PD暗電流對ROSA靈敏度的影響分析

  ICC訊 來自Sifotonics文章指出，光通信應用中光接收組件PD ROSA的靈敏度由ROSA中PD光響應度和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)生的隨機性有關(guān)。散粒噪聲與PD工作時的總電流直接相關(guān)，而PD工作時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=響應度X入射光功率，對于25G PD ROSA，我們可以假設靈敏度為-17dBm，PD響應度為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PD暗電流為1uA時，PD的散粒噪聲相對于暗電流為1nA時上升不到5%，因此對25G PD來說，1uA的暗電流對PD散粒噪聲的貢獻小于5%。

  ROSA噪聲的另一個來源是TIA噪聲，使用等效輸入噪聲電流iTIA表示，是TIA的一項重要的性能參數(shù)，TIA的規(guī)格書中均會標示此參數(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)，我們設定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PD暗電流小于1uA時， ROSA的總噪聲相比單獨TIA噪聲(1.5uA)，只增大了2.5%。這是因為PD的散粒噪聲本身相對于TIA的噪聲小了接近一個數(shù)量級，因而對整體的噪聲貢獻很小。

  即使當PD的暗電流達到10uA時，PD散粒噪聲的貢獻也只占不到4%。利用此ROSA的噪聲電流可以進一步計算出ROSA的靈敏度，如下圖所示：

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

  從上述的計算結(jié)果可以看出，對于25G PD ROSA，由于TIA的噪聲電流在整個ROSA的靈敏度影響因素中占了絕對主導地位，PD的暗電流大小對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個數(shù)量級(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。