دليل شامل للصور المستخدمة في أجهزة الاستلام البصرية

أنواع أجهزة الاستلام الضوئية

وتتبادل مختلف هياكل أجهزة التصوير الضوئي السرعة والحساسية والكسب والضوضاء، أما الأنواع الرئيسية الثلاثة المستخدمة في أجهزة الاستقبال البصرية فهي أجهزة التصوير الضوئي التابعة للشبكة، وأجهزة التصوير الفلولندية، وأجهزة التصوير الفوتوغرافية ذات السماد المعدني، وتستخدم أجهزة الترجمة في بعض الأحيان في تطبيقات منخفضة السرعة، ولكنها أقل شيوعا في أجهزة الاستقبال ذات الأداء العالي.

PIN Photodiodes

"النسخة الضوئية للـ"الفولطون" تضيف طبقة سميكة من الموصلات النادرة بين المناطق المُتعاطية جداً و"الإنترنت"

Avalanche Photodiodes (APDs)

(الزيادات) التي تُستخدم في (الزيادات)

Metal-Semiconductor-Metal (MSM) Photodiodes

وتتكون أجهزة التصوير التابعة للبعثة من اتصالات متداخلة بين الشوتكي مودعة على طبقة الاستيعاب شبه الموصلات، وهي ذات قدرة منخفضة جدا على كل منطقة من مناطق الوحدة، مما يتيح استخدام النطاق الترددي العالي جدا (100 غيهرتز) مع اختلاق بسيط، ومع ذلك تستخدم أجهزة الرصد الضوئي المتكاملة على منابر السيليكون أو المنهاجات الداخلية، فإن التخلف الأولي لهذه العمليات أقل من حيث المسؤولية().

المترجمون الشفويون

وعلى الرغم من أن جهاز التصوير لا يُعدّ جهازاً للتصوير الضوئي، فإن مترجماً للصور يُعدّل الصورة داخلياً باستخدام مكسب مترجم (عادة جهاز إرسال ثنائي القطب)، ويُقدّم حساسية عالية عند مستويات منخفضة، ويحتاج فقط إلى فولتاج واحد، إلا أن نطاق الترددات التي يُستخدم فيها عادة هو 10 ميغاهرتزق، ويُستخدم في فترات زمنية محدودة.

معايير الأداء الرئيسية

ويتطلب اختيار جهاز استقبال بصري موازنة عدة معايير مترابطة أهمها:

• Dark Current (I_]d]): The current flowing through the photodiode when no light is incident. It results from thermally generated carriers and contributes to receiver shot noise. Low dark current is critical for high-sensitivity receivers, especially in APDs where dark multi is.
• الترددات التي تسقط فيها الاستجابة بواسطة 3 د.ب.ت.ع.ت.ت.ع.ت.ت.ت.ت.ت.ت.ت.ت.ت.
• Response Speed:] Usually expressed as rise/fall time. In digital links, the photodiode must be fast enough to resolve individual bits. Overshoot and ringing must be minimized.
• Noise:] Photodiode noise includes shot noise (from dark current and photocurrent), thermal noise (from series resistance), and, in APDs, excess multiplication noise. The signal-to-noise ratio (SNR) at the receiver output determines the bit error rate (BER).
• Gain (for APDs): The multiplication factor M. Optimal gain balance sensitivity improvement against noise increase. Most APDs operate at M between 10 and 50.
• Temperature dependencyence:] Both dark current and APD gain shift with temperature.

الصور في المقبوضات البصرية

جهاز استقبال بصري يحول الإشارة الضوئية المتحركة الواردة إلى إشارة كهربائية يمكن تجهيزها بواسطة دائرة القرار، وجهاز التصوير هو العنصر الأول، يليه مضخم للشحنات، ومراحل تضخيم أخرى، وحساسية جهاز الاستقبال، ودرجة القدرة البصرية الدنيا التي يمكن كشفها لجهاز معين من أجهزة إعادة الإرسال، وهي مهيمنة على خصائص وضوضاء الجهاز الضوئي.

