اصول عملکرد Photodiode در گیرنده های نوری با سرعت بالا

سیستم های ارتباطی نوری با سرعت بالا به Photodiodes برای تبدیل سیگنال های نور به جریان های الکتریکی متکی هستند.مواد مورد استفاده در Photodiode معیارهای عملکرد کلیدی را تعیین می کند: مسئولیت پذیری (A / W)، پهنای باند فعلی تاریک (noise)، و طول موج عملیاتی برای گیرنده های عملیاتی در 25 گیگاهرتز و بالاتر، نیمه هادی باید هر دو حامل بالا و تحرک قوی (در طول موج های نوری) را در مقایسه با این روش های نوری، به عنوان گزینه های اتصال آزاد.

مواد عکس برداری اصلی

عکس های سیلیکون

سیلیکون (Si) برنامه های کاربردی مبتنی بر عکس در محدوده نزدیک مادون قرمز (400-1100 نانومتر) است، استفاده گسترده آنها از فرآیندهای ساخت CMOS بالغ، سنسورهای کم هزینه و جریان بسیار کم نور (معمولا تصویری از سیلیکون-۱۰) منجر به فیبر غیر عملی (1.12 eV) نتایج ضعیف در جذب بیش از ۹۰۰ نانومتر، و پهنای باند نوری (تقریباً ۱٫۱) می تواند به اندازه ۱-۱۰ الکترون های ضد-۱۰-۱۰-۱۰-۱۰-۱۰ الکترون باشد.

عکس آلمانی Germanium Photodiodes

آلمانیium (Ge) یک باند غیر مستقیم باریک (0.67 eV) را ارائه می دهد که جذب را به 1600 نانومتر گسترش می دهد، کل باندهای O- و C که در مخابرات استفاده می شوند را پوشش می دهد. Gephotodiodes می تواند به طور دقیق در سیلیکون از طریق اتصال های صرع یکپارچه شود، که گیرنده های عکسی معمولی را قادر می سازد به 0.5 -0.7 / 50٪ کاهش دهد.

Indium Gallium Arsenide (InGaAs) Photodiodes

InGaAs، به طور معمول شبکه سازگار با InP با ترکیب In0.53Ga0.47As، اسب کار برای گیرنده های نوری با سرعت بالا است، دارای یک ترکیب مستقیم (0.75 eVdio) با ضریب بالا (95 سانتی متر) -1) در 900-1700 ponsponsive از 0.9 / CO2 ثانیه سرعت حرکت (در حال حاضر) و ظرفیت انتقال مواد بالاتر (2 / {\displaystyle {\displaystyle }

گالیم آرسنید (GaAs) و دیگر ترکیبات III-V

Gaas Photodiodes (bandgap 1.42 eV) از 600-900 نانومتر فعالیت می کند و برای فیبر چند منظوره 850 نانومتر (VCSEL-based) در مراکز داده بهینه شده است، آنها پهنای باند بالا (25-50 گیگاهرتز) و نویز کم، اما نمی تواند طول موج های 1310/1550 نانومتر برای برنامه های تخصصی، مواد مخدر مانند لیفیوم در باندهای بتای (Inpider) را به عنوان یک iprprprprp استفاده می کنند.

مقایسه عملکرد در سراسر متریک های کلیدی

  • مسئولیت پذیری در 1550 nm: InGaas (0.9 A / W) > Ge (0.5 A / W) > Si (غیر قابل قبول)
  • Bandwidth (ساختار P-i-n): InGaas (60-100 گیگاهرتز) > Ge (20-50 گیگاهرتز) > Si (1 - 10 گیگاهرتز)
  • Dark Current چگالی: Si (10 pA/cm2) < InGaas (100 nA/cm2) < Ge (1 μA/cm2)
  • Cost در هر مرگ: Si < InGaas
  • [[۱] [۱۰] [۱] [۱۰] [۱۰] [۱] [۱۰]] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱]] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱]] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۱] [۱] [۳] [۳] [۱] [۳] [۱] [۳] [۳] [۱] [۱] [۱] [۳] [۱] [۱] [۳] [۱] [۱] [۳] [۱] [۳] [۱] [۱] [۱] [۱] [۳] [۳] [۳] [۳] [۱] [۱] [۳] [۱] [۱] [۱] [۱] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳]

این مبادلات تجاری توضیح می دهد که چرا سیلیکون بر سنسورهای سرعت پایین تسلط دارد، آلمانیوم شکاف فوتون سیلیکون را پر می کند و InGaAs همچنان انتخاب برای بالاترین عملکرد است.هیچ ماده ای تمام الزامات گیرنده های نوری با سرعت بالا را برآورده نمی کند؛ معماران سیستم باید هزینه، قدرت یا پهنای باند را اولویت بندی کنند.

