השוואת Pin Photodiodes ו-Avalanche צילום: Optical Acceptrs

מבוא ל Photodiodes in Optical Acceptrs

מערכות תקשורת אופטיות מסתמכות על photodetectors להמיר אותות אור זרמים חשמליים.שני סוגי photodetector הדומיננטיים הם PIN photodiodes ו avalanche photodiodes (APDs) מאמר זה משווה את המבנים שלהם, התפעול, וביצועים כדי לעזור לבחור את הגלאי המתאים עבור יישומים שונים.הבנת רכיבים אלה חיוני לתכנון מקלטים אופטיים יעילים בתקשורת, חישה, ומעבר.

צילום: Photodiodes

מבנה ועבודה

PIN photodiodes יש מבנה שכבתי מורכב של אזור p-type דחוס מאוד, a intrinsic (undoped) סמיטור שכבתי, ואזור N-type ped מאוד.השכבה הפנימית מרחיבה את אזור המחיקה, ומאפשרת קליטת photon יעילה. כאשר photons עם אנרגיה גדולה יותר מאשר מוליכים למחצה לתוך שכבה זו, הם לייצר זרם אלקטרונים נמוך לאחר מכן להפעיל את הנטוריד 5.

תכונות מפתח

Avalanche Photodiodes

מבנה ו- Multiplication

APDs גם תכונה מבנה p-i-n אבל כוללים אזור שדה גבוה שבו הפחתת ההשפעה מגבירה את photocurrent. כאשר פוטון יוצר זוג הראשי של אלקטרון-hole, המובילים להאיץ בתחום החשמלי, צובר אנרגיה מספקת כדי לגוון אטומים אחרים.זה יוצר זוגות משניים, המוביל לאפקט רב-פעמי.

רעש והשגת סחר-off

גורם רעש עודף, המאופיין על ידי הערך k (הההתאמת של יון מזהמים עבור אלקטרונים וחורשים), קובע את ביצועי הרעש. k-values נמוך יותר כתוצאה מרעש פחות, וחומרים כמו InAlAs ו SiGe הם אופטימיזציה כדי להשיג את זה.D למרות הרעש, APDs יכול לזהות אותות אופטיים חלשים כי יהיה בלתי צפויים מרעש בתמונה Planigdiode, מה שהופך אותם עבור תמונות ארוכות-Fulche:

ניתוח השוואתי: PIN vs. APD

רגישות ותגובה

אחריות מודדת את התמונה הנוכחית לכל יחידה כוח אופטי.עבור PIN diodes, responsivity מוגבלת על ידי יעילות קוונטית, בדרך כלל 0.5 עד 1.0 A / W עבור InGaAs ב 1550 nm. APD יעיל responsivity מוכפל על ידי גורם רווח, עשוי מעל 100 A / W רגישות, את הרגישות המינימלית לזיהוי אופטית, הוא בערך 10B עבור מקלטים, לעומת 10b, 000 זה, 000 עבור מערכת D.

בנדידה ומהירות

PIN photodiodes בדרך כלל מציעים רוחב פס גבוה יותר כי זמן המעבר של המוביל הוא קצר ואין עיכוב רב-הכפלה. מכשירים מסחריים PIN מעל 40 GHz, תמיכה בשיעורי נתונים עד 100 Gbps ומעבר. APDs יש רוחב פס נמוך יותר בשל הזמן הנדרש עבור רב-הכפלה וכבישים מובילים יותר, בדרך כלל 1 עד 10 GHz, אם כי עיצובים מתקדמים יכולים להגיע 20 GHz.

רעש

דיודות PIN מציגות רעש מוחלט נמוך יותר מכיוון שאין להם רעש רב-פעמי. מקורות רעש דומינינט כוללים רעש ירי מהרעש photocurrent ומדרמי ממתנגד העומס.רעש APD הוא מוגבר יחד עם האות, וגורם הרעש עודף מגביר את הרעש הכולל של יחס אותות-ל-לא-אין (SNR) יכול להיות מותאם על ידי בחירת רווח הולם ומתח מוטה.

ביסאס וולטאז ומורכבות

דיאודות PIN פועלות בהטיה נמוכה (5-20 V) עם צריכת חשמל רשלנית, הפשטות של אספקת החשמל. APDs דורשות הטיה גבוהה (50-200 V) ולעתים קרובות פיצוי טמפרטורה לייצוב רווח, הוספת מורכבות ועלויות. מודולים משולבים עם רגולטורים בנוי זמינים אך להגדיל את גודל המערכת הכוללת ואת הניתוק כוח. עבור מכשירים מופעלים סוללות או קומפקטיים, photoIN הם יתרון עצום.

יישומים במערכות תקשורת אופטיות

קישורי נתונים מהירים עם PIN Photodiodes

PIN photodiodes הם הבחירה הסטנדרטית עבור קישורים לטווח קצר עם תקציבי קישור נדיבים.הם משמשים 10 Gigabit Ethernet (10GBASE-SR /LR /LR / ), 40 Gbps, ו -100 מערכות Gbps המעסיקות אופטיקה מקבילים או גל חלוקת נתונים מרוביםxing (WDM) ב ורשתות גישה, מקלטים עם להציע עלות מהירות נמוכה פתרונות אופטיים כמו גם עבור מערכות אופטיים מתאימים שלהם.

מערכות רגישות לטווח ארוך ורגישויות גבוהות עם APDs

APDs מצטיינים במערכות תקשורת ארוכות טווח, כולל כבלי צוללות ורשתות ליבה, שבו כוח אופטי הוא מוגדל בחומרה.הם משמשים גם בתקשורת אופטית חינמית (FSOC) ו-LIDAR (Light Detection and Ranging) מערכות לגילוי השתקפות חלשה. in Opt-domainometers (OTDRs), APDs מאפשר זיהוי אחורי על פני סיבים ארוכים של DQ) מאפשר הדמיה גבוהה יותר.

בחירת קריטריה עבור עיצוב קבלה אופטי

בעת תכנון מקלט אופטי, מהנדסים להעריך את שיעור הנתונים, תקציב קישור, סובלנות רעש, ועלות. עבור קישורים מהירים עם שולי חשמל נאותים, PIN photodiodes מציעים פשטות ועלויות נמוכות. עבור יישומים מהירים, רגישות גבוהה, APDs לספק רווח הכרחי.תיקון שגיאות Forward (FEC) יכול להירגע דרישות רגישות, פוטנציאל לטובת פתרונות PIN.

כיוונים עתידיים ב- Photodetector Technology

המחקר ממשיך לשפר את ביצועי PIN ו- APD. עבור PIN diodes, מאמצים להתמקד על רוחב פס הולך וגובר באמצעות חומרים כגון גרפן וצמצום זרם כהה. ב- APDs, מטרות כוללות הורדת רעש עודף תוך שמירה על רווח גבוה באמצעות חומרים כגון SiGe, InAlAs, ו- III-V תרכובות. בנפרד קליט, מטען, וכפלה (SCM) משפרים ביצועים.

מסקנה

תמונות PIN ו- avalanche photodiodes הם מרכיבים בסיסיים ב המקלטים אופטיים, כל אחד מציע יתרונות ברורים. pIN diodes לספק מהירות גבוהה, רעש נמוך ופשטות עבור יישומים בעלי נתונים גבוהים, קצר-reach. APDs לספק רגישות גבוהה עלות רעש גבוה מורכבות עבור מערכות למרחקים ארוכים ופוטונים-stard.