[論文レビュー] Flicker noise in high-speed p-i-n photodiodes

Enrico Rubiola, Ertan Salik+2 more|Mar 2, 2005

Advanced Photonic Communication Systems参考文献 26被引用数 32

ひとこと要約

本稿では、高速InGaAs p-i-nフォトダイオードにおけるふらつきノイズを特徴付ける感受性の高いブリッジベースの測定技術を提示している。1 Hzで約−120 dB rad²/Hzという極めて低い位相ノイズおよび振幅ノイズレベルが明らかになった。研究では、電磁的および機械的遮断を厳密に実施した場合、これらのフォトダイオードが理論的限界に近いノイズ性能を示すことを示しており、超安定なマイクロ波フォトニクスおよび時間/周波数システムへの応用可能性を示している。

ABSTRACT

The microwave signal at the output of a photodiode that detects a modulated optical beam contains the phase noise phi(t) and the amplitude noise alpha(t) of the detector. Beside the white noise, which is well understood, the spectral densities S_phi(f) and S_alpha(f) show flicker noise, proportional to 1/f. We report on the measurement of the phase and amplitude noise of high-speed p-i-n photodiodes. The main result is that the flicker coefficient of the samples is approximately 1E-12 rad^2/Hz (-120dB) for phase noise, and approximately 1E-12 Hz^-1 (-120dB) for amplitude noise. These values could be observed only after solving a number of experimental problems and in a protected environment. By contrast, in ordinary conditions insufficient EMI isolation, and also insufficient mechanical isolation, are responsible for additional noise to be taken in. This suggests that if package and EMC are revisited, applications can take the full benefit from the surprisingly low noise of the p-i-n photodiodes.

研究の動機と目的

• 高精度なマイクロ波フォトニクスおよび時間/周波数システムに不可欠な、高速p-i-nフォトダイオードの近接周波数における位相および振幅ノイズを測定すること。
• 高性能システムに顕著な影響を与えるにもかかわらず、特に低周波数域におけるフォト検出器のふらつきノイズに関する実験的データが不足しているという問題に取り組むこと。
• アンプからのふらつきノイズを加えずに、技術的ノイズ源（EMIや機械的振動など）からの内在的フォトダイオードノイズを分離・測定可能な感受性の高い測定技術を開発・検証すること。
• 環境的およびパッケージング上の課題が克服されれば、p-i-nフォトダイオードが顕著に低いふらつきノイズを達成できることを示すこと。
• 今後の超安定フォトリックシステムにおける設計および応用を支援するため、フォトダイオードのノイズ性能のベンチマークを確立すること。

提案手法

• アンプからのふらつきノイズを追加しないように、位相および振幅ノイズを検出するためのマイクロ波ブリッジ（干渉計）法を採用。バランスド検波方式を用いた。
• ハイブリッドジャンクションを用いて検出器出力を結合し、和（Σ）および差（Δ）の信号を分離。Δがノイズサイドバンドを運ぶ。
• 高速フーリエ変換（FFT）アナライザーを用いて、位相および振幅ノイズのパワー・スペクトル密度を測定。検出利得はキャリア電力およびミキサー損失を用いてキャリブレーション。
• 検出利得を次の式でキャリブレーションした：$ k_d = \sqrt{\frac{gP_\mu R_0}{\ell}} $、ここで $ g $ はアンプ利得、$ P_\mu $ はマイクロ波電力、$ R_0 = 50\ \Omega $、$ \ell $ はミキサーのサイドバンド損失。
• ミキサー内の混合角度を調整することで、位相または振幅ノイズを切り替え測定可能な位相シフタ（γ）を導入。
• バックリフレクションおよび環境干渉を抑えるために、光学イソレータおよび溶接接続ファイバージャンクションを用いた。これにより、不正なふらつき的信号が発生するのを防いだ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高速p-i-nフォトダイオードの内在的ふらつきノイズレベルは、近接周波数（例：1 Hz）でどの程度か？
• RQ2 EMI、機械的振動、光のフィードバックなどの技術的ノイズ源が、フォトダイオードのふらつきノイズ測定にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ブリッジベースの測定技術は、アンプからのノイズを加えずに、フォトダイオードのふらつきノイズを効果的に分離・定量できるか？
• RQ4 環境的およびパッケージング要因が、内在的デバイス物理的特性よりもフォトダイオードのノイズ性能をどれほど制限するか？
• RQ5 測定されたふらつきノイズが、フォトニックオシレーターおよび時間/周波数分配応用に及ぼす実用的影響は何か？

主な発見

• 位相ノイズのふらつきノイズ係数は約 $ 10^{-12}\ \text{rad}^2/\text{Hz} $、1 Hzで−120 dB rad²/Hzに測定され、極めて低い位相不安定性を示した。
• 振幅ノイズのふらつきノイズ係数も同様に $ 10^{-12}\ \text{Hz}^{-1} $ であり、−120 dBに相当し、同等の低ノイズ性能であることが判明した。
• EMIおよび機械的遮断が不十分な場合、手の動き、空気の流れ、60 Hz磁界などの環境的干渉からの技術的ノイズが、内在的フォトダイオードノイズを上回った。
• 光学イソレータおよび溶接接続ファイバージャンクションは、バックリフレクションを抑制し干渉パターンを安定化させ、ノイズフロアを低下させ、正確な測定を可能にした。
• 複数のサンプルにおいて、測定された $ 1/f $ ノイズスペクトルは一貫しており、外部ノイズ源を排除した後のみ、明確な $ 1/f $ 傾きが観察された。
• 1 Hzで−120 dB rad²/Hzの位相ノイズは、9.9 GHzの変調周波数で3.3 mmの光路長において、3.9 nmの光路長の揺らぎに相当し、ノイズと物理的安定性要件を結びつけるものであった。