הבנת תפקידם של Photodiodes ב- Optical Acceptrs

מקלטים אופטיים להמיר אותות אור נכנסים זרמים חשמליים כי אלקטרוניקה למטה יכול לעבד.במרכז של כל מקלט אופטי הוא photodiode, מכשיר מוליכים למחצה סופג פוטונים ומייצר זוגות חור אלקטרונים מספק בחירה של photodiode ישירות קובע את הרגישות של המקלט, רוחב פס, רצפת רעש, ועלות המערכת הכוללת.2 טכנולוגיות פוטודיודות דומיננטיות הופיעו כסטנדרטים: את הביצועים החיוביים של photodio-in-in-in-in-in-inal (Dird) ו-oficial ביצועים (Dice) בין המשתנים באופן משמעותי, כולל את אותה פונקציה).

PIN Photodiode: מבנה ועקרונות הפעלה

אדריכלות

PIN photodiode שואב את שמו של המבנה המשולש שלה: שכבת p-type , שכבת Intrinsic (undoped) ושכבה N-type מבוהלת מאוד. האזור הפנימי מתון הוא החידוש המרכזי סחף באופן ישיר על ידי אלקטרון-קרב אחד של תמונות בטווח גל רחב, בדרך כלל 850m עבור מערכות מרובות-מוחות כמעט ללא ספק, 000 אלקטרונים אחד, כמעט ללא ספק, 000 ליטרים חשמליים לטווח קצר של אלקטרון אחד.

דמויות מפתח

(ב) תצלומים קטנים מציעים כמה תכונות מגדירות את ה-FLT שלהם:0 (אחריות) מורכב של 1FLT: בדרך כלל 0.8 ל- 1.0 A/W ב-1550 nm, משקף את היעילות של המרת photon-to-electron.com שלהם בטווח של סימולציות לאחור של ריצוף VLT5 3 יכול לעלות על 40 GHz, מוגבל בעיקר על ידי הזמן של נשאים בשכבות נמוכה ואורך הדליפה נמוכה של נפח הדליפה נמוכה של זרם נמוך של זרם נמוך של אור כהה.

מקרים פשוטים

פוטודיודות PIN שולטות ביישומים שבהם הכוח האופטי המתקבל גבוה יחסית, בדרך כלל מעל -20 dBm, וכאשר רוחב פס גבוה הוא הדרישה העיקרית.הם הבחירה הסטנדרטית של חיבורים במרכז נתונים, קישורים אופטיים קצרי נשימה, סיבים אל בית (FTTH) מערכות, וציוד בדיקה מהיר גבוה שלהם.

מקור: Avalanche Photodiode: Structure and Operating Principles

Avalanche מקבל Mechanism

(הופנה מהדף פוטודיודה (Avalanche photodiode) מבוסס על מבנה PIN אך מוסיף תכונה קריטית: אזור רב-תכליתי שדה גבוה (המכשיר תוכנן כך שנושאי צילום, בדרך כלל אלקטרונים, נכנסים לאזור שבו השדה החשמלי גבוה מאוד, לעתים קרובות מעל 300 kV / ס"מ מעל שדה זה, ספקים מקבלים מספיק אנרגיה קינטית כדי לייצב אלקטרונים בתוך ה-לטי, יצירת אפקט משני של 10 גרם אחד של אלקטרון אחד אפילו יותר גבוה יותר.

תוצאות המסחר-offs

רווח של APD מגיע עלות.תהליך ה-Avalanche הוא רועש מטבעו כי הכפל הוא תהליך סטטיסטית של רעש עודף, אשר קוונטית את השחלות ברווח, תלוי ביחס של ionization coefficients עבור אלקטרונים וחורים.

מקרים פשוטים

APDs הם הבחירה המועדפת כאשר מקבל כוח אופטי נמוך, בדרך כלל מתחת −28 dBm, רגישות הוא הדאגה המרוממת יותר.הם בשימוש נרחב בתקשורת אופטית ארוך טווח אולטרה-האולתלה סיבים אופטיים, שבו אורך של 80 ק"מ ל-120 ק"מ או יותר הם נפוצים.הם גם חלק בלתי נפרד מערכות LARID, שבו משתקפים ממטרות מרוחקות לספק רק אופטיות, חוזר אל תוך שטח אופטי, כדי להפחית את היתרונות הפנימיים של 15B.

השוואה בין ראש ל-Head: APD vs. PIN

רגישות וזיהוי - to-Noise Ratio

הגורם המבדל החשוב ביותר בין APDs ו PIN photodiodes הוא רגישות מקלט.רגישות היא הכוח האופטי המינימלי הנדרש כדי להשיג שיעור קטן מוגדר (BER), בדרך כלל 10-12 עבור מערכות דיגיטליות. עבור מקלט מבוסס PIN, הרגישות מוגבלת על ידי הרעש התרמית של TIA ואת זרם כהה של photodiode.

