מבוא ל- Avalanche Photodiodes in Optical Acceptrs

מקלטים אופטיים יוצרים את עמוד השדרה של מערכות תקשורת מודרניות, המרת אותות אור מתואמים זרמים חשמליים לעיבוד.ה photodetector בסוף החזית של מקלט כזה קובע את הרגישות הכוללת, רוחב פס וביצועי רעש של הקישור.בין השלבים הזמינים ל- photodetector, מציג תמונות מרובות (Ds) לעמוד עבור מנגנון הרווח הפנימי שלהם, אשר מגביר את הביצועים הנוכחיים של ה-APTS לאחר תהליך אופטיקה, במיוחד, כולל פונקציות אבטחה אופטיות של מערכת ההפעלה.

כיצד Avalanche Photodiodes לעבוד

פוטודיודה של Avalanche היא בעצם צומת למחצה מוליכים למחצה המופעל תחת מתח הטיה הפוכה גבוה. Photons נספג באזור depletion לייצר זוגות חור אלקטרונים תחת השדה החשמלי החזק, המובילים העיקריים האלה לצבור מספיק אנרגיה קינטית כדי ליצור זוגות אלקטרו-חוריים משניים באמצעות אותות השפעה, תהליך המכונה ריבוי תמונה.

היתרונות העיקריים של APDs

רגישות גבוהה ורווח פנימי

מנגנון הרווח המובנה של APD מאפשר זיהוי של אותות אופטיים ברמות כוח רחוק מתחת לאלה הנדרשים על ידי PIN photodiodes. במערכות סיבים לטווח ארוך אופטיים שבו העצימה אות גבוהה, הרגישות הזו מתורגמת ישירות לתוך מחזורי שידור ארוכים יותר ללא הדגימה אופטית. לדוגמה, ב 10 Gbps או 25 Gbps ישירות מקלטים, APDs יכול לשפר את הרגישות המתקבלת על ידי 10 ק"מ ל- 15 ק"מ, אשר לעתים קרובות, אשר מסייע להתגבר על ידי שביעות רצון נמוך של לחץ דם נמוך.

עבור יישומים חלשים כגון הפצת מפתח קוונטית או ספירה פוטונית יחיד, APDs מיוחדים מופעל במצב גייגר (מעל מתח השבר) לספק רווח גדול מספיק כדי לזהות פוטונים בודדים.יכולות זו פשוט לא אפשרי עם לינארי-מודד PINdiodes. Annote מעולה על יסודות של APDs בתקשורת אופטית ניתן למצוא בפירוט FRP: מנגנונים פוטו-פולניים, אשר מסביר תכונות צילום 1 ו-FLT.

זמן תגובה מהיר עבור מערכות מהירות

למרות המורכבות של תהליך ה-Avalanche, APDs יכול להשיג רוחב פס מעל 10 GHz, מה שהופך אותם מתאימים מקלטים אופטיים ברמה גבוהה בשימוש ב- מטרו ורשתות גישה.מהירות התגובה נקבעת על ידי זמן המעבר של ספקים באזור המחיקה, ואת הזמן קבוע של בניית קדמית של avalanche.com המודרנית APDs תוכנן עבור 25 Gbaud ו 50 פונקציות קפדניות של , ו- gtras רזולוציה גבוהה של , ו- alent (a) מאפשר רזולוציה גבוהה של רזולוציה רזולוציה גבוהה של רזולוציה , ו- avalent, ו- al , 000 , 000 רזולוציה גבוהה של ⁇ ⁇ ⁇ , 000 , 000 , 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , כאשר הוא מאפשר ⁇ , 000 ⁇ , כאשר הוא מאפשר ⁇ , 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

המונחים: Signal to-Noise Ratio

במבט ראשון, תהליך ה-SNR מציג רעש עודף בגלל האופי הסטוצ'יסטי של אירועי ההון המשפיעים.עם זאת, ההשפעה נטו על SNR תלויה בגודל היחסי של האות האופטי, הרעש המגבר, וגורם הרעש העודף של APD. במקבלי חומרים מעשיים רבים, במיוחד אלה הפועלים בעוצמה אופטית נמוכה, הרווח של APD מעלה את האות מעל למקלט, כלומר שיפור משמעותי יותר מאשר ממקבלי אבטחה אופטית, כאשר הוא גבוה יותר מאשר מגבר זה הוא מאשר מגבר, הוא גבוה יותר מאשר מגבר, מאשר מגבר, מאשר מגבר, מאשר מגבר, מאשר מגבר חיובי יותר מאשר מ-APD, הוא גבוה יותר מאשר מגבר, הוא גבוה יותר מאשר מנקה, כאשר הוא מנקה, הוא גבוה יותר מאשר מנקה, מאשר מגבר, כלומר, מאשר מגבר, מאשר מגבר, מאשר מגבר, כלומר, מאשר מנקה, מאשר מנקה, הוא גבוה יותר מאשר מנקה, מאשר מנקה, מאשר מנקה, מאשר מנקה, הוא גבוה יותר מאשר מנקה, מאשר מנקה, לעומת זאת, מאשר מנקה, מאשר מנקה, הוא גבוה יותר מאשר מנקה, מאשר מנקה, הוא גבוה יותר מאשר מנקה, מאשר מנקה, מאשר מנקה

