DE2257181A1

DE2257181A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR THE CONVERSION OF LIGHT SIGNALS INTO ELECTRICAL SIGNALS WITH AN AVALANCHE PHOTODIOD

Info

Publication number: DE2257181A1
Application number: DE19722257181
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Phys Dr Boerner; Oskar Dipl Ing Dr Krumpholz; Siegfried Schulz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1972-11-22
Filing date: 1972-11-22
Publication date: 1974-05-30

Description

"Schaltungsanordrung zur Umwandlung von Lichtsignalen in elektrische Signale mit einer Avalanche-Photodiode Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung von Lichtsignalen in elektrische Signale mit einer Avalanche-Photodiode, bei der Mittel zur Sompensaticn temperaturbedingter Änderungen des Verstärkungsfaktors der Avalanche-Photodiode vorgesehen sind."Circuit arrangement for converting light signals into electrical ones Signals with an avalanche photodiode The invention relates to a circuit arrangement for converting light signals into electrical signals with an avalanche photodiode, in the means of compensating temperature-related changes in the gain factor the avalanche photodiode are provided.

Als Lichtempfänger zur Umwandlung kurzer Lichtsignale in elektrische Signale setzt man vorteilhaft Avalanche-Photodioden ein.As a light receiver for converting short light signals into electrical ones It is advantageous to use avalanche photodiodes for signals.

Betreibt man sie mit einer Sperrspannung knapp unterhalb des Wertes in dem die Feldstärke so groß wird, daß ein Durchbruch erfolgt, so werden die durch Lichteinstrahlung in der Diode erzeugten Ladungsträger infolge Stoßionisation vervielfacht. Für eine gegebene Lichtleistung stellt das Verhältnis von Photostrom bei hoher Spannung zu Photostrom bei niedriger Spannung, bei der noch keine Stoßicnisation vorkommt, die in der Diode erzielte Verstärkung dar. Im Avalanchebetrieb erzielt man auch bei kleinen Lichtleistungen gut verarbeiztare Ausgangsspannungen, wobei das Eigenrauschen klein bleibt. If you operate it with a reverse voltage just below the value in which the field strength is so great that a breakthrough occurs so the charge carriers generated by light irradiation in the diode are as a result Impact ionization multiplied. For a given light output, the ratio is from photocurrent at high voltage to photocurrent at low voltage at which No shock icnisation has yet occurred, which represents the gain achieved in the diode. Im Avalanche operation can be easily processed even with low light outputs Output voltages, with the inherent noise remaining small.

Die mit einer derartigen Avalanche-Photodiode (APD) erzielbare Verstärkung eines schwachen Lichtsignals ist nun keineswegs konstant, sondern abhängig von der Umgebungstemperatur, der die Avalanche-Photodiode ausgesetzt ist. Der Faktor, um den die Anzahl der durch das auftreffende Licht ausge'östen Ladungsträger infolge Stoßionisation vergrossert wird, wird sehr stark von der Temperatur beeinflußt.The gain that can be achieved with such an avalanche photodiode (APD) a weak light signal is now by no means constant, but dependent on the Ambient temperature to which the avalanche photodiode is exposed. The factor to because of the number of charge carriers released by the incident light Impact ionization is enlarged is very much influenced by the temperature.

Besonders nachteilig ist das in optischen Nachrichtensystemen, bei Genen beispielsweise halbleiterlaser als Lichtsender, Glasfserwel%enleiter als Übertragungsmedium und Ävalanche-Photodioden als Lichtempfänger verwendet werden.This is particularly disadvantageous in optical communication systems Genes, for example, semiconductor lasers as light transmitters, glass fiber conductors as transmission medium and Ävalanche photodiodes can be used as light receivers.

Aufgrund der relativ hohen Dämpfung des Ubertragungsmediums ist es erforderlich, auf längeren Übertragungsstrecken eine Vielzahl von Verstärkern vorzusehen, die ebenfalls alle Halbleiterlaser und Avalanche-Photodioden enthalten.Because of the relatively high attenuation of the transmission medium, it is it is necessary to provide a large number of amplifiers on longer transmission routes, which also contain all semiconductor lasers and avalanche photodiodes.

