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Introducción
Los sistemas de comunicación óptica modernos exigen receptores que puedan recuperar señales de pulsos ópticos extremadamente débiles. En el corazón de muchos receptores de alta sensibilidad se encuentra el fotodiodo avalanche (APD), un fotodetector semiconductor que explota el beneficio interno para amplificar la corriente fotográfica antes de encontrar electrónica externa. Este mecanismo de amplificación interna permite a los receptores fotovalidos alcanzar niveles de transmisión mínimos significativamente inferiores en comparación con los estándares de la comunicación.
Principio operativo de las fotodiodes Avalanche
Fotodetección y Generación de Transportadores
Como cualquier fotodioda, un APD convierte fotones incidentales en pares de agujeros electrones a través del efecto fotoeléctrico en una región de absorción semiconductor. Cuando un fotones con energía mayor que el bandgap se absorbe, excita un electron de la banda de valence a la banda de conducción, dejando atrás un agujero. Estos transportistas primarios entonces deriva bajo la influencia de un campo eléctrico aplicado hacia los contactos ópticos del dispositivo, generando una proporción.
El proceso de multiplicación de Avalanche
La función multiplicadora de un APD es que opera con un voltaje de sesgo inverso mucho más alto, creando un campo eléctrico superior a 105 V/cm en una región de multiplicación especialmente diseñada. Bajo tales campos intensos, electrones primarios (o agujeros) obtienen suficiente energía cinética entre colisiones con la rejilla de cristal para ionizar electrones ligados, generando pares de electrones secundarios.
Parámetros clave: Ganancia, Desintegración del escenario y ruido excesivo
El aumento promedio de multiplicación M es una función del perfil de campo eléctrico y los coeficientes de ionización de electrones y agujeros en el material semiconductor. Como el voltaje se aproxima al voltaje de descomposición VB
APD Materiales y Rangos de Wavelength
Silicon APD
Los APD de silicona se optimizan para el espectro visible y cercano a infrarrojos (400–1100 nm). Silicon ofrece una relación altamente asimétrica entre los coeficientes de electron y ionización de agujeros, que resulta en un factor de ruido de bajo exceso. Estos dispositivos pueden lograr productos de ancho de ganancia superior a 100 GHz y son ampliamente utilizados en interconexión óptica de rendimiento corto, rangefinder láser y beneficio de imagen industrial de bajo nivel.
EnGaAs APD
Para las longitudes de onda de telecomunicaciones (1310 nm y 1550 nm), el arsenuro de indio de gallium (InGaAs) es el material de elección. EnGaAs APDs se diseña con una estructura de absorción y multiplicación separadas (SAM) para evitar las corrientes de túnel detrimental. Una capa de multiplicación de InP fina proporciona la región de alto campo, mientras que la capa de inyecidad de la sensibilidad de los fotones
Otros materiales
Los APD de Germanium fueron utilizados históricamente para la detección de 1,3 μm pero han sido suplantados en gran medida por InGaAs debido a la baja corriente oscura. Para longitudes de onda más largas (2–5 μm), cadmio de mercurio Telluride (MCT) Los APD se están desarrollando para comunicaciones ópticas de espacio libre y LIDAR infrarrojos.
APD vs. PIN Photodiode: A Sensitivity Comparison
La ventaja fundamental de un APD sobre un fotodiodo PIN reside en su capacidad de amplificar la señal antes de la primera etapa de amplificación en el amplificador de transimedancia del receptor (TIA).En un receptor basado en PIN, la corriente de ruido de TIA se domina, limitando la sensibilidad.
Noise en Avalanche Photodiodes
Shot Noise and Dark Current
Todos los fotodiodes exhiben ruido de disparo debido a la naturaleza discreta de los portadores de carga. En un APD, el ruido de disparo se multiplica junto con la señal. Además, corriente oscura - corriente corriente fluye en ausencia de luz - se eleva de los portadores generados térmicamente y el túnel. La corriente oscura también se amplifica por el rendimiento de la avalancha, empeorando la SNR a bajos niveles de luz.