תגובה רחבה

ניתן לייצר APDs ממגוון של חומרים מוליכים למחצה, כולל סיליקון (Si), גרמניה (Ge), ו-Indium Gallium arsenide (InGaAs) סיליקון APDs רגישים ב- גלויה וקרובה כמעט 50-infrared עד 1.1 מיקרומטר, מה שהופך אותם אידיאליים עבור LIDAR ודמיית רפואית.InGaAPD מרחיבים את הגל התפעולי לתוך טווח לייזר CMD2, מאפשר ל-1.6m רחב של מערכת לייזר מ-D2D2D2DRM, מאפשר גישה מוגבלת, 000.

אתגרים ב-APD Implementation

דרישות הפעלה גבוהות

APDs דורשים מתחים הטיה בדרך כלל בטווח של 50-400 V, בהתאם למבנה החומרי והמכשיר.זה גבוה משמעותית מה-5-12 V המשמש עבור פוטודיודות PIN. Delivering מתחים גבוהים כאלה במודולים קומפקטיים, כוח נמוך יכול להיות קשה, במיוחד במכשירים המשולבים של סוללות כמו LIDARs או כלי ידני.ה חייב להיות יציב ומדויק במיוחד, כי הרווח משתנה עם מומנטום טמפרטורה יעילה להפחתה ישירה של לחץ נמוך עם מומנטום לחץ נמוך, כולל של צריכת טמפרטורה.

תגית: Avalanche Multiplication

האופי הסטוצ'י של ההיגוי של ההשפעה יוצר רעש עודף מעבר לרעש הירי של photocurrent.זה מוגדר על ידי גורם רעש עודף F(M), אשר עבור סיליקון APDs הוא נמוך יחסית (F ⁇ 2-4 ברווחים של 100) בגלל יחס הסימון החיובי של אלקטרונים על פני חורים.

רגישות טמפרטורה ויציבות

התקני ההון והמתח השבר של APD תלויים מאוד בטמפרטורה.בדרך כלל, מתח השבר עולה עם טמפרטורה על ידי 0.1-1 V / ° C עבור מכשירי סיליקון ועל ידי 2-4 V / 4 V / ° C עבור מכשירים InGaAs.אם המתח ההטיה נשאר קבוע, עלייה בטמפרטורה תקטין את הרווח ולהגדיל את ההטיה הנדרשת כדי לשמור על ביצועים.

דיון מפורט על השפעות טמפרטורה על photodiodes avalanche, כולל טכניקות פיצוי, מסופק ב ⁇ :0 [ההערות הטכניות של Hamamatsu על APDssveFLT:1, אשר מתאר שיטות מעשיות לדקור רווח קיצוניות סביבתית.

ייצור מורכבות ועלויות

הפחתת APDs דורש צמיחה אפיתארית מתקדמת, פרופילים מדויקים, ובקרת זהירה של עובי של אזור הכפל ורמת מינון.המגבלה נפרדת, מטען, ורב-כפל (SACM) מבנים המשמשים ב-InGaAs APDs כרוכים בצעדים אפיימיים מרובים ו-LPMID מורכבים. עם זאת גורמים אלה להפוך את APDs יקר יותר מאשר פוטודיודות, אשר מבנה פשוט יותר מאשר CM-ה-הגורם יותר לפירוק של כלי רכב גבוה יותר מאשר ל-D.

השוואת APDs עם PIN Photodiodes

תמונות PIN נשאר photodetector הנפוץ ביותר קישורים אופטיים לטווח קצר בגלל הפשטות שלהם, מתח נמוך, ועלות נמוכה.עם זאת, הם לא מספקים רווח פנימי, כך שכל הנטל של הגדלת אות נופל על המגבר הטרנססרקטיבית (TIA) יכול לספק יותר נזק אופטי ואפקטים תפעוליים של DPD הופך להיות יותר גבוה, הרעש של TIA הוא רשלני ומבצע כראוי של שיפור יעיל של 5B הופך להיות השפעה יעילה יותר.

