Photodiodes הם אבני הבניין היסודי של מקלטים אופטיים מודרניים, המשמש את הממשק הקריטי שהופך אותות אופטיים לזרמים חשמליים. הביצועים שלהם ישירות מכתיב את הרגישות, המהירות והאמינות של קישורים לתקשורת אופטית, מערכות לייזר, ומערך עצום של חיישנים אופטיים.אם מאפשר אינטרנט מהיר ברחבי יבשות או ציוד הדמיה, תמונות הם הכרחיים להמיר אור לתוך אותות אלקטרוניים, לחקור את עקרונות אופטיים של תמונות, שימוש אמיתי, עם תכונות אופטיות, שימוש, שימוש, עם תכונות אופטיות, שימוש, כגון אלה, ומיומנויות אופטיות, שימושיות, ומיומנויות אופטיות, שימושיות, שימושיות, מיומנויות אופטיות, לספק את עקרונות אופטיות, לספק את המשתנים, מיומנויות אופטיות, לספק את המשתנים, שימושיות, לספק את המשתנים, מיומנויות אופטיות, מיומנויות אופטיות, מיומנויות אופטיות, מיומנויות אופטיות, מיומנויות אופטיות, מיומנויות אופטיות, שימושיות, כדי לספק.

להבין את Photodiode

בליבתו, Photodiode הוא מכשיר מוליכים למחצה שיוצר פרופורציה פוטו-זמנית לעוצמה של אור אירוע. פונקציונליות זו מסתמכת על אפקט פוטואלקטרי פנימי: כאשר פוטונים עם אנרגיה גדולה יותר מאשר ה- Semiconductor Bandgap נספגים, הם יוצרים זוגות חור אלקטרונים (On-hole) אלה ספקים חופשיים מופרדים על ידי שדה חשמלי פנימי או חיצוני, ומייצרים זרם אמין, בניגוד ל-סגול זה, כלומר, מתאים ל-סגול, כולל תמונה מדויקת של חומר מיידי (a) של חומר מיידי (aualde) ואפקט אופטי, כלומר, הוא זרם אופטי (acroreditual Defual Defual Defual Defual Defor) עבור זרם אופטי).

אפקט Photoelectric ב Photodiodes

(הופנה מהדף ⁇ ) ⁇ (ה) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אחריות ויציבות קוונטית

(ב) , (ב) , ⁇ (ב) , ⁇ ) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

סוגי Photodiodes for Optical Acceptrs

ארכיטקטורות שונות של photodiode לסחור במהירות, רגישות, רווח ורעש.שלוש הסוגים העיקריים המשמשים מקלטים אופטיים הם photodiodes PIN, avalanche photodiodes (APDs), ו מתכת-semiconductor-metal (MSM) photodiodes. Phototransistors משמשים לעתים קרובות יישומים נמוכים מהירות אבל הם פחות נפוצים במקלטים גבוהים.

צילום: Photodiodes

תמונת PIN-20 מוסיפה שכבת מוליכים למחצה עבה (i) בין p+ eded גבוהה ו n+ אזורים. שכבה פנימית זו מרחיבה את אזור המחיקה, הגדלת נפח הקליטה וצמצום משככי הצומת בעוד ש- 0 {\displaystyle \prinic} במהירות גבוהה (עמודי GHz > 100 GHz הם אפשריים) ו זרם נמוך כהה.

Avalanche Photodiodes (APDs)

(PDs לפעול תחת הטיה הפוכה גבוהה (בדרך כלל 100-300 V) כגון נושאת photogenerated לצבור מספיק אנרגיה קינטית כדי ליצור זוגות נוספים של אלקטרון באמצעות ionization השפעה.אפקט רב-אפקט פנימי זה מספק רווח (M) שיכול לנוע בין 10 ל סגסוגת גל עודף (APDs) מציעים גם רגישות גבוהה יותר (קבלהשיפורים של 5-10DMA) בהשוואה ל-PINs, מה שהופך אותם לגורם מוקדם יותר מאשר לטווח ארוך טווח:

