuations de leurs vitesses (ceci dans la résistance externe de la photodiode). 19/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VI – Etude du bruit de la photodiode Avalanche. Théorème de Johnson Nyquist : SvTh ( f ) = SvTh ( f ) : Densité Spectrale de tension de bruit thermique en V 2 / Hz Et 2 = 4kTR ∆f Sv ( f ) 4kT SiTh ( f ) = Th 2 = R R SiTh ( f ) : Densité Spectrale de courant de bruit thermique en A 2 / Hz Et : Tension de bruit thermique en V 2 ∆f : Bande passante de bruit du système en Hz k =1.38.10−23W.s.°K−1 : Constante de Boltzmann T : Température du composant en ° K R : Résistance du composant en Ω i2 Th = SiTh ( f ).∆f = 4kT .∆f : Bruit Thermique dans la bande ∆f R VI.4. Bruit de Génération-Recombinaison Le processus de génération de paires électron trou ne crée pas un courant constant car l’instant de leur création est aléatoire. La variation du nombre de porteurs libres (ceux qui contribuent à la conduction électrique) crée ainsi une variation du courant. Pour qu’une fluctuation de densité de porteurs soit à l’origine d’une fluctuation de courant il faut que la vitesse moyenne des porteurs doit être différente de 0. Lorsqu’on réalise une jonction pn, cette couche bipolaire crée une différence de potentiel dans la zone de déplétion et donc un champ électrique (de cette façon la direction de propagation des porteurs est imposée). La Densité Spectrale de courant de bruit de génération-recombinaison est donné par la relation suivante : SiGR ( f ) : en A 2 / Hz SiGR ( f ) = 4 I 2 k τ 1 + 4π 2 f 2τ 2 3 k =1.38.10−23W.s.°K−1 : Constante de Boltzmann τ : durée de vie des porteurs en seconde 10 −6 s ≤ τ ≤ 10 −3 s I : courant moyen i2 GR = SiGR ( f ).∆f = 4 I 2 k τ3 .∆f 1 + 4π 2 f 2τ 2 On voit que le bruit de génération-recombinaison peut jouer un rôle important en basse 1 fréquence alors que pour des fréquences supérieures à f = ( (159 Hz ≤ f ≤ 159 KHz ) il 2πτ pourra être négligé. 20/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VI – Etude du bruit de la photodiode Avalanche. VI.5. Bruit de grenaille Il est du à la nature corpusculaire de l’électricité. Tout porteur de charge génère un bruit quantique qui est du à l’émission aléatoire des électrons chauds. Cette émission aléatoire génère une fluctuation du courant. On appelle bruit de grenaille (shotnoise) les fluctuations du nombre de porteurs de charge (électrons ou trous) qui participent à la formation du courant en traversant une barrière de potentiel. Contrairement au bruit thermique, qui existe indépendamment de la présence d' un courant, le bruit de grenaille dépend du courant moyen et vient se superposer à lui. Γ SiGrenaille ( f ) = 2qI .Γ 2 : Coefficient d’adoucissement Γ=( sin(πfτ ) 2 ) πfτ I : courant traversant la jonction c’est-à-dire le courant total Iph+Iobs f τ : fréquence du signal est temps de transit des porteurs présents dans la jonction Pour des fréquences élevées, on obtient le courant de bruit de grenaille : 2 SiGrenaille ( f ) = 2qI et donc iGrenaille = SiGrenaille ( f ).∆f VI.6. Bruit en 1/f Le bruit en 1/f est du en partie à la surface de contact d’un semi-conducteur et à la nq 2τ . Ce bruit fluctuation de la durée de vie des porteurs τ , donc de la conductivité car σ = m en 1/f varie de façon inversement proportionnelle à la fréquence. Jusqu’à présent aucune théorie satisfaisante pouvant expliquer l’origine de ce bruit n’a pu être établie. Une relation empirique a été établie pour définir la densité spectrale de bruit en 1/f. S1 / f ( f ) = AI 2 f i12/ f = Si1 / f ( f ).∆f = AI 2 .∆f f I : courant de polarisation A : paramètre caractérisant la technologie du composant f : Fréquence du signal Pour les fréquences de fonctionnement qui nous intéressent (>2,5 GHz), l’influence de ce bruit pourra être négligé. VI.7. Bruit de multiplication Le courant de génération étant amplifié par l’effet d’ionisation par impact, le bruit généré à l’intérieur de la photodiode est lui aussi amplifié par la multiplication. Pourtant, le fait que l’ionisation par impact est un processus aléatoire ajoute davantage de bruit. 