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Diese Erfindung betrifft einen abstimmbaren optischen Empfänger
mit einer Fotodiode, einer Vorspanneinrichtung, um über die
Fotodiode eine Sperr-Vorspannung anzulegen, und einer
elektronischen Impedanzanpassungs-Vorrichtung, die mit der Fotodiode
verbunden ist, um einen Anschluß zum Anschließen an eine Last
bereitzustellen, wobei die Impedanzanpassungs-Vorrichtung bei
einer abgestimmten Frequenz in Resonanz mit der
Sperrschichtkapazität der Fotodiode ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls einen abstimmbaren
Empfänger mit einer Fotodiode und einer Impedanzanpassungs-
Vorrichtung, die mit der Fotodiode verbunden ist, um einen
Anschluß zum Ankoppeln an eine Last bereitzustellen, wobei die
Impedanzanpassungs-Vorrichtung bei der abgestimmten Frequenz
in Resonanz mit der Sperrschichtkapazität der Fotodiode ist.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Empfangen
von radiofrequenz-modulierter optischer Energie mit den Schritten
von Zuführen der optischen Energie zu einer optoelektronischen
Anordnung; Ankoppeln der optoelektronischen Anordnung über eine
Impedanzanpassungsschaltung an eine Last, wobei die
Impedanzanpassungsschaltung und die Sperrschichtkapazität der
optoelektronischen Anordnung in Resonanz treten, um eine der
Radiofrequenz-Modulationsfrequenz entsprechende abgestimmte
Frequenz festzulegen.
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Ein abstimmbarer optischer Empfänger von dieser Art und eine
entsprechende Methode sind offenbart in Patent Abstracts of
Japan, Band 2, Nr. 68, 24. Mai 1978, Seite 2360 E 78, und JP-A-53
33083 (NIPPON DENSHIN DENWA KOSHA), 28. März 1978. In diesem
Empfänger aus dem Stand der Technik wird die Frequenzabstimmung
durch einen verstellbaren Drehkondensator bewirkt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine Lösung für eine elektronische
Abstimmbarkeit des optischen Empfängers mit den begleitenden
Vorteilen zu schaffen.
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Im Hinblick auf den eingangs spezifizierten optischen Empfänger
wird diese Aufgabe durch das Bereitstellen von Mitteln zum
elektronischen Abstimmen der Fotodiode durch Verändern der
Vorspannungseinrichtung gelöst, um die Sperr-Vorspannung über
der Fotodiode und damit die Sperrschichtkapazität der Fotodiode
zu verändern.
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Die vorliegende Erfindung schafft insbesondere einen abstimmbaren
faseroptischen Empfänger für den Signalempfang von schmalbandiger
Radiofrequenz (RF), Mikrowellen oder Millimeterwellen MMW. Die
Erfindung kann eine elektronisch abstimmbare Bandbreite von
wenigstens 25 % zeigen, und zwar mit einer 9 dB Reduzierung
des Verlustes der Faseroptikkopplung über einer schmalen
Bandbreite bei X-Band Mikrowellenfrequenzen im Vergleich zu
der Leistung des besten verfügbaren
Breitband-Faseroptikempfängers. Die Mittenfrequenz des Lichtleiterempfängers kann
in der Größenordnung von 10 ns von einer Frequenz auf eine andere
abgestimmt werden.
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Der faseroptische Empfänger verwendet eine Fotodiode, welche
durch Veränderung der Sperr-Vorspannung elektronisch abstimmbar
ist. Die Fotodiodenimpedanz ist durch Verwendung einer
Impedanzanpassungsschaltung über eine schmale Bandbreite an die Impedanz
der Empfängereingangsschaltung (nominal 50 Ohm) angepaßt.
