Introducción a las fotodiodes de Avalanche en receptores ópticos

Los multiplicadores ópticos forman la columna vertebral de los sistemas de comunicación modernos, convirtiendo señales de luz moduladas en corrientes eléctricas para el procesamiento.El fotodetector en el extremo frontal de un receptor determina la sensibilidad general, ancho de banda y rendimiento de ruido del enlace. Entre las tecnologías de fotodetector disponibles, fotodiodes avalancha (APD) destacan por su mecanismo de ganancia interna, que amplifica la presencia de las redes ópticas.

Cómo funcionan las fotos de Avalanche

Un multiplicador de fotodiodo es esencialmente un semiconductor p‐n unión operado bajo un alto voltaje de sesgo inverso. Los fotones absorbidos en la región de agotamiento generan pares de agujeros electrones. Bajo el campo eléctrico fuerte, estos portadores primarios obtienen suficiente energía cinética para crear pares de agujeros electrones secundarios a través de la ionización de impacto, un proceso conocido como multiplicación de foto

Beneficios clave de los APD

Alta sensibilidad y ganancia interna

El mecanismo de ganancia integrado de una APD permite la detección de señales ópticas a niveles de potencia muy inferiores a los requeridos por fotodiodes PIN. En sistemas de fibra óptica de larga distancia donde la atenuación de señales es alta, esta sensibilidad se traduce directamente en largos períodos de transmisión sin amplificación óptica. Por ejemplo, en 10 Gbps o 25 Gbps receptores de detección directa, APD puede mejorar la sensibilidad del receptor en 10–15 dB

Para aplicaciones de baja señalización como la distribución de clave cuántica o el conteo de un solo fotón, APDs especializados operados en modo Geiger (ambos el voltaje de descomposición) proporcionan avalanche ganar lo suficientemente grande para detectar fotones individuales. Esta capacidad simplemente no es posible con fotodiodes de moda lineal.Una excelente referencia sobre los fundamentos del ruido de APD en comunicaciones ópticas se puede encontrar en los mecanismos [RP0 [

Tiempo de respuesta rápida para sistemas de alta velocidad

Multiplicar los requisitos de absorción de los equipos de Avalanche, a pesar de la complejidad del proceso de avalancha, los APD pueden alcanzar anchos de banda superiores a 10 GHz, haciéndolos adecuados para receptores ópticos de alta calidad utilizados en redes de metro y acceso. La velocidad de respuesta está determinada por el tiempo de tránsito de los transportistas en toda la región de agotamiento y la constante de tiempo de la acumulación de avalanche.

Mejor relación de señal a cero

El proceso de avalancha introduce el exceso de ruido debido a la naturaleza estocástica de los eventos de ionización de impacto. Sin embargo, el efecto neto en el SNR depende de las magnitudes relativas de la señal óptica, el ruido amplificador y el factor de ruido de APD. En muchos receptores prácticos, especialmente los que operan a baja potencia óptica, el aumento de foto aumenta la señal por encima del nivel de ruido preamplificador.

Respuesta espectrostral amplia

Los sistemas de comunicación de nscopía de alta calidad pueden fabricarse desde una variedad de materiales semiconductores, incluyendo silicio (Si), germanio (Ge), y arsénico indio (InGaAs). Los APD de silicio son sensibles en el marco visible y cercano a la infrarroja hasta cerca de 1.1 μm, haciéndolos ideales para la onda de imágenes médicas.

Problemas en la aplicación de la Declaración y el Desarrollo

Requisitos de tensión de alta operación

Los APD requieren voltajes de sesgo típicamente en el rango de 50–400 V, dependiendo de la estructura de materiales y dispositivos. Esto es sustancialmente más alto que los 5–12 V utilizados para fotodiodes PIN. Entrega de tales voltajes en módulos compactos de baja potencia puede ser difícil descomposición, especialmente en dispositivos operados por baterías como LIDARs portátiles o instrumentos portátiles.

Exceso ruido de la multiplicación de Avalanche

El carácter stocástico de la ionización de impacto crea el exceso de ruido más allá del ruido de la fotocorriente primaria. Esto se cuantifica por el factor de ruido excesivo F(M), que para los APD de silicio es relativamente bajo (F ♥ 2-4 en ganancias de 100) debido a la relación de ionización favorable de los electrones sobre los agujeros.

Sensibilidad y estabilidad de la temperatura

El sistema de control de la deriva y el voltaje de descomposición de un APD son altamente dependientes de la temperatura. Típicamente, el voltaje de descomposición aumenta con temperatura de alrededor de 0.1-1 V/°C para dispositivos de silicio y 2-4 V/°C para dispositivos InGaAs. Si el voltaje de sesgo sigue siendo constante, un aumento de la temperatura reducirá el beneficio y aumentará el ses necesarios para mantener el rendimiento.

Se ofrece un análisis detallado de los efectos de la temperatura en las fotodiodas avalanchas, incluidas las técnicas de compensación, en Notas técnicas de Hamamatsu sobre los APDs, que esbozan métodos prácticos para estabilizar el aumento en los extremos ambientales.

Manufactura Complejidad y Costo

Los procesos de multiplicación de APD requieren un crecimiento epitaxial avanzado, perfiles de dopaje precisos y un control cuidadoso del grosor y nivel de dopaje de la región de multiplicación.Los factores de absorción, carga y multiplicación (SACM) utilizados en los APDs de InGaAs incluyen múltiples pasos epitaxiales y una litografía compleja.

Comparando APD con fotodiodes PIN

El biselado de PIN sigue siendo el fotodetector más común en enlaces ópticos de corto alcance debido a su simplicidad, operación de baja tensión y bajo costo. Sin embargo, no proporcionan ganancia interna, por lo que la carga total de amplificación de señal cae en el amplificador de transimpresión (TIA).En sistemas donde la potencia óptica recibida es alta, el ruido de la onda es insignificante y los PIN funcionan adecuadamente.

