李永亮，余健輝，張 軍

(暨南大學 理工學院 廣州市可見光通信重點實驗室，廣東 廣州 510632)

引言

近年來，隨著LED照明光源的發(fā)展，可見光通信(visible light communication，VLC)由于具有良好的發(fā)展前景而備受關注[1]。然而，VLC的商用化，必須解決自身的小型化、寬帶、弱光信號接收以及雙向通信等關鍵問題。在雙向通信中，由于雪崩光電二極管(avalanche photodiode，APD)具有內部增益，其產生的光電流往往比PIN光電二極管的大一個數量級以上[2]，因此APD已被廣泛應用于光通信領域的微弱光信號的高速通信[3]。目前，APD的研究主要集中在結構研究[4]、性能研究[5]和單光子探測器研究[6-8]，但對于APD應用較少涉及。

通常，大多數用于研究的檢測平臺都是搭建在特定的實驗室，實驗條件比較穩(wěn)定，很少考慮APD模塊的安裝尺寸、工作環(huán)境對它的影響以及自身的散熱問題，但是實驗表明不同的溫度會影響APD的雪崩增益、響應度等性能參數[9]。相比之下，大部分研究者都只專注于研究檢測方法[10-11]，不斷改進檢測方法和搭建不同的檢測系統(tǒng)[12-13]，但對整個檢測及應用模塊缺乏改善，不利于VLC的推廣和發(fā)展。

本文設計制作了一種能恒溫控制的APD探測器模塊，整個模塊結構緊湊、小巧實用，方便APD探測器性能參數的檢測以及實際VLC系統(tǒng)中的安裝使用。在自制探測器模塊的基礎上，本文測量其穩(wěn)定性并進行恒溫控制探究溫度對APD的影響，更進一步研究了負載電阻對噪聲檢測的影響，為下一步研究高頻APD的性能參數打下了基礎。

1 探測器模塊

作為VLC接收端探測器模塊，為了使探測器便于拆裝、更換和檢測，同時小巧易用，APD探測器模塊結構設計尺寸為41 mm×43 mm×28 mm，如圖1所示。

圖1 模塊示意圖與實物圖Fig.1 Module sketch and physical map

2 測量原理

2.1 基本參數的測量原理

APD的兩個基本性能參數[14]分別為：雪崩增益(M)和響應度(R)

(1)

式中：Ip為不同反向偏置電壓下的光電流；Id為對應的暗電流；Ip0為M=1時的初始光電流；Id0為初始暗電流；P為入射光的光功率。

APD探測器模塊的穩(wěn)定性通過檢測APD的基本性能參數來驗證。實驗儀器：數字源表(Keithley 2450)；MW-RRL-635光纖激光器，峰值波長為635 nm±5 nm，入射光功率設定為5.086 μW；日本濱松光子學的S12053-02硅基APD(APDs)。

2.2 過剩噪聲因子的測量原理

由于碰撞電離過程的隨機性，APD的雪崩增益會產生漲落，該漲落會引入過剩的噪聲，稱為過剩噪聲因子，并且與雪崩增益呈正相關[15]。根據中國人民共和國電子行業(yè)標準SJ/T2354-2015，可以推導得到APD的過剩噪聲因子的表達式[14]：

(2)

圖2 噪聲測量系統(tǒng)框圖 Fig.2 Block diagram of noise measurement system

3 實驗結果與分析

3.1 探測器模塊的穩(wěn)定性和溫控實驗

選取APD雪崩增益M=1時的初始光電流作為評定參數，在室溫條件下連續(xù)拔插光纖接口3次進行測量，得到重復測量平均相對偏差為0.795%，說明該模塊的穩(wěn)定性較好。

室溫條件下，探測器模塊恒溫控制為27.1 ℃±0.05 ℃、24.5 ℃±0.30 ℃和20.4 ℃±0.15 ℃，測得光電流后計算得到響應度和雪崩增益曲線，如圖3所示。當反向偏置電壓大于110 V時，溫度對APDs輸出光電流的影響逐漸增大，說明反向偏置電壓在逐漸接近反向擊穿電壓時，探測器模塊的溫度越低雪崩增益越大。

圖3 不同溫度下APDs的基本參數Fig.3 Basic parameters of APDs at different temperatures

3.2 過剩噪聲因子

圖4是噪聲電壓譜密度及數字源表測量得到的APDs電阻隨反向偏置電壓的變化。當反向偏置電壓為0 V～40 V時，APDs電阻逐漸增大，導致負載電阻上的分壓逐漸減小，過剩噪聲電壓的增加量小于負載電阻電壓的減小量，造成噪聲電壓譜密度逐漸減??；當反向偏置電壓為40 V～128 V時，APDs電阻逐漸減小，導致負載電阻上的分壓逐漸增大，由此增加了額外的噪聲電壓譜密度。最終測量得到的電壓譜密度既含有APDs產生的噪聲電壓譜密度，又包含負載電阻分壓變化引入的噪聲電壓譜密度。因此可以預見在噪聲電壓譜密度逐漸減小的區(qū)域內測量得到的過剩噪聲因子相比真實值偏小，在逐漸增大的區(qū)域測量得到的過剩噪聲因子則比真實值偏大。

圖4 噪聲電壓譜密度及APDs電阻Fig.4 Voltage spectral density of noise and resistance of APDs

圖5實驗結果顯示APDs電阻隨著入射光功率的增大而減小。

圖5 APDs電阻測量Fig.5 Measurement of resistance of APDs

圖6實驗結果顯示在相同的雪崩增益下，過剩噪聲因子隨著入射光功率的增大而增大。因為入射光功率越大會使APDs電阻越小，從而負載電阻上的分壓會越大，測量得到的噪聲電壓譜密度也會越大，進而計算得到的過剩噪聲因子也會越大。同時根據 McIntyre模型[15]對圖6中的3組結果進行線性擬合得到斜率k(碰撞電離系數比)，其中最小的是k=0.988，遠大于APDs公認的值[4](k<0.1)，這也進一步說明在APDs過剩噪聲因子的測量過程中，APDs內阻的變化影響負載電阻上的分壓，使得測量值遠大于真實值。

圖6 APDs的過剩噪聲因子測量Fig.6 Measurement of excess noise factor of APDs

4 結論

設計制作了一種VLC系統(tǒng)用APD探測器模塊，尺寸為41 mm×43 mm×28 mm。其光電流的相對平均偏差為0.795%；在恒溫實驗中，結果表明APDs的基本性能參數隨著溫度的降低而提高。因此在實際應用中，通過提高反向偏置電壓與降低溫控溫度相配合，更加有利于弱光檢測。在APDs的過剩噪聲因子測量過程中，由于APDs的電阻隨著反向偏置電壓和入射光功率的變化而變化，影響負載電阻上的分壓，使得過剩噪聲因子的測量值遠大于真實值，且會隨著入射光功率的增大而增大。該問題的發(fā)現有助于改進APD的過剩噪聲因子的檢測方案，并為制定相關標準提供參考。