Änderungen in der Vorspannung an der Fotodiode bewirken, daß
sich die Sperrschichtkapazität der Fotodiode verändert. Die
Änderung in der Reaktanz der Fotodiode mit der Sperrspannung
bewirkt eine Verschiebung der Betriebs-Mittenfrequenz. Wegen
seiner schnellen Abstimmbarkeit weist der Empfänger eine große
effektive Bandbreite auf, obwohl die aktuelle Bandbreite der
Schaltung an sich schmal ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel des eingangs spezifizierten
abstimmbaren Empfängers ist die Erfindung dadurch charakterisiert,
daß die Fotodiode einen Anschluß und neben dem Anschluß einen
ersten Bereich aufweist, wobei der erste Bereich von einer Breite
größer als die mittlere Photonen-Eindringtiefe ist; und ist
weiter gekennzeichnet durch Mittel zum elektronischen Abstimmen
der Fotodiode durch Verändern einer Vorspannungs-Einrichtung,
um die Sperr-Vorspannung über der Fotodiode und dadurch die
Sperrschichtkapazität der Fotodiode zu ändern.
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Im Hinblick auf das eingangs spezifizierte Verfahren ist der
Schritt des Anlegens eines elektrischen Vorspannungs-Signales
an die optoelektronische Anordnung vorgesehen, um deren
Sperrschichtkapazität zu ändern.
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Für ein vollständiges Verständnis der Erfindung, ihrer Aufgaben
und Vorteile wird auf die folgende Beschreibung und die
begleitende Zeichnung verwiesen.
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In der Zeichnung ist
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Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
faseroptischen Empfängers;
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Fig. 2 ein schematisches HF Ersatzschaltbild der Fotodiode
gemäß der Erfindung;
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Fig. 3 eine schematische Darstellung der Impedanzanpassungs-
Schaltung gemäß der Erfindung;
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Fig. 4 und 4A stellen ein Ausführungsbeispiel der
Impedanzanpassungs-Schaltung gemäß der Erfindung in
miniaturisierter Streifenleitung dar;
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Fig. 5 ist eine Kurve, welche die Abstimmfrequenz als
Funktion der Fotodiodenvorspannung darstellt, die
für das Verständnis der Funktion der Erfindung
nützlich ist;
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Fig. 6 ist eine Kurve, welche als Funktion der Frequenz den
Kopplungsverlust durch die
Mikrowellen-Anpassungsschaltung mit dem der nicht angepaßten Fotodiode
vergleicht;
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Fig. 7 ist eine Kurve des Kopplungsverlustes für zwei
verschiedene Fotodioden-Vorspannungen als Funktion
der Frequenz, und zeigt die Abstimmöglichkeit der
Erfindung;
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Fig. 8 ist eine perspektivische Darstellung einer bei der
Ausführung der Erfindung verwendbaren Fotodiode;
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Fig. 9 ist eine Querschnittsdarstellung der Fotodiode aus
Fig. 8 und zeigt ebenfalls ein
Dotierungs-Störstellenprofil bezogen auf die Längsachse X, das zu linearer
Abstimmung führt; und
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Fig. 10 ist eine Kurve, welche für die Fotodiode aus den
Fig. 8 und 9 die gegenüber der Sperrspannung lineare
Abstimmfrequenz zeigt.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt der Lichtleiteroptik (FO)-Empfänger
gemäß der Erfindung eine Fotodiode 10, welche an eine
Impedanzanpassungsschaltung 12 angeschlossen ist. Eine
Spannungsversorgung 14 wird verwendet, um die Fotodiode in Sperrichtung
vorzuspannen und elektronisch abzustimmen. Die Ausgangsspannung
der Spannungsversorgung 14 wird durch eine
Frequenzkontrolleinheit 16 gesteuert, welche die erforderliche Vorspannung
einstellt, um den Empfänger auf die gewünschte Frequenz
abzustimmen. Vorzugsweise weist die Fotodiode große
Kapazitätsänderungen in einem sinnvollen Bereich von Vorspannungen auf.
Aus diesem Grund wird eine Schottky-Sperrschicht-Fotodiode
verwendet. Die Schottky-Sperrschicht-Fotodiode hat im Bereich
von 0 bis 12 Volt eine durch Spannung veränderliche Kapazität.
Obwohl die Schottky-Sperrschicht-Fotodiode gegenwärtig bevorzugt
wird, können andere Fotodioden verwendet werden, welche bei
kleinen Vorspannungen nicht vollständig verarmen.
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Die DC Vorspannungsschaltung, welche die Spannungsversorgung
14 und die Frequenzkontrolleinheit 16 umfaßt, ist von der
Mikrowellenschaltung durch eine große Induktivität 18 isoliert.