في أجهزة الاستقبال المباشرة (النوع الأكثر شيوعاً) يولد جهاز التصوير الضوئي تياراً يتناسب مع القوة البصرية الفورية، بالنسبة لأجهزة استقبال الشبكة، مصادر الضوضاء المهيمنة هي الضوضاء الضوضاء و الضوضاء الحرارية التي تصدرها وكالة الاستخبارات الأمريكية، وأجهزة استقبال الألياف، عن طريق توفير المكسب الداخلي، يمكنها التغلب على الحد الأدنى من الضجيج، وتحسين الحساسية حتى 10 دي بي.

ويستخدم جهاز استقبال متماسك، يستخدم في نظم ذات قدرة عالية طويلة، أجهزة تصوير متوازنة مقترنة بأجهزة هجينة بصرية لكشف الإشارات المتحركة تدريجيا، وتحتاج هذه الأجهزة إلى نسبة عالية جدا من الرفض المشترك والقابلية للتكرار، وقد أتاحت التطورات الأخيرة في أجهزة التصوير المتوازنة ذات السرعة العالية، 800 غمبرة و 1.6 من النظم المتسقة.

اختيار المصور الصحيح

اختيار جهاز تصويري لمستقبل بصري محدد يتضمن تحليلاً منتظماً للمقايضة، ومن بين الاعتبارات الرئيسية التطبيقية الموجية، ومعدل الحساسية المطلوبة، والنطاق الدينامي، وبيئة التشغيل، ويندرج أدناه دليل عملي للاختيار:

• ()Wavelength:] Match the photodiode material to the source wavelength. Silicon (Si) covers 400-1100 nm; Germanium (Ge) covers 800-1600 nm but has high dark current; InGaAs is the standard for 1300-1600 nm Telcom bands; extended InGa00As
• strong ⁇ Speed:/strong ⁇ For bit rates up to 2.5 Gbps, a standard PIN photodiode suffices. For 10 Gbps and beyond, use a PIN with a small active area (50 mim meter) or a waveguide photodiode. APDs typically have lower bandwidth than PINs for the same technology generation. MSMs can exceed 100 G.
• Sensitivity:] If receiver sensitivity is critical and budget permits higher bias voltage and temperature control, choose an APD. For moderate-sensitivity links, a PIN with a low-noise TIA is often more cost-effective.
• Dynamic Range:] Considerations include linearity and saturation current. PINs generally have better linearity than APDs. APDs can saturate at lower optical powers due to gain compression.
• (ه) الشروط البيئية: ] Temperature and radiation tolerance matter. In uncooled modules (e.g., 5G fronthaul), temperature-compensated APD bias circuits are essential. For space applications, radiation-hardened photodiodes with special doping profiles are used.

بالنسبة لاختيار المنتجين المفصلين، يقدم العديد من المصنّعين أدوات على الإنترنت. دليل اختيار الصور الفوتوغرافية لـ (Thorlabs) يقدم نقطة انطلاق جيدة عبر مواد وحزم متعددة.

طلبات الاستلام التصويري في أجهزة الاستلام البصرية

وتستخدم الصور في قائمة متزايدة باستمرار من الطلبات، لكل منها مطالب أداء فريدة:

الاتصالات الفيبرية - الصوتية

وهذه هي أكبر الأسواق، وتستخدم أجهزة التصوير الضوئي التابعة للشبكة والشبكة في أجهزة الاتصال (GPON، EPON)، والوصلات الحضرية/الإقليمية، وكابلات الغواصات الطويلة المدى.

LIDAR (Light Detection and Ranging)

وتتطلب نظم البحث والتطوير في المركبات المستقلة والاستشعار عن بعد استخدام أقراص مدمجة أو أجهزة ذات فون وحيد في الوديانات الفلنشية لكشف نبضات مُنعكسة ضعيفة، وتُعتبر الزيادة العالية والضوضاء المنخفضة الازدياد أمراً بالغ الأهمية، وتُفضَّل أجهزة تحديد المواقع التي تعمل في 1550 نانو متراً لسلامة العين وتخفيض الخلفية الشمسية، كما أن العمل الأخير بشأن أجهزة قياسات قياسات قياسات قياسات قياسات مستوى الارتفاع مقياسات ذات مستوى الضوء مع قياسات قياسية.