Metal-Semiconductor-Metal (MSM) Photodiodes

MSM photodiodes מורכב מגעים מודינמיים של Schottky שהופקדו על שכבת ספיגה למחצה מוליכים למחצה.יש להם מאוד קיבוליאנט נמוך לאזור יחידה, המאפשר רוחב פס גבוה מאוד (>100 GHz) עם ייצור פשוט. MSMs משמשים נרחב מקלטים פוטוניים משולבים על סיליקון או פלטפורמות InP. שלהם, עם זאת, החיסרון העיקרי שלהם הוא נמוך יותר תגובתיות (בדרך כלל 0.3-מהירות של אלקטרו-אוויר) עם תהליכי מתכת אופטיתול אטרקטיבית (מהירות עם מהירות אופטית גבוהה עם מהירות אופטיתולים) ומהירות שלהם עם מהירות אופטית גבוהה עם מהירות אינטראקציה עם CM / מהירות מגנטית גבוהה עם CM) עם קומפקטית גבוהה עם קומפקטית גבוהה עם CM) עם קומפקטית גבוהה עם קומפקטית גבוהה עם CM) עם מהירות מתכת.

Phototransistors

למרות שלא רק photodiode, phototransistor מדגימה את התמונה במקביל באמצעות רווח transistor (בדרך כלל transistor צומת דו קוטבית) הם מציעים רגישות גבוהה ברמות אור נמוכות ודורשים רק מתח היצע יחיד.עם זאת, רוחב הפס שלהם מוגבל מאוד (בדרך כלל <10 MHz) בשל צמתים גדולים וזמני מעבר.

המונחים: key Performance Parameters

בחירת תמונה עבור מקלט אופטי דורש איזון בין מספר פרמטרים תלותיים.

  • (ב) [15] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) [ה]] [ה][דרוש מקור]] [ב]]: [ה]] [ה]]]] [ה]]][ה]] [ה][ה]]]][ה]]]] [הה']'[ה']'[ה']'[ה']''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''
  • (FLT:0)Response Speed: FLT:1, בדרך כלל הביעו את הזמן העולה / הנפילה.בקישורים דיגיטליים, photodiode חייב להיות מהיר מספיק כדי לפתור פיסות בודדות.
  • רעש Photodiode כולל רעש ירי (מהזרם כהה ו photocurrent), רעש תרמי (מהתנגדות סדרה), ו, ב APDs, רעש רב-כפלי עודף. יחס אות-לא-רעש (SNR) בפלט קובע את שיעור השגיאה (בשורה התחתונה).
  • (בקיצור:0)Gain (עבור APDs): כפל 1: 1) גורם הכפלה M. Optimal להרוויח מאזן רגישות נגד עלייה ברעש.
  • (ב) ,0) תלויות טמפרל: 1FLT:1, הן זרם כהה והן רווח APD להשתנות עם טמפרטורה.

צילום: Optical Acceptrs

מקלט אופטי ממיר את האות האופטי הנכנס לתוך אות חשמלי שניתן לעבד על ידי מעגלי החלטה.ה photodiode הוא היסוד הראשון, ואחריו מגבר טרנססרמנט (TIA) ורמות נוספות של הגדלת יכולת העצמתית.רגישות של המקלט - הכוח האופטי לזיהוי מינימלי עבור BER מסוים - נשלט על ידי מגברי הראייה ומאפיינים.

במקבלי זיהוי ישירים (הסוג הנפוץ ביותר), photodiode יוצר זרם שהוא פרופורציונלי לכוח אופטי המיידי של הרגעה.עבור מקלטי PIN, מקורות הרעש הדומיננטיים הם הרעש של TIA ורעש תרמי. APD המקלט, על ידי מתן רווח פנימי, יכול להתגבר על רצפת הרעש TIA, שיפור רגישות עד 10B. עם זאת, רעש APD מגדיר עודף של מקלטים, טווח מקסימלי של תמונות, חייב להיות השפעה ישירה, לחץ דם, לחץ דם, לחץ דם, השפעה על המרבית, על התפוצה, לחץ דם, לחץ דם, על רמות.

מקלטים קוהרנטיים, המשמשים במערכות ארוכות-עוצמה גבוהות, משתמשים בתצלומים מאוזנים בשילוב עם היברידיות אופטיות כדי לזהות אותות ממותקים בשלב זה.תמונות אלה דורשות יחס דחייה נפוץ מאוד (CMRR) ו לינאריות.התפתחויות האחרונות ב photodetecators מאוזנת במהירות גבוהה איפשרו 800 Gbps ו-1.6 מערכות קוהרנטיות.

