مقدمه ای بر Photodiodes در گیرنده های نوری

سیستم های ارتباطی نوری به شناسایی کننده های عکس برای تبدیل سیگنال های نور به جریان الکتریکی متکی هستند. دو نوع ردیاب عکس غالب عکس های PIN و یک عکس العمل لمسی (APD) هستند که ساختارهای، عملکرد و عملکرد آنها را مقایسه می کند تا به انتخاب آشکارساز مناسب برای کاربردهای مختلف کمک کند.

PIN Photodiodes

ساختار و کار

Photodiodes دارای یک ساختار لایه ای متشکل از یک منطقه به شدت برشی، یک لایه نیمه هادی ذاتی (undoped) و یک منطقه به شدت برش n-type است، لایه ذاتی، به طور معمول برنامه های انحرافی را در حداقل پین عکس، هنگامی که فوتون ها با انرژی بیشتر از باند نیمه هادی وارد این لایه می شوند، آنها جفت الکترون را تولید می کنند، و سپس یک سوگیری بالا را در هر کدام از طریق کاهش می دهند، به دست می دهند.

ویژگی های کلیدی

  • سرعت بالا : پهنای باند بیش از 40 گیگاهرتز به دلیل زمان حمل و نقل کوتاه در منطقه ذاتی.
  • [در این میان] [در این صورت] [به صورت زیر]: هیچ سر و صدا ضرب و شتم؛ تنها ضربه و صدا حرارتی کمک می کند، و نسبت های سیگنال بالا را به هیچ وجه امکان پذیر نمی کند.
  • [FLT: نیاز به حداقل ولتاژ، ساده سازی طرح عرضه برق و کاهش مصرف برق.
  • ; سیلیکون برای طول موج های قابل مشاهده (400-1100 نانومتر) و indium گالیلئوم arsenide (InGaAs) برای نزدیک مادون قرمز (900-1700 nm) نوری مورد استفاده در فیبرها.

عکس های Avalanche Photodiodes

ساختار و Multiplication

APD ها همچنین دارای ساختار p-i-in هستند، اما شامل یک منطقه با میدان بالا است که در آن یونیزاسیون تاثیر جریان عکس را تقویت می کند، هنگامی که یک فوتون یک جفت اصلی الکترون-hole را تولید می کند، حامل ها در میدان الکتریکی شتاب می دهند، به دست آوردن انرژی کافی برای یونیزه کردن اتم های دیگر، این جفت های ثانویه، منجر به یک اثر ضرب و شتم ارزش، به دست آوردن حساسیت اضافی، اغلب نیاز به افزایش ولتاژ 100، و خم شدن از یک دستگاه، و خم شدن، به یک دستگاه، و خم شدن، و خم شدن، به یک دستگاه، و سوگیری بیشتر، نیاز به یک دستگاه، و افزایش ولتاژ بیشتر، به یک دستگاه، به یک دستگاه، و افزایش ولتاژ اضافی، به یک تابعی که معمولاً به یک دستگاه، و یا یک تابعی است.

سر و صدا و به دست آوردن تجارت

عامل سر و صدا اضافی، که توسط ارزش k (تعامل یونیزاسیون برای الکترون ها و حفره ها) مشخص می شود، عملکرد نویز را تعیین می کند. پایین تر ارزش k منجر به نویز کمتر می شود و مواد مانند InAlAs و SiGlanLTe بهینه سازی شده اند تا به این دست یابند. علی رغم نویز، APD می تواند سیگنال های نوری ضعیف را شناسایی کند که در یک صدای قابل تشخیص هستند (jFdio برای خواندن بیشتر و اجتناب از آن ها.

تحلیل مقایسه ای: PIN در مقابل APD

حساسیت و مسئولیت پذیری

مسئولیت پذیری اندازه گیری جریان عکس در هر واحد قدرت نوری. [۱] برای دیودهای PIN، مسئولیت پذیری محدود از بهره وری کوانتومی است، به طور معمول ۰٫۰ A / W برای InGaAs در ۱۷۵۰ PPM تنگ است؛ به عنوان یک سیستم لینک حساس، به طور بالقوه بیش از ۱۰۰ A / W. حساسیت، حداقل قدرت نوری قابل تشخیص، در مورد ۱۰٫۹ ثانیه، برای یک گیرنده لینک بهتر است.