التصوير الطبي وأجهزة الاستشعار الأحيائي

فالأدوية الضوئية لا تُعد جزءا لا يتجزأ من مقاييس النبض، وأجهزة المسح الضوئي المحوسبة، وأجهزة الكشف عن الفلور، وتوفر أجهزة التصوير الضوئي ذات التردد العالي في السيليكون PIN ذات المناطق النشطة الكبيرة كفاءة كمية عالية في التصوير المرئي القريب من الأرض، وفي التصوير الضوئي البصري، تتيح أجهزة التصوير الضوئي ذات السرعة العالية تصويرا للصور ذات الاستديوان العالي.

Spectroscopy and Environmental Monitoring

وتستخدم صفائف التصوير الفوتوديو المتعددة الأطياف في محلات الغاز، والمطياف الأشعة فوق البنفسجية، والتصوير الفائق، وأجهزة الاستشعار الضوئية المزودة بالأشعة المقطعية، ومجس الصور CMOS هي أساسا صفائف مزودة بالأجهزة الضوئية، وهي تستخدم في أداء الضوضاء المنخفضة والشديدة، ولكشف الغازات المحددة (مثلا، CO_)(2).

التشغيل الآلي الصناعي والسلامة

ويستخدم الفوتوديو في الستائر الخفيفة، ومقاييس طاقة الليزر، وأجهزة استشعار الألياف البصرية لقياس الوضع والتشرد، وأجهزة التصوير الضوئي المزودة بأجهزة استنشاق بالأشعة المسبق شائعة في هذه التطبيقات.

الابتكارات والاتجاهات المستقبلية الأخيرة

ولا يزال مجال تكنولوجيا التصوير الضوئي يتطور بسرعة، وتشمل الاتجاهات الرئيسية ما يلي:

• Silicon Photonics Integration:] Monolithic integration of germanium photodiodes on silicon waveguides has become a grown technology, enabling high-speed receivers on a CMOS platform. This reduces cost and power consumption for data-center interconnects.
• :: تقديم عرض لسلسلة " غراب " (Graphene) و2D Material Photodetectors:
• Single-photon Avalanche Diodes (SPADs): ] SPADs biased above breakdown voltage can detect single photons, enabling quantum key distribution (QKD), time-resolved fluorescence, and long-range LIDAR. Advances in CMOS SPAD arrays are pushing the resolution and accuracy timing.
• strong ⁇ APDs with Reduced Excess Noise:/strong ⁇ Novel material systems such as InAlAs/InGaAs separated absorption and multiplication (SAM) APDs, as well as SiGe APDs, achieve lower excess noise factors (k 01.1) compared to conventional InP APDs.
• High-power Handling:] For analog applications like radio-over-fiber and CATV, photodiodes must handle high optical power (tens of mW) with low distortion.

وهذه الابتكارات تشكل الجيل القادم من أجهزة الاستقبال البصرية، مما يتيح سرعة معدلات البيانات، وزيادة الحساسية، ومجالات التطبيق الجديدة، وللاطلاع على استعراض شامل لبحوث محركات التصوير، انظر هذه المادة أوبتيكا بشأن أجهزة التصوير الضوئي .

خاتمة

ويظل التصوير في قلب أجهزة الاستقبال البصرية، ويحول الإشارات البصرية إلى تيارات كهربائية ذات كفاءة عالية وسرعة وضجيج منخفض، ويتوقف الاختيار بين نظام PIN و APD وأجهزة التصوير التابعة للبعثة على الاحتياجات المحددة للبرمجيات المزودة بموجات، وربط النطاق الترددي، والحساسية، والتكلفة، ويتلقى فهم الفيزياء الأساسية من القدرة على الاستجابة والكفاءة الكمية في استخدام أجهزة التصوير الضوئي الافتراضي على نحو لا غنى عنه.