Die DC Vorspannung ist gleichfalls von der Last 22 durch einen
großen Kondensator 20 isoliert. Die Anpassungsschaltung 12 paßt
die Impedanz der Fotodiode an die Impedanz der Last (in der
Regel 50 Ohm) an.
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In Fig. 2 ist das Hochfrequenzersatzschaltbild einer typischen
Fotodiode gezeigt, das von gemessenen S-Parametern abgeleitet
ist. Der Reihenwiderstand RPD repräsentiert den Kontaktwiderstand
der Fotodiode. LB ist die Induktivität des Anschlußkabels, das
die Fotodiode mit der Schaltung verbindet. Die Kapazität CPD
ist ein Ergebnis der Verarmung der in Sperrichtung vorgespannten
Fotodiode und ist eine Funktion der Sperrspannung. Die Änderung
der Kapazität CPD mit der Spannung führt zu dem Abstimmeffekt.
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Wie in Fig. 3 gezeigt, kann die Fotodiodenimpedanz in einem
schmalen Frequenzband angepaßt werden, indem eine
Serieninduktivität und ein Viertelwellen-Anpassungsglied Z&sub0; angeschlossen
werden. Der Wert der Anpassungsinduktivität LM wird so
ausgewählt, daß die Shuntkapazität der Fotodiode bei einer
spezifischen Frequenz ωO in Resonanz ist.
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LM = 1/(ω&sub0;²CPD) - LB (1)
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Die Anpassungsinduktivität hebt die Reaktanz der Fotodiode auf.
Ein Viertelwellen-Anpassungsglied wird dann verwendet, um den
Fotodiodenwiderstand RPD auf die Lastimpedanz RL (50 Ohm) zu
transformieren. Die Impedanz des Viertelwellen-Anpassungsgliedes
beträgt
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Diese einfache, aus zwei Elementen bestehende
Impedanzanpassungsschaltung paßt die Fotodiode in einer schmalen Bandbreite an
die Last an. Es gibt zahlreiche andere Anpassungsschaltungen,
welche gleichfalls gut arbeiten. Eine Anpassung mit größerer
Bandbreite kann erzielt werden, indem mehr Bauelemente in der
Anpassungsschaltung verwendet werden.
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Ein Fotodiodenempfänger, welcher die zwei Bauelemente aufweisende
Impedanzanpassungsschaltung aus Fig. 3 verwendet, kann wie folgt
ausgeführt sein. Die Anpassungsschaltung kann eine Spule von
0,24 nH in Reihe mit einem 12 Ohm Viertelwellen-Anpassungsglied
sein. Wie in Fig. 4 dargestellt, kann die Schaltung unter
Verwendung von miniaturisierten Streifenleiterelementen
realisiert sein. Um die sehr geringe Impedanz des Anpassungsgliedes
zu fertigen, kann ein 0,01 Zoll dickes Aluminiumsubstrat 30
oder dgl. verwendet werden. Die Mikrostripanpassungsschaltung
12 umfaßt ein Viertelwellen-Anpassungsglied 32 und eine verteilte
Anpassungsinduktivität 34 in Reihe mit der Fotodiode 10. Die
Impedanzanpassungsschaltung 12 ist wie dargestellt an den
Gleichspannungsisolationskondensator 20 und eine 50 Ohm
Übertragungsleitung 36 angeschlossen.
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Die Mikrostripanpassungsschaltung ist auf einem Metallträger
38 montiert, welcher längs der Kante eine Rippe 40 aufweist.
Siehe Fig. 4. Die Fotodiode 10 ist auf der Rippe montiert, um
der Rückseite der Fotodiodenanordnung Erde zuzuführen. Die
Fotodiode wiederum ist an die Anpassungsschaltung unter
Verwendung eines Anschlußdrahtes 35 angeschlossen, dessen Länge
minimiert ist, um parasitäre Induktivitäten zu reduzieren.
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Die Fotodiode ist in Sperrichtung unter Verwendung einer DC
Spannungsversorgung vorgespannt, welche über ein langes
Anschlußkabel 42 mit der Vorrichtung verbunden ist. Das lange
Anschlußkabel hat eine hinreichende Induktivität, um die DC
Versorgungsschaltung von der Mikrowellenanpassungsschaltung zu isolieren.