Exceso Factor de ruido
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Optimización de la relación de señal a ruido
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Arquitecturas APD avanzadas
Absorción y Multiplicación separadas (SAM) APD
Multiplicación de APD temprano, la absorción y multiplicación ocurrió en la misma región, lo que llevó a una alta corriente oscura y un mal rendimiento de ruido en sistemas materiales donde un tipo de portador no domina la ionización. La estructura SAM coloca una capa de absorción de banda estrecha adyacente a una capa de multiplicación de banda ancha, con un perfil de campo eléctrico de grado o paso. Esta configuración asegura que sólo un tipo de portador (generalmente electrones) entra en el minicampo
Resonant Cavity APDs
Para mejorar la eficiencia cuántica en capas de absorción finas, la cavidad resonante APDs (RC-APDs) incorpora la fotodioda dentro de una cavidad Fabry-Pérot. La cavidad resona en la longitud de onda deseada, permitiendo que la capa absorbente sea tan fina como 100 nm, mientras que todavía absorbe casi todos los fotones de incidentes.
Geiger-mode APDs
Cuando sesgada por encima del voltaje de descomposición, un APD opera en modo Geiger: un solo foton activa una avalancha autosostenible que debe ser activada. Estos diodos de avalancha de un solo fotón (SPAD) muestran ganancia de 106-107, permitiendo la detección de fotones individuales.
Aplicaciones clave de las fotodiodes Avalanche
Comunicaciones de fibra óptica de larga duración
En sistemas de longitud de onda densa (DWDM) que abarcan miles de kilómetros, la atenuación de señales erosiona la potencia óptica a nanovatios o menos. Los receptores basados en APD proporcionan la sensibilidad necesaria para mantener tasas de error poco inferiores a 10−12 sin recurrir a preamplificación óptica. Los receptores modernos coherentes utilizan el procesamiento de señales digitales (DSP) para la compensación de dispersión, pero los fotodetectores de salida frontal
LIDAR y 3D Sensing
Los sistemas LIDAR automotrices requieren la detección de reflejos de objetos distantes a bajos poderes ópticos para permitir la conducción autónoma. Los arrays de Silicon APD son ampliamente utilizados en el tiempo de vuelo LIDAR flash, mientras que los APDs InGaAs se despliegan en el análisis de LIDAR para la detección de largo alcance (200+ metros).
Cryptografía cuántica y detección de fotos individuales
La distribución de clave cuántica depende de la transmisión de fotones individuales sobre fibra óptica para establecer una clave criptográfica segura. Los APD que operan en modo Geiger son los detectores más prácticos para QKD en longitudes de onda de telecomunicaciones. A pesar de la necesidad de refrigeración y apagado circuitos, InGaAs SPADs logran eficiencias de detección más del 25% con índices de cuenta oscuros inferiores a 1 kHz a 2K.
Imágenes médicas y biofotónica
En los escáneres de TC de fotones y tomografía de emisión de positrones (PET), los arrays APD unidos a los cinceladores permiten información de tiempo de vuelo (TOF) que mejora la reconstrucción de imágenes. Fotomultipliers de silicona (SiPMs) - rayos de APD de Geiger-mode- son ahora ubicuos en la detección de imágenes médicas debido a su alta eficiencia de detección de fotones, robustez corresidad al tamaño magnético.
Conclusión
Los fotodiodos de Avalanche siguen siendo una tecnología de piedra angular para mejorar la sensibilidad del receptor óptico en una amplia gama de aplicaciones. Al proporcionar un beneficio interno controlable a través del proceso de multiplicación de avalancha, permiten la detección de señales de luz que de otro modo se perderían en el ruido electrónico. Innovaciones materiales, arquitecturas avanzadas de dispositivos como SAM y cavidades resonantes, y operación en modo Geiger, tienen límites de rendimiento continuamente extendidos.
Para más lectura, véase Notas técnicas de la APD de losThorlabs] y La información de los productos de la APD de Hamamamatsu. En [[FLT4] se puede consultar una comparación completa de los receptores de PIN y APD [FLTID]