Johdatus valodiodeihin optisissa vastaanottimissa

Optiset viestintäjärjestelmät luottavat fototunnisteisiin, jotka muuntavat valosignaalit sähkövirraksi. Kaksi hallitsevaa fotodetektorityyppiä ovat PIN-valodiodit ja lumivyöryvalodiodit (APD). Tässä artikkelissa verrataan niiden rakenteita, toimintaa ja suorituskykyä, jotta voidaan valita sopiva ilmaisin eri sovelluksiin. Näiden komponenttien ymmärtäminen on olennaista tehokkaiden optisten vastaanottimien suunnittelussa televiestinnässä, anturissa ja sen ulkopuolella.

PIN-valodiodit

Rakenne ja työskentely

PIN-valodiodeilla on kerrostettu rakenne, joka koostuu voimakkaasti doping-p-tyyppisestä alueesta, sisäisestä (avo) puolijohdekerroksesta ja voimakkaasti doping-n-tyyppisestä alueesta. Luonnollinen kerros laajentaa ehtymisaluetta, jolloin fotonien imeytyminen on tehokasta. Kun fotonit, joiden energia on suurempi kuin puolijohdenauha, tulevat tähän kerrokseen, ne tuottavat elektroni-reikäparia. Nämä kantajat ovat sitten pyyhkäisseet irti sovelletusta käänteisestä harhasta, mikä tuottaa fotovirtaisen suhteessa tapahtumaoptiseen tehoon. PIN-diodit toimivat matalalla harhajännitteellä, tyypillisesti välillä 5 ja 20 volttia, ja tarjoavat yhtenäisyyttä, mikä tarkoittaa, että kukin fotoni tuottaa täsmälleen yhden elektroni-reikäparin. Tämä johtaa minimaaliseen liialliseen meluun, mikä tekee niistä ihanteellisia suurnopeuksille.

Avainominaisuudet

  • High speed: Kaapelinleveys ylittää 40 GHz johtuen lyhyistä kuljetusajoista luontaisella alueella.
  • Hiljainen melu[: Ei moninkertaistumista; ainoastaan laukaus ja lämpömelu vaikuttavat, mikä mahdollistaa korkean signaalin ja äänen välisen suhteen.
  • Hidas harha[: Vaatii minimaalista jännitettä, yksinkertaistaa virransyöttösuunnittelua ja vähentää virrankulutusta.
  • Materiaalit[: Pii näkyville aallonpituuksille (400-1100 nm) ja indiumgalliumarsenidi (InGaAs) läheltä infrapunaa (900-1700 nm) käytetään kuituoptiikassa. Lisätietoja on [PIN diodi Wikipedia-sivulla.

Lumivyöryvalodiodit

Rakenne ja kertolasku

APD:t ovat myös p-i-n rakenne, mutta sisältävät korkean kentän alue, jossa vaikutus ionisaatio vahvistaa fotovirtaa. Kun fotoni tuottaa ensisijaisen elektroni-reikä pari, kantajat kiihdyttää sähkökenttä, saada riittävästi energiaa ionisoimaan muita atomeja. Tämä luo toissijainen paria, joka johtaa lumivyöryn kertomisvaikutus. Saantitekijä, tyypillisesti vaihtelee 10 1000, riippuu sovellettu harhajännite ja laite suunnittelu. APD vaatii korkeampia vinousjännite, usein yli 100 volttia, ja voitto on lämpötila-herkkä, vaatii kompensointipiirejä. Tämä sisäinen voitto parantaa herkkyyttä, mutta tuo liikaa melua stokastinen Kertymä prosessi.

Melu ja myynti

Ylimääräinen melutekijä, jolle on ominaista k-arvo (ionisaatiokertoimien suhde elektroniin ja reikiin), määrittää melun suorituskyvyn. Alemmat k-arvot johtavat vähemmän melua, ja InAlAs:n ja SiGe:n kaltaiset materiaalit optimoidaan tämän saavuttamiseksi. Melusta huolimatta ADD:t voivat havaita heikkoja optisia signaaleja, jotka olisivat erotettavissa melusta PIN-valodiodissa, jolloin ne ovat välttämättömiä kauko- ja fotonitähtijärjestelmille. Lisätietoja saa ]allanche fotodiode Wikipedia-sivulta[.

Vertaileva analyysi: PIN vs. APD

Herkkyys ja resonanssi

Responsibility mittaa valovirran yksikköä kohti -optiikka. PIN-diodeilla vastuu on noin 10 dB parempi kvanttitehokkuudella, tyypillisesti 0,5-1,0 A/W InGaAs:lla 1550 nm:ssä. APD:n tehokas vastuu kerrotaan voittokertoimella, joka voi olla yli 100 A/W. Herkkyys, pienin havaittava optinen teho, on noin 10 dB parempi APD:ille. Esimerkiksi 10 Gbps APD-vastaanotin voi saavuttaa -28 dBm:n herkkyyden optisten vastaanottimien osalta. Tämä ero on kriittinen järjestelmille, joilla on tiukka linkkibudjetti, kuten RP-valonheittimet Encyclopedia optisissa vastaanottimissa .

Kaapelinleveys ja nopeus

PIN-valodiodit tarjoavat yleensä suurempia kaistanleveyksiä, koska operaattorin läpikulkuaika on lyhyt eikä se ole monistusviivettä. Kaupalliset PIN-laitteet ylittävät 40 GHz, tukevat datan nopeudet jopa 100 Gbps ja sen jälkeen. APD-diodien kaistanleveys on pienempi johtuen moninkertaistumiseen ja pidempiin kantoreiteihin tarvittavasta ajasta, tyypillisesti 1-10 GHz, vaikka edistyneet mallit voivat saavuttaa 20 GHz:n rajan.