21/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VI – Etude du bruit de la photodiode Avalanche. En chaque endroit x0 il y a 3 sources de génération avec leur bruit associé : iν2G ( x0 ) = 2q∆ν .qG ( x0 ) A.∆x.dx0 iν2n ( x0 ) = 2q∆ν .α n I n ( x0 ).∆x.dx 0 iν2p ( x0 ) = 2q∆ν .α p I p ( x0 ).∆x.dx0 Le constat que la zone d’avalanche est un filtre linéaire permet de déduire que le spectre 2 de bruit à la sortie du filtre est M ( x0 ) fois le bruit à l’entrée. Pour calculer le bruit total il 2 suffit de sommer ces 3 bruits, de les multiplier par M ( x0 ) et d’intégrer sur toute la longueur de la photodiode : iν2 = L 0 M 2 ( x 0 ) * (iν2G + iν2n + iν2p ).dx 0 On voit que le phénomène d’avalanche introduit le terme bruit en excès. Après intégration on obtient : iν2 = 2q∆νI * M * M 2 ( x0 ) qui va ajouter un (1 + α n LM )(1 + α n LM ) M i 2 = 2q∆νI on voit que le En comparant avec le bruit d’une photodiode PIN classique ν bruit est multiplié par le facteur de multiplication M mais aussi par le terme (1+ αn LM)(1+ αn LM) F(M) = M que l’on appelle Facteur d’excès de bruit de multiplication qui décrit le bruit rajouté par le processus d’avalanche. On peut déterminer les facteurs de bruit dus aux trous et aux électrons : Injection de trous en x=0 : F p ( M p ) = 1 1 M p + 1− k k 2− Injection de trous en x=L : F p ( M p ) = kM n + (1 − k ) 2 − 1 Mp 1 Mn On peut ainsi comparer la contribution en bruit de chacun des porteurs. On rappelle que k = α p /αn le rapport des coefficients d’ionisation des porteurs et : M p = M (0) = 1− k (1 − k )e ∆αL et M = M ( L ) = n 1 − ke ∆αL 1 − ke∆αL Pour diminuer le bruit créé par le phénomène d’avalanche on a intérêt à réduire le facteur de bruit. Pour cela nous avons tracé l’évolution du facteur d’excès de bruit afin de déterminer le mode de fonctionnement de la photodiode : 22/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VI – Etude du bruit de la photodiode Avalanche. Facteur d'excès de bruit F(M) en fonction du rapport des coefficients d'ionisation k pour différentes valeurs du coefficient de multiplication M F(M) Ftot(M,k) 90,00 90,00 80,00 80,00 Facteur d'excès de bruit total 70,00 70,00 Fn(M=1) Fp(M=1) Fn(M=3) 60,00 60,00 Fp(M=3) Fn(M=5) Ftot(M=1) Fp(M=5) Ftot(M=3) Fn(M=8) 50,00 Ftot(M=5) 50,00 Fp(M=8) Fn(M=10) Ftot(M=8) Fp(M=10) Ftot(M=10) 40,00 40,00 30,00 30,00 20,00 20,00 10,00 10,00 0,00 0,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 Rapport des coefficients d'ionisation k 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 Rapport des coefficients d'ionisation k Courbe VI-1:Facteur d’excès de bruit des électrons et des trous pour différentes valeur du rapport des coefficients d’ionisation Dans notre cas, les trous sont plus ionisants que les électrons, c’est-à-dire un rapport des coefficients d’ionisation k>1, ce graphique nous permet de voir que pour réduire le bruit de multiplication de la photodiode (à coefficient de multiplication égal), il est préférable de forcer le phénomène d’ionisation par impact des trous plutôt que des électrons. On va donc éclairer la photodiode sur la face N pour que les trous minoritaires photocréés puissent migrer vers la zone de multiplication. 2 imultiplica tion = Si multiplica tion ( f ).∆f 2 2 imultiplica tion = 2 qI photogénér é * M p * F p ( M p ).∆f VI.8. Bruit de la source : Bruit du laser Pour l’étude de la liaison optique il faut aussi prendre en compte la source du signal (le LASER) qui introduit un bruit supplémentaire. Un laser est caractérisé par son Bruit d’Intensité Relative (RIN : Relative Intensity Noise) qui est la source de bruit dominante du laser. Il caractérise les fluctuations de la puissance optique. 