במונחים של לינאריות וטווח דינמי, PINs לעתים קרובות יש יתרון קל כי הם חסרים תהליך רב-הכפלה לא ליניארית. APDs עשויים להתעכב בכוחות אופטיים נמוכים, במיוחד ברווחים גבוהים. עם זאת, עבור פורמטים מודולציה דיגיטלית שבו סף ההחלטה הוא בינארי, אי-לינאריות זו בדרך כלל מנוהלת.עבור קישורים אופטיים אנלוגיים (למשל, התפלגות כבלים), APD עדיין יכול לשמש רווח אך חייב להיות בשימוש עלות נמוכה, אך חייב להיות עלות עלות, עלות, עלות, על בסיס כללי, על בסיס כללי, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות של מערכת רוחב פסים, עלות של מערכת רוחב פסים, עלות, עלות, עלות נמוכה, עלות, עלות נמוכה, עלות של מערכת רוחב פס רחב של מערכת יחסים אופטית אבטחה, עלות, עלות, עלות נמוכה, על בסיס כללי, עלות של מערכת יחסים אופטית אבטחה, על בסיס כללי, על בסיס כללי, עלות של מערכת יחסים אופטית, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות נמוכה, עלות של מערכת יחסים אופטית, על

תגיות: Avalanche Photodiodes

תקשורת סיבים-Optic

רשתות אופטיות ארוכות טווח ו-UVotro הן השוק המסחרי הגדול ביותר עבור APDs. ב 10 Gbps ו 25 Gbps מערכות, מקלטים מבוססי APD מאפשרים קישור מגיע 80 ק"מ או יותר ללא פיצוי פיזור או הגדלת אופטית, באופן משמעותי להפחית את העלות של מערכת ההפעלה 40 Gbps ו -100 מערכות Gbps האחרונות, APD משמשים בשילוב עם זיהוי קוהרנטי או זיהוי ישיר.

מערכות LIDAR

LIDAR (Light Detection and Ranging) מבוסס על מדידה מדויקת של יישומים של טיסה של הדופק לייזר. APDs משמשים גם במצב ליניארי עבור יישומים הקשורים נמוך, דינמי גבוה טווח (למשל, מיפוי טופוגרפי) ו במצב גייגר עבור יחיד-תמונה יחיד ב-טווח ארוך או לגנוב LARID.

Quantum Optics ו- Single-Photon Detection

במדעי המידע הקוונטים, גלאי צילום יחיד הם חיוניים. Geiger-mode APDs (G-APDs) יכול להשיג יעילות זיהוי גבוהה מאוד (עד 90% עבור מכשירי סיליקון באורכי גל גלויים) עם תזמון נמוך Jitter. הם משמשים בהתפלגות מפתח קוונטית (QKD), ניסויים מטושטשים, ו-one-n photon-of-of-reton החל ב-GAPDNS, הם דורשים יותר עבור פיתוח יחידי תיבות של GAPDNS (D) אך ורק לאחר שמבוססים יותר של CPTDNS (DNS) רק לאחר שמבוססים יותר של CPTDNS) לאחר שמבוססים עלות יותר של CPTDNS (Dconducted-DNS) מופעלים יותר של CDNS (DNS) לאחר ביצוע נמוך יותר של ביצועים קלים יותר של CRMDNS, למרות שהם מופעלים יותר של תפקוד נמוך יותר של CPTDNS, למרות שהם מופעלים תחת פיקוח על ידי QDNS, למרות שהם מופעלים יותר של תפקודים עלות עלות CPTDNS, למרות שהם מופעלים עלות HDDTMDNS (DNS, למרות שהם דורשים ביצועים קלים יותר של CPTDNS, למרות שהם מופעל

אבחון רפואי וספקטרום

סיליקון APDs משמשים ב psitron הפלטוגרפיה (PET) סורקים כמו photodetectors יחד עם scintillators, שבו רווח פנימי שלהם מאפשר זיהוי של גלימה אנרגיה נמוכה. APDs מופיעים גם ביישומים הדמיה ביו-רפואית נמוכה, כגון microorescencescopys וזרימה, שבו רגישות גבוהה ותגובה מהירה נדרשים הם תגובה רחבה של ספקטרום של ספקטרום רחב של ספקטרום של דלקת מפרקים גלויה, כמו CCR.