Der Kondensator 20 hat eine große Kapazität (geringe Reaktanz),
welche verwendet wird, um die DC Vorspannung von der Last zu
isolieren, welche an die Übertragungsleitung 36 angeschlossen ist.
Die das lange Verbindungskabel 42 umfassende Isolierinduktivität
und der Kondensator 20 bilden zusammen ein übliches
"Vorspannungs-T".
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Der Metallträger 38, der die faseroptische Empfängerschaltung
enthält, ist mit einem Metallblock 44 verbunden. Ein Koax-Auf-
Mikrostrip-Übergang 46 kann an dem Block 44 montiert sein, um
für einen geeigneten Anschluß an den Glasfaseroptikempfänger
zu sorgen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der
Empfänger ohne den Metallblock und den Koax-Auf-Mikrostrip-
Übergang ein Volumen von weniger als 6,35·6,35·3,18mm
(1/4''·1/4''·1/8'') auf. Aus diesen und anderen Gründen
ist die Erfindung insbesondere für Anwendungen in Luftfahrzeugen
geeignet, wo Größe und Gewicht kritisch sind.
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Die Mittenfrequenz ω&sub0;, bei welcher die Fotodiode impedanzangepaßt
ist, kann durch Veränderung der Sperr-Vorspannung V verschoben
werden. Die Gleichungen, welche die Frequenzabstimmung für eine
steile P&spplus;N- oder Metall-Halbleiter-Diode mit konstanter Dotierung
ND beschreiben, sind:
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in denen:
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ND = Donor Störstellenprofil
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T = Temperatur
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Vbi = Inneres Potential
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k = Boltzmann Konstante
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q = Elektronenladung
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ε = Dielektrische Konstante
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Die Verarmungskapazität der Fotodiode nimmt mit der
Sperr-Vorspannung ab, bis die Anordnung durchschlägt oder in den
Avalanche-Durchbruch geht. In dieser Hinsicht unterscheidet sich die
Fotodiode nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel von PIN
Fotodioden, welche üblicherweise in faseroptischen Empfängern
verwendet werden. Bei PIN Fotodioden schlägt das intrinsische
Halbleitermaterial durch oder verarmt zu dem N&spplus;-Kontakt bei sehr kleinen
Spannungen. Die vorliegende Erfindung wird daher vorzugsweise
mit Schottky-Fotodioden verwendet, welche eine große
Kapazitätsveränderung für Sperr-Vorspannungen (in diesem Falle von 0 bis
12 Volt) aufweisen. Oberhalb von 12 Volt schlägt die Fotodiode
durch und zeigt keine Kapazitätsveränderung.
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Der an dem Lastanschluß des FO-Empfängers gemessene
Reflektionsverlust oder VSWR zeigt an, wie gut die Fotodiode an die
Lastimpedanz (50 Ohm) angepaßt ist. Der Reflektionsverlust hat sein
Maximum bei der Frequenz, bei der die Verarmungskapazität CPD
in Resonanz ist mit der Summe aus der Anpassungsinduktivität und
der Induktivität des Anschlußkabels, LM + LB. Eine Auftragung der
Frequenz für die Reflektionsverlustspitze ω&sub0; gegen die
Sperr-Vorspannung der Fotodiode ist in Fig. 5 gezeigt. Man bemerke, daß
die Frequenz mit der Sperr-Vorspannung in Übereinstimmung mit den
obigen Gleichungen (3) und (4) zunimmt. Die Kurve gerät bei
großen Spannungen, wenn die Fotodiode durchschlägt, in Sättigung.
Die Erfindung kann elektronisch von einer Frequenz auf die andere
in der Größenordnung von 10 nS abgestimmt werden.
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Für die beispielhafte Fotodiode mit konstanter Dotierung ist
die Auftragung der Abstimmfrequenz gegen die Vorspannung aus
Fig. 5 nicht linear. Wie weiter unten erklärt werden wird, kann
eine Fotodiode mit speziell zugeschnittenem Dotierungsprofil
konstruiert werden, um eine lineare Kurve der Abstimmfrequenz
gegen die Vorspannung zu erzielen. Dies wird im Zusammenhang
mit den Fig. 8, 9 und 10 unten diskutiert.