Sie Betriebssicherheit dieses Systems kann nachteilig beeinflußt werden wenn die bei der Planung des Systems festgelegten Pegelverhältnisse etwa durch Temperatureinfluß auf die Verstärkung der Avalanche-Photodioden unvorherziehbar gestört werden.The operational safety of this system can be adversely affected if the level ratios specified in the planning of the system are due to the influence of temperature, for example on the amplification of the avalanche photodiodes are unpredictably disturbed.

Um diese Nachteile zu vermeiden'könnte dafür gesorgt werden, daß die Avalanche-Photodiode stets der gleichen Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Beispielsweise wäre das mit Vorrichtungen erreichbar, die auf dem Peltier-Effekt beruhen.In order to avoid these disadvantages, it could be ensured that the Avalanche photodiode is always exposed to the same ambient temperature. For example this could be achieved with devices based on the Peltier effect.

Derartige Vorrichtungen sind jedoch relativ aufwendig und können bei der Vielzahl der Avalanche-Photodioden die Wirtschaftlichkeit dieses Übertragungssystems in Frage stellen.However, such devices are relatively expensive and can with the large number of avalanche photodiodes the profitability of this transmission system to question.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Schaltungsanordnung anzugeben, bei der temperaturbedingte Verstärkungsänderungen bei Avalanche-Photodioden kompensiert werden.The invention is based on the object of a simple circuit arrangement specify the temperature-related gain changes in avalanche photodiodes be compensated.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene ErfinzunS gelös;. Sie bietet den Vorteil, daß durch Temperaturänderungen bewirkte Schwankungen des Verstärkungsfaktors der Avalanche-Photodiode weitgehend kompensiert werden. Dabei wird diese Kompensation durch wenige Bauelemente erreicht, die auf einfache Weise zusätzlich zur als Lichtempfänger vorgesehenen Avalanche-Fbotodiode in einer Schaltung angeordnet werden können. Der geringe Herstellungapreis dieser Bauelemente verteuert die Kosten der Schaltungsanordnung nicht wesentlich.This object is achieved by the invention specified in claim 1. It offers the advantage that fluctuations in the temperature caused by changes in temperature The gain factor of the avalanche photodiode can be largely compensated for. Included this compensation is achieved by a few components in a simple manner in addition to the avalanche photodiode provided as a light receiver in a circuit can be arranged. The low production price of these components makes them more expensive the cost of the circuitry is not significant.

Bei Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 ergibt sich der Vorteil, daß die Durchbruchs spannung der Avalanche-Photodiode 20 nicht unbedingt kleiner sein muß als diejenige der APD 10.In the embodiment of the invention according to claim 2, there is the advantage that the breakdown voltage of the avalanche photodiode 20 is not necessarily smaller must be than that of the APD 10.

Eei Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 ergibt sich schließlich der Vorteil, daß für die APD 20 eine APD mit nehezu beliebiger Durchbruchsspannung verwendet werden kein.Eei embodiment of the invention according to claim 3 finally results the advantage that for the APD 20 an APD with almost any breakdown voltage are not used.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung mit den Figuren 1 bis 4 näher erläutert.Embodiments of the invention are based on the drawing Figures 1 to 4 explained in more detail.

Dabei zeigt: Figur 1 feine übliche Schaltungsanordnung mit einer Avalanche-Photodiode ohne Temperaturkompensation.It shows: FIG. 1 fine conventional circuit arrangement with an avalanche photodiode without temperature compensation.

Figur 2 Eine Schaltungsanordnung mit Temperatürkompensation gemäß der Erfindung.FIG. 2 shows a circuit arrangement with temperature compensation in accordance with the invention.

Figur 3 Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.Figure 3 Another embodiment of the invention.

Figur 4 Ein durch einen Spannungsregler erweitertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.FIG. 4 an exemplary embodiment expanded by a voltage regulator the circuit arrangement according to the invention.