23/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VI – Etude du bruit de la photodiode Avalanche. −1 RIN ( Hz ) = 2 δPopt (t , λ ) 2 Popt Le bruit ramené à la sortie du photodétecteur dans la bande de fréquence ∆f est : 2 2 i RIN = RIN ( Hz −1 ) * I multiplié * ∆f La montée en débit (liaison à 40 Gbits/s, 160 Gbits/s) exige des composants peu bruités. Il est important de réaliser des sources à faible bruit, pour les sources impulsionnelles ayant peu de gigue temporelle et en fréquence. La tendance est à l’utilisation de Laser DFB −17 −1 (Distributed Feed Back) qui permettent un RIN faible de l’ordre de 10 Hz . Dans le cadre de notre projet nous caractérisons les photodétecteurs avalanche à l’obscurité, c’est-à-dire en l’absence de signal lumineux, nous ne prendrons donc pas en compte cette source de bruit qui n’est cependant pas négligeable dans une liaison optique. VI.9. Bilan des bruits de la photodiode avalanche Type de Bruit Expression Bruit thermique résiduel de la photodiode 2 iThermique = SiTh ( f ).∆f = Bruit de GénérationRecombinaison 2 iGR = SiGR ( f ).∆f = 4 I 2 k Bruit en 1/f Forte 4kT .∆f R Négligeable τ3 .∆f 1 + 4π 2 f 2τ 2 AI 2 .∆f f Négligeable 2 imultiplica tion = S Mul ( f ).∆f = 2qI * M p * F p ( M p ).∆f Forte i12/ f = S1 / f ( f ).∆f = Bruit de Multiplication. Influence Tableau VI-1 - Récapitulatif des Bruits de la Photodiode Avalanche 2 Le bruit total N APD ( A / Hz ) fournit par la photodiode sera donc calculé avec l’expression suivante : N APD ( A2 ) = 2qI photocréé * M p2 * Fp ( M p ).∆f + 4kT .∆f Rd 24/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VII Caractérisation expérimentale des composants. VII. Caractérisation expérimentale des composants VII.1. Précautions de mesure à prendre : La chaîne de mesure se situe dans une cage de Faraday afin de se protéger des nuisances électromagnétiques extérieures. L’utilisation d' une cage de Faraday est souvent de mise pour faire des mesures précises en électronique ou en électricité. La cage de Faraday est étanche aux ondes électromagnétiques car elle forme une enveloppe continue d’un matériau conducteur. Ainsi les ondes et les courants électriques circulent sur l’enveloppe, mais ne peuvent pénétrer. On parle aussi de blindage. Les composants (photodiodes) et les circuits (filtres, ampli transimpédance) sont placés dans une enceinte blindée qui permet une seconde protection électromagnétique et joue aussi le rôle de boîte noire. Pour éviter toute perturbation lumineuse et malgré l’enceinte blindée on se place dans l’obscurité (relative : nous éteignons les sources de lumière ambiante). En ce qui concerne les mesures de densité spectrale (mesure difficile) on utilise un spectromètre (analyseur FFT). Pour ne pas perturber l’analyseur, il est nécessaire d’éteindre les appareils de mesure inutiles (le voltmètre qui permet d’ajuster la tension inverse, le voltmètre qui permet de mesurer le courant issu de la photodiode via une résistance). De plus il est préférable de sortir de la cage pour éviter les perturbations acoustiques qui rajoutent du bruit sur la mesure (nous avons pu vérifier cet effet). VII.2. Mesure du courant d’obscurité VII.2.1. Schéma du montage de mesure La photodiode est représentée par son modèle équivalent simplifié le générateur de courant. En sortie de l’amplificateur transimpédance on mesure directement la valeur du V = - R 1 * i obs courant via la résistance de contre réaction : 0 Pour pouvoir faire une mesure fiable du courant d’obscurité, il faut faire travailler l’amplificateur dans son régime optimal : 25/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VII Caractérisation expérimentale des composants. V0 ≤ 4V l’adaptation de la sortie est réalisée grâce à la résistance de contre réaction dont on 9 6 peut ajuster la valeur 10 Ω à 10 Ω . VII.2.2. Rappel de la Structure de la photodiode APD Afin de commenter les résultats obtenues voici la structure simplifié de la photodiode z’ APD. Photons incident Eph=h* Couche anti-reflet InP n+ 2 m n+=1018cm-3 InGaAs(P) Couche graduelle 1 m n=1016cm-3 Contact en anneaux N Polarisé positivement InGaAs nZone absorption 3 m n-=1014cm-3 InP NID 1 m Einverse InP p+ 1 m p+= 1018cm-3 Zone de multiplication Substrat InP p+ 