בחירת התמונה הנכונה

בחירת תמונה עבור מקלט אופטי ספציפי כרוך ניתוח סחר שיטתית.שיקולים מרכזיים כוללים את אורך הגל של היישום, קצב סיביות, רגישות הנדרשת, טווח דינמי וסביבת הפעלה.

  • (FLT:0)Wave אורך: 1FLT (מתאים את חומר photodiode אל אורך הגל המקור.סיליקון (Si) מכסה 400-1100 nm; Germanium (Ge) מכסה 800-1600 nm אבל יש זרם כהה גבוה; InGaAs הוא תקן עבור 1300-1600m להקות טלקום; מורחבת בGaAs מגיע מעבר ל-N; GaAs הם בשימוש קצר כדי קצר כדי לראות.
  • <חזק>Speed: עבור תעריפים עד 2.5 Gbps, תמונה סטנדרטית PIN דיה. עבור 10 Gbps ומעבר, להשתמש PIN עם שטח פעיל קטן (<50 מיקרומטר) או גל מונח photodiode. APDs בדרך כלל יש רוחב פס נמוך יותר מאשר PINs עבור אותו דור טכנולוגיה.Ms יכול לעלות על 100 GHz.
  • (FLT:0) רגישות: ⁇ FLT:1 אם רגישות המקלט היא קריטית ותקציב מאפשר מתח הטיה גבוה יותר שליטה טמפרטורה טמפרטורה, לבחור APD. עבור קישורים רגישות בינונית, PIN עם TIA נמוך הוא לעתים קרובות יותר יעיל עלות.
  • (FLT:0) טווח דינמי: FLT:1 Considerations כוללים לינאריות ופתיחת זרם. PINs בדרך כלל יש לינאריות טובה יותר מאשר APDs יכול ליישב בכוחות אופטיים נמוכים יותר בשל דחיסה.
  • (FLT:0) תנאי חירום:FLT:1 טמפרטורה וחומר סובלנות קרינה.במודולים לא נעולים (למשל, 5G חזיתית), מעגלים מוטה APD מותאמת טמפרטורה הם הכרחיים.

עבור בחירת מוצר מפורט, יצרנים רבים מספקים כלים מקוונים.FLT:0 ,Thorlabs בחירת מדריך צילום של photodiode: FLT:1 מציע נקודת התחלה טובה על פני חומרים מרובים וחבילות.

יישומים של Photodiodes in Optical Acceptrs

Photodiodes מועסקים ברשימת האפליקציות של כל אחד עם דרישות ביצועים ייחודיות:

תקשורת סיבים-Optic

זהו השוק הגדול ביותר. PIN ו- APD photodiodes משמשים ב transceivers עבור רשתות גישה (GPON, EPON), קישורים מטרו / אזוריים, וכבלי צוללות ארוכות-haul .10G, 25G, ו -100G קישורים לזיהוי ישיר להסתמך על photodiodes PIN, בעוד 100G ומעלה קישורים קוהרנטיות משתמשים photodiodes מאוזניות.

LIDAR (Light Detection and Ranging)

מערכות LIDAR בכלי רכב אוטונומיים וחישה מרחוק דורשים APDs או דיודות אדנדצ'ה יחיד-פוטוני (SPADs) לגילוי הדופקים חלשים משתקפים.רווח גבוה ורעש עודף נמוך הם רב-חשיבות.InGaAs APDs הפועלים ב-1550 nm מועדים לבטיחות העין שלהם ולהפחית את הרקע הסולארי האחרון על Geiger-de APD מאפשר זמן של מדידה ברמת דיוק.

• שיבוש רפואי וביוסנסורים

Photodiodes הם חלק אינטגרלי הדופק oximeters, סורקים (CT) ו גלאי פלואורסנס.סיליקון פוטודיודות עם אזורים פעילים גדולים מספקים יעילות קוונטית גבוהה ב גלויה וקרובה. ב coherence tomography (OCT), תמונות מהירות גבוהה מאפשרות הדמיה בזמן אמת 3D. עבור ביונסים ב-vivosens,דיודיואידים נמוכים עם יציבות גבוהה נדרשים.