מהירות תגובה ו-Budwidth Speed

PIN photodiodes בדרך כלל מציעים רוחב פס גבוה יותר מאשר APDs בקוטר צילום שווה ערך.זמן המעבר על פני שכבת intrinsic ב PIN הוא מהיר, ואת זמן ה-RC ניתן למזער עם אריזה זהירה.תקני PIN מסחריים עם רוחב פסים של מעל 60 GHz זמינים עבור יישומים כגון 400 Gb / s ו-800 Gb / coents. APD, לעומת זאת, 000 רוחב פסים, 000 $, 000 $, אבל לא יכול להיות קרוב יותר מ- ab.

ביסאס וולטאז ומורכבות המעגל

תמונה PIN פועל עם מתח הטיה של 5 V עד 20 V, אשר יכול להיווצר על ידי ממיר DC-DC כוח פשוט או אפילו מסופק ישירות מרכבת לוח קיים. מעגל המקלט הוא פשוט: photodiode מחובר ל-TIA, והפלט הוא לאחר דגימה לאחר ושעון לתוך מעגל החלטה. APD, בניגוד, דורש היצע גבוה, לעתים קרובות דבקה מתח זה כדי להתאים את הלחץ על ידי Vens.

טמפרטורה תלות

פוטודיודות PIN מציגות תלות טמפרטורה מינימלית.התגובה שלהם משתנה על ידי בערך 0.1% per ° C, ואת הנוכחים הכהים שלהם כפול בערך כל 10 מעלות צלזיוס, אבל הבדלים אלה קטנים מספיק כי אין פיצוי ברוב היישומים. APDs הם הרבה יותר טמפרטורה רגישה.ה ionization coefficients ו המתח השבר הן שינוי עם טמפרטורה, מה שגורם לרווח להשתנות על ידי כ -2% ל- C למתח קבוע, אפילו ירידה של 50 מעלות צלזיוס, עם עלייה של פחות או יותר.

עלויות ושיקולים של מערכת

פוטודיודות PIN הן פשוטות לייצור, יש תשואה גבוהה, והם זמינים ממספר ספקים בעלות נמוכה. מודול מקלט טיפוסי עבור 10 Gb /s עלויות כמה דולרים בנפח. APDs הם מורכבים יותר כדי לייצר כי אזור ריבוי דורש שליטה מדויקת ו- AFP נמוך יותר מאשר עלות נמוכה יותר של מערכת צילום או ירידה של 2.

בחירת נהיגה ב-Driven

Long-Haul סיבים אופטיים תקשורת

בטווח הארוך ותמסורת הצוללת, כל דציבל של יחסי שולי משנה.הרגישות הגבוהה של APDs מאפשרת אורך של 80 ק"מ ל-120 ק"מ ללא אישור ביניים. במערכות שבהן מקלטים של סיביים מודבקים ב- APD ממשיכים להגיע, אך APDs יכולים להפחית את המגבר הנדרש או לקבל את השימוש של כוחות הפעלה נמוכים יותר.

High-Speed Data Center Interconnects

קישורים למרכז נתונים הם בדרך כלל קצרים, החל מכמה מטרים עד 10 ק"מ, והכוח האופטי המתקבל הוא בדרך כלל גבוה מספיק כי photodiode מספק מספיק רגישות.הדגש הוא על רוחב פס, עלות נמוכה וצריכת חשמל נמוכה. pIN פועל ב 25 Gb/s ו 56 Gb /s הם תקן.המגמה לכיוון 800 Gb / , ו-1.6 / רוחב פס אופטי באמצעות מרכזי פעולה ליניאריים, למרות שהם עשויים למצוא כיום דרישות רוחב פס רחבות יותר.

מערכות תגמול ו-Ring Systems

מערכות LIDAR עבור כלי רכב אוטונומיים, מזל"טים, וסקר להסתמך על גילוי פעימות קלות של אור שמשתקף מחפצים מרוחקים. הדרישה הרגישות היא לעתים קרובות חמורה כי הרהורים המטרה יכולים להיות נמוכים והכוח האופטי מתפשט על פני אזור באם גדול. APDs, במיוחד סיליקון APDs עבור 905 n מערכות, לספק את הרווח הפנימי הדרוש כדי לזהות תשואה חד-מנטלית.

קישורים אופטיים בחינם

מערכות תקשורת אופטיות חופשיות (FSO) חייבות להתמודד עם ספיגה אטמוספירית, פיזור, וזעזועים.הכוח המתקבל יכול להשתנות על ידי 20 dB או יותר, ומרחקי קישורים מוגבלים לעתים קרובות על ידי האות הזמין בגלאי. APDs הם העדיפו במידה רבה FSO כי הרגישות הנוספת מתורגמת ישירות לטווח ארוך יותר או גבוה יותר תחת תנאי מזג אוויר שלילי.

ביו-רפואי ונמוך-Light Imaging

בדמיית ביו-רפואית, קרוב ל-spectroscopy, וגילוי פלואורסנט, רמות האור יכולות להיות נמוכות מאוד, לעתים קרובות ברמת ה-Photon-counting.סיליקון APDs הפועלים באורכי גל מתחת 1000 nm מציעים יעילות קוונטית גבוהה ורעש נמוך, מה שהופך אותם מתאימים ליישומים כגון זרימת ציטרינומטריה, מיקרוסקופית ריכוז, ואופטיקה ל-Occraencesin (CTIN) הם יכולים לספק רגישות בינונית עבור photo-Tra-Tra-T.