En términos de linearidad y rango dinámico, los PIN a menudo tienen un ligero borde porque carecen del proceso de multiplicación no lineal. Los APD pueden saturar a potencias ópticas inferiores, especialmente a altas ganancias. Sin embargo, para formatos de modulación digital donde el umbral de decisión es binario, esta no linealidad es generalmente manejable. Para enlaces ópticos analógicos (por ejemplo, distribución de televisión por cable), APDs todavía se puede utilizar pero la sensibilidad de ganancia h

Aplicaciones de fotodiodes Avalanche

Comunicaciones de fibra óptica

Los programas de radio y televisión de alta calidad son el mayor mercado comercial de los APD. En 10 Gbps y 25 Gbps, los receptores basados en APD permiten llegar a 80 km o más sin compensación de dispersión o amplificación óptica, reduciendo significativamente el coste del sistema. En 40 Gbps y 100 Gbps de funcionamiento cercano, los APD se utilizan en combinación con detección coherente o detección directa.

LIDAR Systems

El módulo de seguridad de la serie AIDAR (Light Detection and Ranging) se basa en la medición precisa del tiempo de vuelo de los pulsos láser. Los APD se utilizan en el modo lineal para aplicaciones de alta densidad y alta gama (por ejemplo, mapeo topográfico) y en el modo Geiger para la sensibilidad de un solo fotón en LIDAR de largo alcance o silicona.

Óptica cuántica y detección de fotos individuales

Los detectores de criptografía simples son esenciales. Los APDs de criptográficos de Geiger (G‐APD) pueden lograr una alta eficiencia de detección (hasta 90% para dispositivos de silicio en longitudes de onda visibles) con un nivel de tiempo bajo. Se utilizan en la distribución de clave cuántica (QKD), experimentos de fotones enredados y de un solo fotograma.

Imágenes médicas y espectroscopia

Los APD de silicona se utilizan en escáneres de tomografía de emisión positrones como fotodetecdores acoplados a los scintilladores, donde su ganancia interna permite la detección de rayos gamma de baja energía. Los APD también aparecen en sistemas de imagen biomédica de bajo nivel, como la microscopía de fluorescencia y la citometría de flujo, donde se requiere alta sensibilidad y respuesta rápida.

Consideraciones de diseño para receptores APD

La integración de un APD en un receptor requiere una atención cuidadosa a varios aspectos del diseño. El suministro de sesgos debe ofrecer un voltaje estable y de baja densidad que se puede ajustar para la compensación de temperatura y envejecimiento. Muchos diseñadores utilizan un convertidor DC-DC seguido de un regulador de baja emisión para producir el alto voltaje de un sistema más bajo. El voltaje de sesgo debe programar a través de una interfaz SPI o I2C cerca para permitir el control de aumento de temperatura constante de la tabla de aumento de la temperatura de la lupa de la temperatura.

La APD debe estar estrechamente unida a la TIA para minimizar la capacitancia parasitaria, lo que de otra manera reduce el ancho de banda y aumenta el ruido. A menudo la APD y TIA se integran en un solo paquete receptor. Escudriñar y filtrar la línea de sesgo son necesarios para evitar que la amplificación de potencia module la ganancia.

Para el funcionamiento de Geiger-mode, se necesita un circuito de apagado para detener la corriente de avalancha una vez que se detecta un fotones y luego recargar el APD para el próximo evento. El apagado pasivo utiliza un gran resistor, mientras que el apagado activo emplea electrónica rápida para restablecer el voltaje de sesgo rápidamente, permitiendo tasas de conteo más altas.

Avances recientes y futuras direcciones

La investigación continúa impulsando el rendimiento de APD más allá. En el espacio de fibra óptica, las fotodiodes avalancha con anchos de banda superiores a 50 GHz se han demostrado utilizando estructuras de capa avanzadas y diseños de resonancia que también aumentan la responsividad. El uso de materiales como GeSn on Si ofrece la posibilidad de extender APDs basados en silicio en el medio infrarrojo, que podría abrir nuevas aplicaciones en espectro.

Las máquinas digitales (arrayas de APDs de Geiger con lectura integrada) están surgiendo como potentes dispositivos de imagen que combinan sensibilidad de un solo fotón con capacidades de resolución del tiempo. Ya se utilizan en PET de tiempo de vuelo y se están investigando para la imagen LIDAR y 3D. La integración de APD con electrónica CMOS en plataformas monolíticas o híbridas está reduciendo el costo y permitiendo complejo en‐chi.

La reducción del ruido mediante la ingeniería de la relación de ionización es un objetivo persistente. Los APD de InGaAs con una capa de multiplicación de InAlAs muestran un rendimiento de ruido mejorado en comparación con los diseños más antiguos basados en InP, y los APD de silicio “de alcance” continúan ofreciendo un bajo exceso de ruido para las longitudes de onda visibles. Modificar el perfil de dopa para crear una región de multiplicación “multi-step” puede bajar el factor de exceso de ruido sin velocidad de exceso.

Conclusión

Los fotodiodos de Avalanche ofrecen una combinación única de ganancia interna, velocidad y versatilidad de longitud de onda que los hace indispensables en muchos receptores ópticos. Su alta sensibilidad permite distancias de transmisión más largas en sistemas de fibra óptica, mayor rango en LIDAR y detección de un solo fotón en tecnologías cuánticas. Sin embargo, estas ventajas vienen al costo de mayor tensión de ses, sensibilidad de temperatura, exceso de ruido y complejidad de fabricación.