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Um die Wirkung der Erfindung besser zu verstehen, kann die
Erfindung als ein Empfänger in einer FO-Verbindung betrieben
werden, welche aus einem Hochgeschwindigkeits GaAlAs-Laser und
einer Monomode-Glasfaser besteht. Um die Verbesserung der
Empfängerleistung wegen der Anpassung genau bewerten zu können,
kann man den gesamten Kopplungsverlust der Erfindung (einer
angepaßten Fotodiode) mit dem einer unangepaßten Fotodiode (genau
dieselbe Fotodiode wie in der Erfindung verwendet) vergleichen.
Dieser Vergleich ist in Fig. 6 gezeigt. Die eine angepaßte
Fotodiode verwendende Erfindung zeigt geringeren Kopplungsverlust
in einer Bandbreite von 22 % um die Mittenfrequenz von 8 GHz.
Bei 8 GHz, beträgt die Reduzierung des Kopplungsverlustes
gegenüber dem nicht angepaßten Empfänger 9 dB.
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Ein merklicher Vorteil der Erfindung ist die elektronische
Abstimmbarkeit. Fig. 7 zeigt, daß die Kopplungsverlust-Antwort
bei verschiedenen Frequenzen ihre Spitze aufweisen kann, indem
die Sperrspannung an der angepaßten Fotodiode variiert wird.
Der Abstimmbereich liegt in der Größenordnung von 25 % für
Vorspannungen zwischen 0 Volt und 10 Volt. Es gibt eine leichte
Reduzierung in der Quantenausbeute der Fotodiode, wenn die
Sperrspannung reduziert wird, was für den höheren
Kopplungsverlust bei der 5 Voltkurve in Fig. 7 verantwortlich ist.
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Ein anderer wichtiger Vorteil dieser Erfindung liegt in der
Möglichkeit, wegen der Abstimmbarkeit Produktionskosten zu
sparen. Wenn eine PIN-Fotodiode im Mikrowellenbereich an eine
Lastimpedanz angepaßt ist, und zwar in der oben beschriebenen
Art, kann sie wegen ihrer festen Sperrschichtbreite nicht
elektronisch abgestimmt werden. Es ist unwahrscheinlich, daß
die Anpassung bei der Induktivität LM so präzise gefertigt werden
kann, daß sie die Verarmungskapazität der Fotodiode exakt bei
der spezifizierten Mittenfrequenz zur Resonanz bringt. In diesem
Falle ist vielleicht der einzige Weg, die Mittenfrequenz auf
den spezifizierten Wert abzustimmen, Abstimmchips an die
Anpassungsschaltung mechanisch anzuschalten. Diese Technik ist
ermüdend, zeitraubend und geht das Risiko ein, die Schaltung
zu zerstören.
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Andererseits liefert die vorliegende Erfindung ein Mittel, um
einen FO-Empfänger elektronisch und nicht mechanisch abzustimmen.
Diese Technik führt zu enormer Zeitersparnis und gefährdet die
empfindliche Schaltung nicht.
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Obwohl das Vorgehende ein grundlegendes Verständnis der Erfindung
ermöglicht, sind bestimmte Variationen möglich. Die beschriebene
Erfindung kann ebenfalls realisiert werden, indem viele
verschiedene Anpassungsschaltungen verwendet werden, welche aus
Shunt- und Reiheninduktivitäten, Kondensatoren und
Übertragungsleitungen bestehen. Es ist generell möglich, mit mehr
Anpassungselementen über eine größere Bandbreite anzupassen. Je größer
jedoch die Bandbreitenanpassung des Empfängers ist, desto
geringer wird der elektronische Abstimmbereich sein.
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Wie oben bereits feststellt wurde, kann die Erfindung auch zu
verbesserten Ergebnissen führen, indem eine Fotodiode mit
speziell zugeschnittenen Dotierungsprofilen verwendet wird.
Solch eine Diode ist in den Fig. 8, 9 und 10 dargestellt. Die
Diode aus den Fig. 8, 9 und 10 kann aus einem Schottky-Kontakt
oder einem P&spplus;N-Übergang gefertigt sein. Das Dotierungsprofil,
um eine lineare Charakteristik zwischen der Mittenfrequenz und
der Spannung zu erreichen, ist von der Form
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N = N&sub0;X-3/2, für X> O (5)
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wenn die Entwurfstheorie für Varactordioden verwendet wird.