100 m p+=1018cm-3 Contact P Polarisée négativement z Figure VII-1 Structure simplifié de la photodiode APD InP/InGaAs en polarisation Inverse Cette structure de photodiode APD est fibré à l’aide d’une résine époxy et d’un gel d’indice permettant d’éviter les réflexions qui parasiterait la ligne optique en amont. La zone d’absorption en InGaAs possède un GAP adapté à 1,55um. Lorsque la photodiode est polarisée en inverse le champ électrique est dirigé dans le sens de z. Ainsi les paires électrons sont séparées par le champ dans la zone d’absorption les troues se dirige par force coulombienne dans le contact P en passant par la zone de multiplication NID . Les électrons eux se dirigent vers la zone N et ne sont donc pas multipliés. 26/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VII Caractérisation expérimentale des composants. VII.2.3. Résultat expérimentaux du courant d’obscurité en fonction de la tension inverse On relève la caractéristique du courant d’obscurité de la photodiode avalanche en fonction de la tension inverse d’alimentation. De cette courbe on peut déduire la valeur de la résistance dynamique ainsi que la densité spectrale de bruit à l’obscurité. Les composants que nous allons caractérisés sont des photodiodes APD de nouvelle génération qui sont capables de fonctionner à 25 Gbits/s. Le but de la caractérisation est de déterminer les performances en termes de bruit. Dans un premier temps nous avons choisit d’étudier la photodiode à l’obscurité et de tirer plusieurs caractéristiques à partir de la courbe IV de mesure. Caractéristique IV APD1&2 Vinv(Volts) 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1,E-13 Vinj=-40V Vinj=-26V 1,E-12 1,E-11 1,E-10 1 3 1,E-09 2 1,E-08 4 6 1,E-07 5 1,E-06 APD1 APD2 I obs(A) Courbe VII-1 - Caractéristique du courant d'obscurité APD 1&2. On voit clairement sur cette courbe la signature typique d’une photodiode APD avec les différents pallier du à la pénétration du champ électrique dans les différentes couches de la structure. 27/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VII Caractérisation expérimentale des composants. OBSERVATION APD1 : 1) 0 à 14 V : on observe le courant résiduel de la zone de multiplication, 2) 14 à 15 V : la tension inverse appliquée permet de dépléter la zone graduelle, 3) 15 à 20 V : Début de la déplétion de la zone d’absorption. L’augmentation de la zone de déplétion augmente fortement le courant d’obscurité, on a un fonctionnement PIN, 4) 20 à 26 V : La zone d’absorption est complètement déplétée. 5) 26 à 30 V : la tension inverse appliquée est suffisante pour créer un champ qui permet le phénomène d’ionisation par impact, on a l’effet d’avalanche du courant d’obscurité, cependant la multiplication est inhomogène, 6) 30 à 45 V : multiplication homogène. OBSERVATION APD2: On ne distingue pas la signature typique de la photodiode APD comme précédemment avec les différents paliers provenant de la pénétration du champ dans les différentes couches de la structure. Cela provient certainement d’une mauvaise fabrication de la zone graduelle qui joue le rôle de barrière de potentielle et qui ne devrait pas laisser pénétrer le champ a faible tension dans la zone de multiplication. DISCUTION SUR LA TECHNOLOGIE EMPLOYEE POUR LA FABRICATION DES 2 PHOTODIODES On voit que pour la photodiode 1 le champ permet de dépléter les zones de multiplication puis d’absorption. Cela signifie que les 2 zones sont bien distinctes et séparées par une zone graduelle, contrairement à la photodiode 2 pour laquelle les 2 zones sont déplétées en même temps (ce qui signifie que lors de la fabrication il y a eu diffusion de la zone de multiplication dans la zone d’absorption à cause d’une couche graduelle trop fine ????.). On pourrait penser à priori que la photodiode 2 est meilleure que l’APD 1 car elle présente un courant d’obscurité plus faible, mais le fait que la zone d’absorption soit déplétée en l’absence de polarisation cause un effet de multiplication des porteurs