PD暗电流对ROSA灵敏度的影响分析

  ICC讯 来自Sifotonics文章指出，光通信应用中光接收组件PD ROSA的灵敏度由ROSA中PD光响应度和ROSA的噪声决定。ROSA噪声包含PD的噪声和TIA的噪声。

  PD在反偏工作状态下的噪声主要是散粒噪声，它与载流子产生的随机性有关。散粒噪声与PD工作时的总电流直接相关，而PD工作时的电流包含光电流和暗电流两部分。

  PD的散粒噪声iPDshot与PD光电流Iphoto以及暗电流Idark的关系如下式(1)表示：

  公式中q为电子电荷，B为ROSA带宽。

  PD的光电流=响应度X入射光功率，对于25G PD ROSA，我们可以假设灵敏度为-17dBm，PD响应度为0.8A/W，则PD的光电流为20uW x 0.8A/W=16uA。

  根据公式(1)的计算可以得到散粒噪声iPDshot与PD暗电流Idark的关系曲线如下图：

  从上图中可以看出，当PD暗电流为1uA时，PD的散粒噪声相对于暗电流为1nA时上升不到5%，因此对25G PD来说，1uA的暗电流对PD散粒噪声的贡献小于5%。

  ROSA噪声的另一个来源是TIA噪声，使用等效输入噪声电流iTIA表示，是TIA的一项重要的性能参数，TIA的规格书中均会标示此参数。PD ROSA总的噪声iPIN-TIA有下式(2)表示:

  根据目前市面上主流TIA的参数，我们设定TIA的等效输入噪声电流为1.5uA RMS, 则可以根据上述公式(2)得到不同PD暗电流与ROSA的总噪声关系如下图：

  从图中可以看出，当PD暗电流小于1uA时， ROSA的总噪声相比单独TIA噪声(1.5uA)，只增大了2.5%。这是因为PD的散粒噪声本身相对于TIA的噪声小了接近一个数量级，因而对整体的噪声贡献很小。

  即使当PD的暗电流达到10uA时，PD散粒噪声的贡献也只占不到4%。利用此ROSA的噪声电流可以进一步计算出ROSA的灵敏度，如下图所示：

  图中不同PD暗电流下的灵敏度计算结果显示，即使PD暗电流在10uA时，其ROSA灵敏度和暗电流只有1nA时相比，也只劣化了不到0.1dB。而对于PD从1nA增加到1uA，ROSA灵敏度几乎完全不变。

  从上述的计算结果可以看出，对于25G PD ROSA，由于TIA的噪声电流在整个ROSA的灵敏度影响因素中占了绝对主导地位，PD的暗电流大小对ROSA灵敏度影响已经非常小。

  这就从理论上解释了目前暗电流比传统III-V族材料高2个数量级(1nA vs. 100nA)的Ge/Si PD ROSA的灵敏度和InGaAs材料的PD ROSA一样甚至更好。