Spectroscopy ו ניטור סביבתי

מערך photodiode רב-ספקטרום משמש מנתחי גז, ספקטרום UV-הגלוי, ודמיית hyperspectral. Back-thinned CCDs ו CMOS תמונות הם למעשה מערך photodiode מותאם עבור אור נמוך וביצוע רעש גבוה. עבור זיהוי גז ספציפי (למשל, COFLT:02FLT:1 ב 2μm), הם מועסקים תמונות מורחבות.

אוטומציה תעשייתית ובטיחות

Photodiodes לשרת וילונות קלים, ממני חשמל לייזר, וחיישנים אופטיים סיבים עבור מיקום ומדידה. Red PIN photodiodes ארוז עם preamplifier הם נפוצים ביישומים אלה.

חידושים וכיוונים עתידיים

תחום טכנולוגיית photodiode ממשיך להתפתח במהירות.מגמות מפתח כוללות:

  • אינטגרציה:0Silicon Photonicsאינטגרציה:FIRLT:1 אינטגרציה מונוליטית של photodiodes הגרמני על גבי גל מונחי סיליקון הפכה לטכנולוגיה בוגרת, המאפשרת מקלטים במהירות גבוהה על פלטפורמת CMOS.זה מקטין את העלות ואת צריכת החשמל עבור חיבורים ממוקדים נתונים.
  • <חזק>Graphene ו 2D חומרי Photodetectors: Graphene photodiodes מציעים רוחב פס גבוה (exceeding 500 GHz) בשל ניידות גבוהה.עם זאת, ספיגה נמוכה שלהם (<2%) גבולות responsivity מבנים עם דואטים קוונטיים או אנטנה plasmonics נחקרים כדי לשפר את ספיגה.
  • (FLT:0Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs): SPears הטיה מעל מתח התמוטטות יכול לזהות photons בודדים, המאפשר הפצה קוונטית של מפתח (QKD), פלואוסטרציה ממושכת, וטווח ארוך LIDAR.
  • <חזק>APDs עם צמצום של noise: מערכות חומר חדשניות כגון InAlbAs / InGaAs נפרד ספיגה ורב-כפלה (SAM) APDs, כמו גם SiGe APDs, להשיג גורמי רעש עודף נמוך (k < 0.1) בהשוואה ל-InP APDs קונבנציונלי.
  • (FLT:0) גבוה כוח הידלינג: 1FLT) עבור יישומים אנלוגיים כמו רדיו-over-fiber ו CATV, photodiodes חייב להתמודד עם כוח אופטי גבוה (עשרות של mW) עם עיוות נמוך. עיצובים מתקדמים כוללים תמונות קצה-מחוסמות וגל מונחה photodiodes עם ניהול תרמי מותאם אישית.

חידושים אלה מעצבים את הדור הבא של מקלטים אופטיים, המאפשרים שיעורי נתונים מהירים יותר, רגישות גבוהה יותר ותחומים חדשים של יישומים.עבור סקירה מקיפה של מחקר פוטודקטור, ראה FLT:0 מאמר זה Optica על photodetectors עבור תקשורת אופטיתFLT:1.

מסקנה

Photodiodes נשאר בלב מקלטים אופטיים, המרת אותות אופטיים לתוך זרמים חשמליים עם יעילות גבוהה, מהירות, ורעש נמוך.הבחירה בין PIN, APD, ו MSM photodiodes תלוי בדרישות ספציפיות של אורכי גל, רוחב פס, רגישות, ועלויות.הבנת הפיזיקה הבסיסית - החל מתגובה ומעצבי יעילות קוונטית כדי להשיג מנגנונים רעש - חיוני לביצועים כגון מערכות מקלט גבוה יותר ויותר מהירויות כגון אינטגרציה של תמונות חזקות יותר ויותר , כמו מותאמות אישית , כמו החידושים של אינטגרטיביות החידושים החידושים ויזואליים , כמו , כמו החידושים החידושים החידושים החידושים החידושים החידושים החידושים של למערכות צילום מוצקות , כמו ויזואליים , , מנגנונים פוטו-ידי מנגנונים חזותיים , מנגנונים חזותיים מנגנונים חזותיים , , , מנגנונים חזותיים , , , , , , , מנגנונים חזותיים מנגנונים חזותיים , מנגנונים מתקדמים מנגנונים חזותיים , מנגנונים מתקדמים , , מנגנונים חזותיים , , מנגנונים חזותיים מנגנונים חזותיים מנגנונים חזותיים מהירויות מהירויות מנגנונים חזותיים , מהירויות