minoritaires du côté p (c’est-à-dire les électrons). Cela signifie que on ne multiplie pas les bons porteurs (les trous), et lorsque on va polariser suffisamment pour avoir l’effet de multiplication, le bruit de multiplication des électrons va augmenter fortement. Pour un même coefficient de multiplication, l’APD 2 créera plus de bruit que l’APD 1 alors qu’elle aura un courant d’obscurité plus faible. CONCLUSION SUR LA TECHNOLOGIE EMPLOYEE POUR LA FABRICATION DES 2 PHOTODIODES Il est donc très important d’interposer une couche graduelle suffisamment épaisse pour que la zone de multiplication ne soit pas déplétée en l’absence de polarisation et ainsi éviter la multiplication des porteurs les moins ionisants. 28/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VII Caractérisation expérimentale des composants. VII.2.4. Résultat expérimentaux de la résistance dynamique en fonction de la tension inverse Traçons maintenant la résistance dynamique à l’obscurité de la photodiode sachant que : dI obs R dobs = dV inverse Résistance dynamique APD1&2 Rd (Ohm) 1,E+13 1,E+12 1,E+11 1,E+10 1,E+09 1,E+08 1,E+07 60 50 40 30 20 10 0 Vinv (Volts) Rd APD1 Rd APD2 Figure VII-2 Résistance dynamique de la photodiode APD 1&2. On voit également ici les différentes chutes de la résistance dynamique en fonction de la tension inverse appliquée qui montre le passage du champ d’une couche à une autre. On notera que la résistance dynamique au début de la multiplication est de l’ordre du GigaOhm, ce qui prouve que cette structure est excellente puisque une photodiode est une source de courant avec sa résistance dynamique parallèle très grande. VII.2.5. Résultat expérimentaux de la densité spectral de bruit en fonction du courant d’obscurité Nous allons maintenant à partir de la courbe IV extraire la caractéristique de la densité spectrale de bruit en courant. 29/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VII Caractérisation expérimentale des composants. Siobs = 2 * q * I obs (Vinj = −20V ) * F ( M ) * M obs M obs = I obs ( V > Vinj ) (Bruit de grenaille multiplié) Avec le facteur de multiplication à l’obscurité. I obs (Vinj ) x F ( M ) = M obs x= 2 αn ≈ 0, 6 αp Avec F(M) le facteur de bruit en excès et x le rapport de coefficients d’ionisation dans l’InGaAs. Densité spectrale de bruit en courant APD1&2 -1 SIobs(A².Hz ) 1E-30 1E-29 1E-28 1E-27 1E-26 1E-25 1E-24 1E-23 1,E-06 1,E-07 1,E-08 1,E-09 1,E-10 1E-22 1,E-11 Iobs (A) Siobs APD1 Siobs(M=1) APD1 Siobs APD2 Siobs(M=1) APD2 Figure VII-3 Densité spectrale de bruit en courant à l’obscurité. On constate donc que le densité de bruit en courant augmente très vite avec le courant d’obscurité à cause du phénomène avalanche qui provoque la multiplication du bruit de grenaille dans la zone de multiplication à fort champ. On s’aperçoit de l’effet avalanche si l’on compare la Siobs à la courbe Siobs(M=1) qui représenterais la densité de bruit de grenaille en courant si la multiplication n’avait pas lieu dans la structure. 30/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VII Caractérisation expérimentale des composants. VII.3. Mesure de la densité spectrale de bruit en courant à l’obscurité de la photodiode 2 VII.2.1. Schéma du montage de mesure Figure VII-4: Etude du bruit en courant VII.2.2. Détermination de la densité spectrale de bruit en courant à l’obscurité L’analyseur de spectre nous permet de déterminer la densité spectrale de bruit en tension total de la photodiode avalanche et du montage de mesure (densité spectrale de bruit de l’amplificateur transimpédance). Des mesures réalisées par un autre groupe nous donnent la densité spectrale de bruit en courant de l’amplificateur transimpédance : S ia = 1.6 *10 −29 A 2 / Hz La densité spectrale de bruit en courant total de la photodiode avalanche et du montage S S itotal = 2 vtotal = S ia + S APD = S ia + ( S iobs + S Th ) Rcontreréaction de mesure est : On peut donc en déduire la densité spectrale de bruit en courant à l’obscurité de la