Was eine weitere Erklärung dieses Gegenstandes angeht, so wird
verwiesen auf "Physics of Semiconductor Devices" von S.M. Sze,
John Wiley and Sons, New York, 1969, Seiten 133 bis 136. Dieses
Profil hat eine Spitzendotierungskonzentration von N&sub0; an dem
Übergang (x=0) und weist, wie in Fig. 9 gezeigt, eine mit x
abnehmende Dotierungskonzentration.
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Ein Dotierungsprofil von der Form der Gleichung (5) weist eine
sehr hohe Dotierungskonzentration nahe des Überganges auf, was
dazu führt, daß bei geringen Sperr-Vorspannungen die
Sperrschichtweite klein ist. Dieses Profil erzeugt Probleme bezüglich
eines effizienten Fotodiodenbetriebes, weil auftretende Photonen,
welche Atome außerhalb der Sperrschichtregion ionisieren, nicht
zu dem Fotostrom beitragen, was die Konversionseffizienz der
Anordnung klein sein läßt. Um dieses Problem zu vermeiden,
verwendet die vorliegende Erfindung ein Dotierungsprofil, das
einen intrinsischen (oder gering dotierten) Bereich neben dem
Übergang von einer Breite aufweist, die größer ist als die
mittlere Photoneneindringtiefe bei der Wellenlänge des
verwendeten Lichtes. Hinter der intrinsischen Region wird das
Dotierungsprofil der Gleichung (5) verwendet, um lineare
Abstimmung zu ermöglichen. Die Fotodiodenstruktur von Fig. 9
führt zu linearer Abstimmung ohne die Konversionseffizienz der
Fotodiode zu opfern. Wenn eine kleine Sperr-Vorspannung an die
Fotodiode aus Fig. 9 angelegt ist, gibt es eine unverzügliche
Verarmung der intrinsischen Region. Einfallende Photonen werden
dann selbst bei kleinen Sperr-Vorspannungen innerhalb des
verarmten Bereiches ionisiert. Wenn die Vorspannung erhöht wird,
beginnt die Fotodiode in dem durch die Gleichung (5)
beschriebenen Profilbereich zu verarmen, wo die Abstimmung linear ist.
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Obwohl andere Fertigungsprozesse möglich sind, kann die Fotodiode
gemäß Fig. 9 gefertigt werden, indem Gasphasenepitaxie,
Flüssigkeitsphasenepitaxie oder Molekularstrahlepitaxie (MBE) verwendet
wird.
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Fotodioden, die einen konstanten Wert an
Dotierungsverunreinigungen in der End-Region aufweisen, so wie die
Schottky-Anordnung, die in dieser Erfindung verwendet wird, zeigen große
Kapazitätsänderungen bei kleinen Vorspannungen. Dies bewirkt,
daß der größte Abstimmungsbereich bei kleinen Vorspannungen
liegt.
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Aus dem Vorstehenden ist zu entnehmen, daß die vorliegende
Erfindung einen Faseroptikempfänger schafft, welcher für
schmalbandige HF- oder Mikrowellen-Anwendung optimiert ist.
Der Empfänger ist über eine große Bandbreite elektronisch
abstimmbar, indem die Sperr-Vorspannung an der Fotodiode variiert
wird. Folglich ist ein impedanzangepaßter Faseroptikempfänger
geschaffen, welcher für einen Betrieb in schmaler HF- oder
Mikrowellen-Bandbreite mit geringem Verlust optimiert werden
kann. Darüberhinaus weist die Fotodiode, mit einem speziell
zugeschnittenen Dotierungsprofil, eine lineare Charakteristik
zwischen Abstimmfrequenz und Sperr-Vorspannung auf.
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Obwohl die Erfindung insoweit in Zusammenhang mit dem gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist zu
verstehen, daß die Erfindung gewissen Modifizierungen und
Veränderungen unterworfen werden kann, ohne aus dem Bereich
der Erfindung zu gelangen, wie er in den beigefügten Ansprüchen
dargelegt ist.