Meluteho

PIN-diodien kokonaismelu on pienempi, koska niissä ei ole moninkertaistumismelua. Määrääviin melulähteisiin kuuluvat valovirran ja lämpömelun aiheuttama laukausmelu. APD-melua vahvistetaan signaalin kanssa, ja ylimääräinen melukerroin lisää yleistä melua. Signaali-äänisuhde (SNR) voidaan optimoida valitsemalla sopiva hyöty- ja jännite. Suurnopeusjärjestelmissä matalameluiset transimaatiovahvistimet (TIAs) auttavat lieventämään APD-melua.

Bias Jännite ja monimutkaisuus

PIN-diodit toimivat pienellä puolueellisuudella (5-20 V), jossa on mitätön virrankulutus, mikä yksinkertaistaa virransyöttöä. APD-diodit vaativat suurta puolueettomuutta (50-200 V) ja usein lämpötilan kompensointia, jotta saadaan vakaa hyöty, mikä lisää monimutkaisuutta ja kustannuksia. Integroidut moduulit, joissa on sisäänrakennettuja säätimiä, ovat käytettävissä, mutta lisäävät järjestelmän kokonaiskokoa ja tehonjakoa. Akkukäyttöisille tai kompaktille laitteille PIN-valodiodit ovat edullisia.

Optisten viestintäjärjestelmien sovellukset

Korkean nopeuden datayhteydet PIN-valodiodeihin

PIN-valodiodit ovat vakiovalinta lyhyen ja keskipitkän aikavälin linkeille, joissa on antelias linkkibudjetti. Niitä käytetään 10 Gigabit Ethernet (10GBASE-SR/LR/ER), 40 Gbps, ja 100 Gbps-järjestelmät, jotka käyttävät rinnakkaisoptiikkaa tai aallonpituusjakoa multipleksing (WDM). Metro- ja käyttöverkoissa PIN-vastaanottimet TIA-laitteilla tarjoavat kustannustehokkaita ratkaisuja. Niiden lineaarisuus ja vähäinen vääristymä tekevät niistä myös sopivia analogiseen optisiin yhteyksiin, kuten radio-over-fiber-järjestelmiin. Lisäksi PIN-diodit palvelevat nopeita optisia yhdyssiteitä datakeskuksissa.

Pitkän matkan ja korkean herkkyyden järjestelmät, joissa on APD

APD:t ovat erinomaisia kaukoviestintäjärjestelmissä, mukaan lukien merikaapelit ja ydinverkot, joissa optinen teho on vakavasti heikentynyt. Niitä käytetään myös vapaa-avaruuden optisessa viestinnässä (FSOC) ja LIDAR-järjestelmässä (Light Detection and Ranging) heikkojen heijastusten havaitsemiseen. Optisissa aika-alakulmaheijastimissa (OTDR) ADDA:t mahdollistavat selkään sirpaloituneen signaalin havaitsemisen pitkillä kuituspapeilla. Fotonilaskevat APD:t, jotka ovat puolueellisia Geiger-tilassa, käytetään kvanttiavaimen jakelussa (QKD) ja yksivalokuvauksessa. APD:ien korkea herkkyys mahdollistaa pidempien toistuvien lähetysetäisyyksien.

Optisen vastaanottolaitteen suunnittelun valintakriteerit

Optista vastaanotinta suunniteltaessa insinöörit arvioivat datan nopeutta, linkkiä, melunsietoa ja kustannuksia. Suurinopeuksisissa verkoissa, joilla on riittävät tehomarginaalit, PIN-valodiodit tarjoavat yksinkertaisuutta ja kustannuksia. Matalanopeuksisissa, korkean herkkyyden sovelluksissa APD-laitteet tarjoavat tarvittavaa hyötyä. Eteenpäin tehtävät virheiden korjaus (FEC) voivat rentoutua herkkyysvaatimuksia, jotka saattavat suosia PIN-ratkaisuja. Passiivinen optinen verkko (PON) -käyttöön tarkoitetuissa murto-mode-vastaanottimissa APD-laitteissa on tilaa suurille dynaamisille vaihteluväleille.

Tulevaisuuden Suunnat Photodetektoriteknologiassa

Tutkimus jatkaa PIN- ja APD-suorituskyvyn parantamista. PIN-diodeille panostetaan kaistanleveyden lisäämiseen grafiitin ja pimeän virran avulla. APD-diodeilla pyritään vähentämään liiallista melua säilyttäen samalla suuri hyöty materiaaleilla, kuten SiGe, InAlAs ja III-V-yhdisteillä. Erillinen absorptio, luokittelu, lataus ja kertolasku (SAGCM) -rakenteet parantavat suorituskykyä. Yksifonttiset lumialanssidiodit (SPAD) etenevät kvanttiviestinnän ja lentoaikakuvauksen alalla. Valodiodektoreiden integrointi CMOS-elektroniikan kanssa piivaloniikkaalustoilla lupaa kompaktit, edulliset transsetit datakeskuksille.

Päätelmät

PIN-valodiodit ja lumivyöryvalodiodit ovat optisten vastaanottimien peruskomponentteja, joista jokainen tarjoaa erillisiä etuja. PIN-diodit tarjoavat nopean, alhaisen melun ja yksinkertaisuuden korkean datan, lyhyen aikavälin sovelluksiin. APD-diodit tarjoavat ylivoimaista herkkyyttä korkeamman melun ja monimutkaisuuden kustannuksella kauko- ja fotonitähtijärjestelmissä. Valinta riippuu erityisvaatimuksista, kuten datan taajuudesta, linkin budjetista ja kustannuksista. Teknologian kehittyessä molemmat tyypit jatkavat optisen viestintäkyvyn rajojen ylittämistä.