S S iobs = S itotal − ( S ia + S Th ) = 2 vtotal − ( S ia + S Th ) Rcontreréaction photodiode Pour déterminer la densité spectrale de bruit en courant thermique résiduelle, on mesure la densité de bruit en courant total pour une tension de polarisation nulle. On obtient ainsi : S itotal = S Th = S itotal − S ia = S R vtotal 2 contreréaction S R vtotal 2 contreréaction − S ia = S ia + S APD = S ia + S Th S Th = 4.10 −30 A 2 / Hz 31/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VII Caractérisation expérimentale des composants. VII.2.3. Relevé de la densité spectrale de bruit en courant de l’APD 2 Densité Spectrale de Bruit en courant: Avalanche vs PIN Si (A^2/Hz) 1,00E-25 1,00E-26 1,00E-27 1,00E-28 1,00E-29 Siobs + Sithermique résiduel (A^2/Hz) Siobs vrai (A^2/Hz) 1,00E-30 1,00E-12 2qIobs (A^2/Hz) 1,00E-11 1,00E-10 Dépletion de la Multiplication Multiplication jonction inhomogène homogène 1,00E-09 Iobs (A) Courbe VII-2: Densité spectrale de bruit en courant à l’obscurité en fonction du courant d’obscurité Dans un premier temps on constate lorsque il n’y a pas d’effets de multiplication que les bruits des photodiodes PIN et APD sont du même ordre de grandeur. Lorsque la multiplication commence (Iobs=4E-11) on observe que la photodiode avalanche présente un excès de bruit croissant exponentiellement avec le courant. Remarque : Pour des tensions de polarisation proche de la tension d’avalanche on observe une augmentation du Bruit en 1/f. Cette augmentation est due à la dégradation des anneaux de gardes qui confinent moins bien le courant de la photodiode. VII.4. Détermination de la puissance minimum détectable l’APD 2 La Puissance Equivalente de Bruit (PEB) est la puissance minimum détectable part le composant. Elle est un paramètre essentiel qui permet de juger de la qualité d’un photodétecteur. On la défini comme étant la puissance de signal équivalent au bruit du S =1 composant c’est-à-dire lorsqu’on a un rapport Signal à Bruit unitaire : N Soit S le courant crée par le flux de puissance minimum détectable : 32/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VII Caractérisation expérimentale des composants. S = N = ( S ampli + S APD ).∆f = ( S ia + ( S iobs + S Th )).∆f S = ( S ia + 2qIobsM 2 F ( M )).∆f = ( S ia + 2qIobsM 2 M xobs ).∆f = ( Sia + 2qIobsM 2+ xobs ).∆f De plus on a : I photocréer (λ ,V ) = σ M (λ ,V ).Popt (λ ) et I photocréer (λ ,V ) = M (λ ,V ).σ primaire (λ ,V ).Popt (λ ) On obtient : PEB = S S = σ M (λ ,V ) M .σ primaire (λ , V ) PEB = ( S ia + 2qIobsM 2 F ( M )).∆f M .σ primaire (λ , V ) PEB = = ( S ia + 2qIobsM 2 M xobs ).∆f M .σ primaire (λ , V ) = ( S ia + 2qIobsM 2+ xobs ).∆f M .σ primaire (λ , V ) ( S ia / M 2 + 2qIobsM xobs ).∆f σ primaire (λ , V ) Puissance de Bruit Minimum Détectable par cette photodiode avalanche Puissance min détectable (dBm) 0,00 Sampli=10^-25 A2/Hz SIobs=6.10^-26 A2/Hz f=25GHz -5,00 -10,00 -15,00 -20,00 pour M=10 (fonctionnement normal de la PDA) on constate que la puissance de bruit équivalente détectée est de l'ordre de -31 dBm cad 0,8 W -25,00 -30,00 -35,00 -40,00 -45,00 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Facteur de multiplication Mp Courbe VII-3 - Puissance de bruit minimum détectable Pour un fonctionnement normal de la photodiode à M=10 (Vinv=40 V et Iobs=10 nA) la puissance de bruit minimum détectable est de -30 dBm. On obtient donc la même PEB que des photodiodes fonctionnant à 10 Ghz dans les data-sheet des fabricants. Ce composant est donc utilisable pour des applications longues distances à 25 Ghz. Cependant il ne permettra pas d’augmenter la distance entre deux répéteurs. 