In Figur 1 ist 10 eine Avalanche-Photodiode, an der über einen Vorwiderstand 11 die von der Spannungsquelle 12 gelieferte Betriebsspannung U0 anliegt.In FIG. 1, 10 is an avalanche photodiode to which a series resistor 11 the operating voltage U0 supplied by the voltage source 12 is present.

Die b Auftreffen eines modulierten Lichtstrahls auf die Avalanche-Photodiode entstehende Wechselspannung wird über Sen Kondensator 13 und das Koaxialkabel 14 einem als Abscblußwiderstand 15 dargestellten Verbraucher zugeleitet.The b impingement of a modulated light beam on the Avalanche photodiode The alternating voltage produced is passed through the Sen capacitor 13 and the coaxial cable 14 fed to a consumer shown as a shut-off resistor 15.

Bei Erhöhung der Umgebungstemperatur steigt die Durchbruchsspannung einer Avalanche-Photodiode an. Sofern die an der Diode liegende Sperrspannung konstant bleibt, verringert sich daraufhin die Ladungsträgermultiplika tion infolge Stoßionisation und entsprechend sinkt die Verstärkung.When the ambient temperature increases, the breakdown voltage increases an avalanche photodiode. Provided that the reverse voltage applied to the diode is constant remains, the charge carrier multiplication is then reduced as a result of impact ionization and the gain decreases accordingly.

Durch entsprechende Erhöhung der Sperrpannung dagegen läßt sich die tenperaturbedingte Verringerung der Verstärkung wieder rückgängig machen.By increasing the reverse voltage accordingly, the Undo the decrease in gain caused by the temperature.

Figur 2 zeigt dazu ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit Temperaturkompensation. Die Schaltungsteile 10, 11, 12 und 13 entsprechen genau den schon in Figur 1 dargestellten. Der Reibenschaltung von Avalanche-Photodiode 10 und Vorwiderstand 11 ist eine weitere Avalanche-Photodiode 20 parallel gescholtet, an die über einen weiteren Vorwiderstand 21 die von der Spannungsquelle 12 gelieferte Sperrspannung U0 gelegt ist, Diese weitere zur Temperaturkompensation in der Schaltung angeordnete Avalanche-Photodiode 20, die nicht mit Lichtstrahlung beaufschlagt wird, sollte in ihrem Temperaturverhalten angenähert mit der Avalanche-Photodiode 10 übereinstimmen. Durch konstruktive Maßnahmen bei zu i der Realisierung der Schaltungsanordnung ist zudem darauf zu achten, daß beide Dioden der gleichen Umgebungstemperatur ausgesetzt sind. Die an der Diode 20 liegende Sperrspannung U (#) ist unter diesen Bedingungen mit einem Temperaturgang behaftet, der dem Temperaturgang der Verstärkung der Diode 10 entgegengerichtet ist undhn weisgehend kompensiert; dabei muß die Durchbruchsspannung dieser weiteren Avalanch-Photoio'e 20 kleiner sein als diejenige der Diode 10.FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the circuit arrangement according to the invention with temperature compensation. The circuit parts 10, 11, 12 and 13 correspond exactly those already shown in FIG. The friction circuit of avalanche photodiode 10 and series resistor 11, another avalanche photodiode 20 is connected in parallel, to the via a further series resistor 21 from the voltage source 12 provided reverse voltage U0 is applied, this further for temperature compensation arranged in the circuit avalanche photodiode 20 that does not emit light is applied should be approximated in their temperature behavior with the avalanche photodiode 10 match. By means of constructive measures in relation to i the implementation of the circuit arrangement It is also important to ensure that both diodes are exposed to the same ambient temperature are. The reverse voltage U (#) across the diode 20 is under these conditions afflicted with a temperature response that corresponds to the temperature response of the gain of the diode 10 is in the opposite direction and compensates for it wisely; the breakdown voltage must be of these further Avalanch Photoio'e 20 be smaller than that of the diode 10.