דרישות עבור מקבלי APD- Based

הגדלת APD לתוך מקלט דורש תשומת לב זהירה לכמה היבטים עיצוב.ההיצע ההטיה חייב לספק מתח יציב, נמוך-נוז שניתן להתאים לטמפרטורה ופיצוי ההזדקנות. מעצבים רבים משתמשים להמיר DC-DC ואחריו הרגולטור נמוך-דרופט כדי לייצר את המתח הגבוה ממערכת רכבת נמוכה יותר.המתח ההטיה צריך להיות מתואמת באמצעות SPI או I2C כדי לאפשר לממשק מבוסס על מנת לשמור על חום.

הפחתה רעשית היא גם קריטית.ה- APD צריך להיות משותף הדוק ל-TIA כדי למזער את הציפוי paramise Capsitic capacitance, אשר בדרך כלל להפחית רוחב פס ומגדיל רעש.לעתים קרובות APD ו-TIA משולבים לתוך חבילת מקלט אחת. Shielding וסינון של קו ההטיה הם הכרחיים כדי למנוע נפיחות כוח משינוי של עיצובים במהירות גבוהה, APD יכול להיות מחובר ישירות ל-D.

עבור גייגר-מודה, מעגל מנקה נדרש לעצור את זרם הנבלנצ'ה ברגע שתצלום מזוהה ולאחר מכן לטעון מחדש את APD לאירוע הבא.עבורת quenching משתמשת התנגדות גדולה, בעוד quenching פעיל משתמש אלקטרוניקה מהירה כדי לאפס את המתח ההטיה במהירות, המאפשרת שיעור גבוה יותר.

כיוונים עתידיים והתקדמות

המחקר ממשיך לדחוף את ביצועי APD קדימה. בחלל הסיבים-אופטי, photodiodes avalanche עם רוחב פס מעל 50 GHz הוכחו באמצעות מבנים מתקדמים שכבתיים ועיצובים של התחדשות אשר גם מגבירים את האחריות. השימוש בחומרים כגון GeSn על Si מציע את האפשרות להרחיב PDs מבוססי סיליקון לתוך אמצע האפר, אשר יכול לפתוח יישומים חדשים ו- חישה.

Digital SiPMs (ריונות של Giger-mode APDs עם Readout משולב) הם מתעוררים כמו מכשירי הדמיה חזקים המשלבים רגישות צילום אחד עם יכולות פתורות זמן.הם כבר בשימוש בזמן-of-טיס PET ו נחקרים עבור LIDAR ו 3D הדמיה. שילוב של APDs עם CMOS בפלטפורמות מונוליטיות או היברידית הוא צמצום עלות המאפשר עיבוד אותות מורכבים.

ירידה רעש עודף באמצעות הנדסה יחס ההון הוא מטרה מתמשכת.InGaAs APDs עם שכבת InAlAs multiplication להראות שיפור ביצועים רעש בהשוואה עיצובים מבוססי InP הישן, ו "reach-באמצעות" סיליקון APDs ממשיכים להציע רעש עודף נמוך עבור אורכי גל גלויים. Moding את פרופיל doping כדי ליצור "צעד שלילי" רב יכול להוריד את הרעש ללא מהירות או מהירות להקריב.

מסקנה

פוטודיודות Avalanche לספק שילוב ייחודי של רווח פנימי, מהירות, וגמישות אורך גל כי עושה אותם הכרחיים במגבלות אופטיות רבות. הרגישות שלהם מאפשר מרחקי שידור ארוכים יותר במערכות סיבים אופטיים, טווח משופר ב LIDAR, וגילוי יחיד פוטון בטכנולוגיות קוונטיות, עם זאת, היתרונות האלה באים עלות של מתח גבוה יותר, רגישות, עודף רעש, מורכבות הייצור מוצלח דורשות יותר עבור אמצעי בקרה מתקדמת יותר, במיוחד עבור כלי רכב אוטונומיים, כמו גם טיפול יעיל יותר, כמו גם עבור טיפול יעיל יותר, כמו גם עבור טיפול טכני יותר, כמו גם עבור אמצעי בקרה, כמו גם עבור טיפול יעיל יותר, כמו גם טיפול יעיל יותר, כמו גם עבור כלי רכב טיפול יעיל יותר, כמו גם טיפול יעיל יותר, כמו גם עלות אבטחה יעיל יותר, טיפול יעיל יותר, כמו גם עלות אבטחה יעיל יותר, כמו גם עלות אבטחה יעיל יותר, כמו גם על ידי טיפול יעיל יותר, 000.