33/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VII Caractérisation expérimentale des composants. VII.5. Conclusions sur les mesures. On a pu procéder à la mesure des caractéristiques courant tension de deux photodiodes avalanche fonctionnant à 25 GHz. Une recherche dans l’état de l’art nous a permit d’avoir des points de comparaison avec des photodiodes fonctionnant dans les mêmes conditions mais à seulement 10 GHz. Cela a permit de montrer que nous pouvions obtenir les mêmes performances en termes de PEB. De plus, nous obtenons des courants d’obscurité relativement faibles (APD 1 20 nA et APD 2 0,8 nA) comparées aux données fabricants. Cependant, de part sa fabrication l’APD 2 présente un défaut du à la zone graduelle trop fine qui ne joue pas son rôle de barrière de potentiel. De ce fait on ne distingue pas de paliers comme pour l’APD 1, puisque la zone d’absorption est déjà déplétée sous faible polarisation. On pourrait penser que l’APD 2 de part son courant d’obscurité plus faible au point de fonctionnement (M=10) serait plus performante, il ne faut cependant pas oublier le défaut de la zone graduelle qui sous éclairement de la photodiode pourrais laisser passer des électrons primaires photo-crées jusqu’a la zone de multiplication ce qui rajouterais un excès de bruit plus important que pour l’APD 1. 34/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VII Caractérisation expérimentale des composants. VIII. Conclusion générale Le travail effectué au CEM2 de l’université Montpellier II portant sur l’état de l’art et la caractérisation de photodiodes APD fournisse par THALES AVANEX révèle que le débit des réseaux très longues distances va pouvoir être augmenter avec ce type de composants en gardant une même PEB que pour les composants déjà utilisé sur le marché des télécommunications. On pourra avec ces photodiodes dans les conditions décrites détecter des flux lumineux de 4 à 6 W pour un rapport Signal/bruit=5. Les technologues ne pourront donc pas augmenter la distance inter-répéteurs. Dans la suite de ce travail il serait utile de caractériser ces deux photodiodes sous éclairement afin de confirmer l’hypothèse d’une mauvaise réalisation de la zone graduelle de l’APD 2 qui provoquerais un excès de bruit dû aux électrons photocrées. Ce projet nous a permit de réaliser des mesures de bruits dans de bonnes conditions expérimentales et d’approfondir nos connaissances dans ce domaine des réseaux optiques sous marins. 35/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VII Caractérisation expérimentale des composants. Bibliographie Livres consultés : « Optoélectronique » Emmanuel ROSENCHER, Edition DUNOD, 2002 « Physique des semi-conducteurs et des composants électroniques » Henry MATHIEU, Edition DUNOD, 2004 « Réseaux Internet, Téléphonie, Multimédia – Convergences et complémentarités » Daniel HARDY, Guy MALLEUS, Jean-Noël MEREUR, Edition De Boeck Université, 2002 Thèses et Compte rendus lus : « Etude et faisabilité d’un détecteur à très faible niveau de puissance optique (pW) » B. Orsal, A. Trousellier, M. Myara, P. Signoret « Simulation de systèmes de télécommunications par fibre optique à 40 Gbits » Jean-Louis VERNEUIL, 2003 « Conception et modélisation de la répartition de l’horloge des systèmes intégrés par voie optique » Grzegorz TOSIK, 2004 « La compensation de dispersion chromatique pour les systèmes de transmission haut débit » David PUREUR, Eric DELEVAQUE, Alain MUGNIER, 2004 « Photodiode UTC et oscillateur différentiel commandé en tension à base de TBdH InP pour récupération d’horloge dans un réseau de transmission optique à très haut débit » Suwimol WITHITSOONTHORN, 2004 « Application des technologies CMOS sur SOI aux fonctions d’interface des liens de communication haut débit (>10Gbit/s) » David AXELRAD, 2005 36/37 Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin Chapitre VII Caractérisation expérimentale des composants. Sites Web visités : http://www.abcelectronique.com/divers/dossiers/photodetecteurs/chap3.phtml http://www.unice.fr/dess_ntic/Intro_Telecom/print.htm http://www.telecom.gouv.fr/documents/yoleopto/telecom.htm Sites des constructeurs : JDS UNIPHASE : http://www.jdsu.com/ CYOPTICS : http://www.cyoptics.com/ SENSORS : http://www.sensorsinc.com/ EMCORE : http://www.emcore.com/ PICOMETRIX : http://www.picometrix.com/about_picometrix.html 37/37