Im L',sführ'gsbeispiel nach Figur 3 ist zusätzlich ein Widerstand 30 vorgesehen, der der APD 10 parallel geschaltet ist. Diese Schaltungsanordnung ist dann geeignet wann zur Temperaurkompensation eine APD 20 verwenist werden so'i, deren Durchbruchsspannung nicht genügend :Tt ist jene der APD 10. Durch Spannungsteilung mittels stande 30 und 11 ist auch in diesem Fall dafür daß die APD 10 mit einer geeigneten Sperrspanung beaufschlagt wird.In the example according to FIG. 3, there is also a resistor 30 is provided, which the APD 10 is connected in parallel. This circuit arrangement is then suitable when an APD 20 is used for temperature compensation so'i, whose breakdown voltage is insufficient: Tt is that of APD 10. By voltage division means 30 and 11 is also in this case that the APD 10 with a suitable blocking voltage is applied.

Am Aucführungsbeispiel gemäQ Figur 4 ist zusätzlich zum husfühßungsbeispiel nach Figur 2 noch ein .Spannungsregler 40 mit Sollwert-Istwert-Vergleich in den Leitungszug wisch Kathode der APD 20 und Widerstand 11 eingeschaltet.On the exemplary embodiment according to FIG. 4 is in addition to the exemplary embodiment According to FIG. 2, another voltage regulator 40 with a setpoint / actual value comparison in the Cable run between the cathode of the APD 20 and resistor 11 switched on.

Dadurch ist einerseits eine höhere Belastung der Spannungsquelle N (#) möglich, andererseits ist die Verwendung von Avalanche-Photodioden mit nahezu beliebigen Durchbruchss?annurlgen zur Temperaturkompensation zugelassen.On the one hand, this results in a higher load on the voltage source N. (#) possible, on the other hand the use of avalanche photodiodes with almost any breakthrough hole allowed for temperature compensation.

Es bedarf keines weiteren Hinweises, daß Feinheiten der Temperaturkompensation noch durch Wahl des Temperaturkoeffizienter der in der Schaltung verwendeten Widerstände beeinflußt werden können.There is no need for any further indication that the subtleties of temperature compensation nor by choosing the temperature coefficient of the resistors used in the circuit can be influenced.

Die Schaltungen nach Figuren 2 bis 4 eignen sich natürlich auch zu einer monolithischen Integration auf einem einzigen Halbleiterchip. Das hat hier insbesondere den Vorteil, daß alle E Elemente bei Aufbau auf einer entsprechenden Wärmesenke mit Sicherheit die gleiche Temperatur besitzen.The circuits according to Figures 2 to 4 are of course also suitable a monolithic integration on a single semiconductor chip. That has here in particular, the advantage that all E elements when built on a corresponding Heat sink will certainly have the same temperature.

Claims

Patent claims

Circuit arrangement for converting light signals into electrical ones Signals with an avalanche photodiode, but which has a series resistor with a reverse voltage is applied to the means for compensating for temperature-related changes of the amplification factor of the avalanche photodiode are provided, characterized in that that the means for compensating temperature-related changes in the gain factor the avalanche photodiode (10) essentially consists of a further avalanche photodiode (20) exist, which have approximately the same temperature behavior as the avalanche photodiode (10), which is polarized in the reverse direction via a series resistor (21) with a voltage source (12) is connected, which continues to be arranged in such a way in the circuit is that although it is the same ambient temperature as the avalanche photodiode (10) is exposed but not exposed to light rays, and that the Avalanche photodiode (10) is arranged in rer circuit that it has a Prewiaersind 11) with the reverse voltage applied to the avalanche photodiode (20) is applied.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that a further resistor (30) is connected in parallel to the avalanche photodiode (10).

3. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that Pic voltage regulator (40) is provided, the input of which with that of the avalanche photodiode (2C) lying reverse voltage is applied, and its output with the series connection a resistor (R11) and an avalanche photodiode (10) is connected.

4. Circuit arrangement according to Claims 1 to 3, characterized in that that the circuit arrangement is manufactured in monolithically integrated technology.

L e r s e i t e