تجارت در انتخاب مواد

نیازهای طولانی مدت

ارتباطات طولانی مدت (C- و L-bands) نیاز به جذب بیش از 1500 نانومتر، حذف سیلیکون. برای ارتباطات نوری فضای آزاد (FSO) در 1550 nm، InGaAs ضروری است برای دستیابی به سطح قدرت امن چشم با حساسیت بالا.com با استفاده از 850 nm VCSELs بهره مند از Gaas یا حتی Si (برای ≤ Gbps) باید یک صدای کوتاه در محدوده 10G را جذب کند.

ادغام و بسته بندی

ادغام ترکیبی - جایی که InGaas Photodiodes به مدارهای فوتونیک سیلیکون پیوند خورده اند - هزینه اضافه شده اما حفظ عملکرد است. Monolithic German-on-silicon جذاب برای تولید حجم است اما از جریان تاریک اضافه شده به دلیل ناسازگاری شبکه رنج می برد. محققان همچنان به توسعه لایه های بافر و ساختارهای کوانتومی برای کاهش نقص برای گیرنده های فوق العاده سریع (سرعت مقاومت در برابر مواد حساس مانند خازن) و اتصالات تماس با سرعت پایین تر ادامه می دهند.

مواد و تکنولوژی های نوظهور

تصاویر گرافن (Vyene Photoors)

تحرک حمل و نقل فوق العاده بالا گرافن (200,000 سانتی متر / V) و جذب پهنای باند پهن (UV تا مسافت زیادی-IR) وعده پهنای باند بیش از 500 گیگاهرتز، با این حال، جذب پایین گرافن (2.3% در هر لایه) محدود می کند آسیب پذیری به ده ها از آمپر / W مگر با ترکیب پینومونیک تقویت موج یاguides اخیر 50 نشان می دهد که حساسیت به سرعت پایین در حال حاضر با اتصال عکس برداری از یک نوار نور پایین است.

انتقال فلزات Dichalcogenides (TMD)

MoS2، WS2 و دیگر TMD ها گروه مستقیم را در نزدیکی IR با تعامل قوی نور-matter ارائه می دهند. Monolayer TMD Photodiodes نشان می دهد که واکنش پذیری تا 1 A / W و جریان تاریک، اما پهنای باند با سرعت حمل و نقل آهسته (میکرو ثانیه Heterostructures) محدود است.

عکس های Avalanche (APD)

APD ها از یونیزاسیون تاثیر برای دستیابی به سود داخلی، افزایش حساسیت برای گیرنده ها استفاده می کنند.انتخاب مواد برای APDs بسیار مهم است: سیلیکون APD (قابل مشاهده) دارای نویز کم (معادل 20.0.02) است، در حالی که InGaas ACPs (i مادون قرمز) از سر و صدای بالاتر (k-0.3-0.5) آلمانی APD به ندرت به دلیل کاهش نویزهای مولکولی (AG) استفاده می شود.

نتیجه گیری

انتخاب مواد عکسی اساسا سرعت، حساسیت و هزینه گیرنده های نوری با سرعت بالا را محدود می کند. سیلیکون همچنان مقرون به صرفه ترین راه حل برای کاربردهای قابل مشاهده و نزدیک مادون قرمز با پهنای باند متوسط است (<10 GHz). Germanium provides a viable path for monolithic silicon photonics in the O- and C-bands, albeit with higher dark current. InGaAs sets the benchmark for high-speed telecom and datacom receivers, offering the best combination of responsivity and bandwidth at 1.55 µm wavelength. Emerging materials like graphene and TMDs hold potential for future ultra-broadband detectors but are not yet competitive for production systems. System designers must evaluate overall link budgets, power consumption, and integration complexity to select the optimal photodiode. For a deeper dive into photodiode physics, refer to the Thorlabs Photodiode آموزش یا مشورت بررسی های اخیر در [F:2IEEE Journal [F3] برای استفاده خاص از تکنولوژی.