שיקולים עיצוביים מעשיים

עיצוב Front-End Design

הפוטואיד הוא רק מרכיב אחד של המקלט האופטי.ה.ה-TIA, לאחר הדגימה, ושעון שיקום מעגל כל לתרום לביצוע הכולל.עבור מקלטים מבוססי PIN, הרעש TIA שולט ברגישות, כך בחירת TIA עם ציון גבוה של עלייה במשקל על ידי מקבל נתונים סחבת הוא חיוני. עבור מקלטים מבוססי APD, התמונה הנוכחית הוא מוגבר לפני ה-TIA, כך שפחות לחץ דם קבוע הוא גורם שלילי של APD הוא הכרחי.

ניתוח תקציב רעש

תקציב רעש קפדני צריך לקחת בחשבון עבור רעש ירי מהתמונה הנוכחי, רעש כהה, רעש עודף של תהליך avalanche (עבור APDs), רעש תרמי מן TIA, ורעש מן השלבים הבאים לשלוט על המקלט PIN, הרעש התרמית הוא בדרך כלל בולט. עבור מקלט APD, את הרעש הקבוע ורעש עודף לקבוע את ה SNR.

שילוב עם TIA ופוסט-מגבר שלב

אריזות Photodiode ממלא תפקיד בביצוע המקלט. pIN photodiodes לעתים קרובות משולבים ישירות עם TIA במודול משותף ארוז כדי למזער קיבולים parasitic ו inductance. APDs, עם מתחים הטיה גבוה יותר שלהם, דורשים בידוד זהיר בין מודולים גבוהים פשטות דבקה קווי הנקה ואת קלט TIA רגיש. בפועל, APD ו TIA הם בדרך כלל על מתחים על משטחים זעירים עם כמה מטבוליתים עם טמפרטורות מצופה כי הם כוללים טמפרטורות מתוחכמות טמפרטורות מצופה.

מגמות מתפתחות וכיוונים עתידיים

הפער ההיסטורי בין PIN לבין ביצועי APD צר באזורים מסוימים ורחבה באחרים. סיליקון photonics אפשרה ל- PIN photodiodes עם רוחב פס מעל 100 GHz, מה שהופך אותם הגלאי המועדף של הדור הבא coherent אופטי transceivers. במקביל, חידוש APD באמצעות הנדסה של ionization, כגון ספיגה נפרדת, דירוג, ריבוי, ורב-אפקטים (SCM) הם יותר חומרים מתקדמים יותר כמו גרף גבוה יותר, כמו גרף (D) עם חומרים מתקדמים יותר ויותר) כגון גרף חומרים מתקדמים יותר ויותר גבוה יותר ויותר, כמו גרף חומרים מתקדמים יותר ויותר גבוה יותר ויותר, כמו GHz) כגון GHz (DRMN) עם גרף חומרים מתקדמים יותר ויותר, כמו GHz) עם GHz) עם גרף חומרים מתקדמים יותר, 000 GHz) עם GHz (D) עם GHz) עם GHz) עם GHz (D) עם מטבוליזם גבוה יותר ויותר גבוה יותר ויותר, כמו גרף חומרים מתקדמים יותר ויותר, כמו גרף חומרים מתקדמים יותר ויותר גבוה יותר ויותר גבוה יותר ויותר, כמו מטבוליזם של חומר מטבוליזם של חומר מטבוליזם של חומר מטבוליזם של חומר מטבוליזם של חומר מטבוליזם של חומר גרף גבוה יותר ויותר גבוה יותר ויותר

מהנדסים צריכים לפקח על האבולוציה של שתי הטכנולוגיות, שכן המעטפה הביצועית ממשיכה להתרחב.עבור עיצובים של מערכת מעשית ביותר, עם זאת, הבחירה בין APD לבין תמונת PIN נשארת נשלטת על ידי העיקרון הפשוט: להשתמש ב- PIN כאשר יש לך מספיק אור, להשתמש ב- APD כאשר אתה לא.ההחלטה דורשת איזון זהיר של רגישות, רוחב פס, טמפרטורה, מורכבות, ועלות על ידי הבנת ההבדלים הבסיסיים בביצועים ומהנדסים אופטיים יכולים לייעל את דרישותיהם.

(בקריאה נוספת, המשאבים הבאים מספקים פרטים טכניים עמוקים יותר: FLT:0)Optica Publishing GroupsofLT:1 מציע מאמרים עמיתים על עיצוב תמונה ואפיון; ה-FLT:2EE Xplore Digital LibraryFLT 3: 3 מכיל מסמכים על ארכיטקטורות מתקדמות של APD ו- PIN; ו-PIN רישומים של LTF:4Exitas (מבקשים) ל-FERPLT5GPSIQ.