پهنای باند و سرعت

Photodiodes به طور کلی پهنای باند بالاتر را ارائه می دهد زیرا زمان حمل و نقل کوتاه است و هیچ تاخیر ضرب وجود ندارد. دستگاه های پین تجاری از 40 گیگاهرتز تجاوز می کنند، با این حال طراحی های پیشرفته می توانند به 100 گیگابیت در ثانیه و فراتر از آن برسند. APDs پهنای باند پایین تر به دلیل زمان مورد نیاز برای بوت و مسیرهای حامل، به طور معمول 1 تا 10 گیگاهرتز، اما طرح های پیشرفته می توانند به 20 گیگاهرتز برای برنامه های با سرعت بالا 40، معمولا ترجیح می دهند.

عملکرد نویز

دیودهای PIN نویز کلی را نشان می دهند زیرا فاقد سر و صدا هستند. منابع نویز دومین شامل نویز شات از جریان عکس و صدای حرارتی از مقاومت بار است. سروصدای APD همراه با سیگنال تقویت می شود و عامل نویز اضافی باعث افزایش نویز کلی می شود. سیگنال به-noise (SNR) می تواند با انتخاب مناسب و سوگیری برای کاهش سرعت بالا (Transpise) بهینه سازی شود.

ولتاژ و پیچیدگی

دیودهای PIN در سوگیری پایین (5-20 V) با مصرف انرژی ناچیز، ساده سازی طرح منبع برق عمل می کنند. APDs نیاز به تعصب بالا (50-200 V) و اغلب جبران دما برای تثبیت، اضافه کردن پیچیدگی و هزینه ماژول های یکپارچه با تنظیم کنندگان داخلی در دسترس هستند، اما افزایش اندازه سیستم و انتقال برق کلی برای باتری های قدرتمند یا دستگاه های PIN جمع و جور، از مزایای بهره مند هستند.

برنامه های کاربردی در سیستم های ارتباطی نوری

لینک های با سرعت بالا با PIN Photodiodes

Photodiodes انتخاب استاندارد برای پیوندهای دسترسی کوتاه به کوتاه با بودجه لینک سخاوتمندانه است.آنها در 10 Gigabit Ethernet (10GBASE-SR /LR /ER)، 40 گیگابیت در ثانیه و 100 گیگابیت سیستم های گیگابیتی استفاده می شوند که از سیم پیچ و خم موازی یا تقسیم طول موج (WDM) استفاده می کنند و به شبکه ها دسترسی دارند، گیرنده های PIN با TIAs ارائه راه حل های هزینه ای برای آنها ارائه می دهند.

سیستم های طولانی مدت و با قابلیت های بالا با APDs

APD ها در سیستم های ارتباطی طولانی مدت، از جمله کابل های زیردریایی و شبکه های هسته ای، که قدرت نوری به شدت کاهش یافته است، آنها همچنین در ارتباطات نوری فضای آزاد (FSOC) و LIDAR (تحریم و Ranging) سیستم های برای تشخیص انعکاس ضعیف استفاده می شوند.در انعکاس های زمانی نوری (OTDR)، APD حساسیت کوانتومی را در تشخیص های تک عکس بالا (S) امکان می دهد.

انتخاب معیارهای طراحی گیرنده نوری

هنگام طراحی یک گیرنده نوری، مهندسان نرخ داده، بودجه لینک، تحمل سر و صدا و هزینه را ارزیابی می کنند.برای لینک های با سرعت بالا با حاشیه های قدرت کافی، پین Photodiodes ارائه سادگی و هزینه پایین هزینه پایین برای برنامه های پیچیدگی کم سرعت، بالا حساسیت بالا، APD ها بهبود خطا پیش رو (FEC) می تواند الزامات حساسیت پیشرفته را آرام کند، به طور بالقوه راه حل های پردازش PIN معکوس (SP) را با استفاده از سیگنال های پردازش پویا (IP) می کنند.

مسیر های آینده در تکنولوژی PhotoUX

تحقیقات همچنان به بهبود عملکرد PIN و APD برای دیود PIN ادامه می دهد، تلاش ها بر افزایش پهنای باند با استفاده از مواد مانند گرافن و کاهش جریان تاریک تمرکز می کنند.در APDs، اهداف شامل کاهش سر و صدا اضافی در حالی که حفظ بالا از طریق مواد مانند SiGe، InAlas، و ترکیبات III-V. جداگانه جذب، درجه بندی، شارژ، و ساختارهای ضرب (SAGCM) توسعه دهنده های پردازش اطلاعات تک عکس و تصاویر است.

نتیجه گیری

Photodiodes و avalanche Photodiodes اجزای اساسی در گیرنده های نوری هستند، هر کدام مزایای متمایز را ارائه می دهند. دیودهای PIN سرعت بالا، نویز پایین و سادگی برای برنامه های با کیفیت بالا و کوتاه مدت، حساسیت برتر را با هزینه نویز بالاتر و پیچیدگی برای سیستم های طولانی و فوتون-starve بسته است.