ऑप्टिकल रिसीवर में फोटोडायोड का परिचय

ऑप्टिकल संचार प्रणाली प्रकाश संकेतों को विद्युत धाराओं में परिवर्तित करने के लिए फोटो डिटेक्टरों पर निर्भर करती है। दो प्रमुख फोटो डिटेक्टर प्रकार पिन फोटोडायोड और एवलांचे फोटोडायोड (APDs) हैं। यह लेख विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त डिटेक्टर का चयन करने में मदद करने के लिए उनकी संरचनाओं, संचालन और प्रदर्शन की तुलना करता है। इन घटकों को समझना दूरसंचार, संवेदन और परे में कुशल ऑप्टिकल रिसीवर डिजाइन करने के लिए आवश्यक है।

पिन फोटोडायोड

संरचना और कार्य

पिन फोटोडायोड में एक स्तरित संरचना होती है जिसमें एक भारी डोप पी-प्रकार क्षेत्र होता है, एक आंतरिक (undoped) अर्धचालक परत और एक भारी डोप्ड एन-प्रकार क्षेत्र होता है। आंतरिक परत में कमी क्षेत्र को विस्तृत किया जाता है, जिससे कुशल फोटोन अवशोषण की अनुमति मिलती है। जब अर्धचालक बैंडगैप से अधिक ऊर्जा वाले फोटॉन इस परत में प्रवेश करते हैं, तो वे इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े उत्पन्न करते हैं। इन वाहकों को तब लागू रिवर्स पूर्वाग्रह के अलावा घुमाया जाता है, जिससे घटना ऑप्टिकल शक्ति के अनुपात में एक फोटोकैट उत्पन्न होता है। पिन डायोड कम पूर्वाग्रह वोल्टेज पर काम करते हैं, आम तौर पर 5 और 20 वोल्ट के बीच इलेक्ट्रॉन-गति लाभ प्रदान करते हैं, जिसका अर्थ है।

प्रमुख गुण

  • ]उच्च गति : बैंडविड्थ 40 गीगाहर्ट्ज से अधिक लघु वाहक transit समय के कारण आंतरिक क्षेत्र में।
  • कम शोर : कोई गुणन शोर; केवल शॉट और थर्मल शोर योगदान, उच्च संकेत-टू-शोर अनुपात सक्षम करने के लिए।
  • ]कम पूर्वाग्रह]: न्यूनतम वोल्टेज की आवश्यकता है, बिजली आपूर्ति डिजाइन को सरल बनाना और बिजली की खपत को कम करना।
  • सामग्री : दृश्य तरंग दैर्ध्य (400-1100 एनएम) और फाइबर ऑप्टिक्स में उपयोग किए जाने वाले निकट अवरक्त (900-1700 एनएम) के लिए इंडिअम गैलियम आर्सेनाइड (InGaAs)। अधिक जानकारी के लिए, PIN डायोड विकिपीडिया पेज देखें।

Alanche Photodiodes

संरचना और गुणन

एपीडी में पी-आई-एन संरचना भी होती है लेकिन इसमें एक उच्च क्षेत्र का क्षेत्र शामिल होता है जहां प्रभाव आयनीकरण फोटोक्रिकेट को बढ़ा देता है। जब एक फोटॉन एक प्राथमिक इलेक्ट्रॉन-होल जोड़ी उत्पन्न करता है, तो वाहक बिजली क्षेत्र में तेजी लाते हैं, अन्य परमाणुओं को आयनित करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं। यह माध्यमिक जोड़े बनाता है, जिससे हिमस्खलन गुणन प्रभाव होता है। लाभ कारक, आम तौर पर 10 से 1000 तक, लागू पूर्वाग्रह वोल्टेज और डिवाइस डिजाइन पर निर्भर करता है। एपीडी को उच्च पूर्वाग्रह वोल्टेज की आवश्यकता होती है, अक्सर 100 वोल्ट से अधिक होता है, और लाभ तापमान-संवेदनशील, मुआवजा सर्किट की आवश्यकता होती है। यह आंतरिक लाभ संवेदनशीलता को बढ़ाता है लेकिन बहुसंखलन प्रक्रिया से अतिरिक्त शोर पेश करता है।

शोर और लाभ व्यापार बंद

अतिरिक्त शोर कारक, k-value (ट्रांस और छेद के लिए आयनीकरण गुणांक के अनुपात) की विशेषता है, शोर प्रदर्शन को निर्धारित करता है। निचले k-values कम शोर में परिणाम, और InAlAs और SiGe जैसी सामग्री को इसको प्राप्त करने के लिए अनुकूलित किया गया है। शोर के बावजूद, APD कमजोर ऑप्टिकल संकेतों का पता लगा सकता है जो एक पिन फोटोडायोड में शोर से अविस्मरणीय होगा, जिससे उन्हें लंबे समय तक सुख और फोटोन-starved सिस्टम के लिए अपरिहार्य बना दिया गया। आगे पढ़ने के लिए, avalanche photodiode विकिपीडिया पेज ] को संदर्भित करें।

तुलनात्मक विश्लेषण: पिन बनाम एपीडी

संवेदनशीलता और उत्तरदायित्व

उत्तरदायित्व प्रति यूनिट घटना ऑप्टिकल शक्ति का मापता है। पिन डायोड के लिए, उत्तरदायित्व क्वांटम दक्षता से सीमित है, आम तौर पर 0.5 से 1.0 ए / डब्ल्यू के लिए InGaAs 1550 एनएम पर। एपीडी प्रभावी उत्तरदायित्व लाभ कारक द्वारा गुणा किया जाता है, संभवतः 100 ए / डब्ल्यू से अधिक संवेदनशीलता, न्यूनतम पता लगाने योग्य ऑप्टिकल शक्ति, लगभग 10 डीबी APDs के लिए बेहतर है। उदाहरण के लिए, एक 10 जीबीपीएस एपीडी रिसीवर -28 डीबीएम संवेदनशीलता प्राप्त कर सकता है, जिसकी तुलना एक पिन रिसीवर के लिए -18 डीबीएम की तुलना में। यह अंतर तंग लिंक बजट वाले सिस्टम के लिए महत्वपूर्ण है, जैसा कि [FLT] एनसाइक्लो

बैंडविड्थ और स्पीड

पिन फोटोडायोड आम तौर पर उच्च बैंडविड्थ प्रदान करते हैं क्योंकि वाहक पारगमन समय कम है और इसमें कोई गुणन देरी नहीं है। वाणिज्यिक पिन डिवाइस 40 गीगाहर्ट्ज से अधिक है, जो 100 जीबीपीएस तक डेटा दरों का समर्थन करता है और उससे आगे है। एपीडी में गुणन और लंबे वाहक पथ के लिए आवश्यक समय के कारण कम बैंडविड्थ होती है, आम तौर पर 1 से 10 गीगाहर्ट्ज़, हालांकि उन्नत डिजाइन 20 गीगाहर्ट्ज तक पहुंच सकते हैं। 40 जीबीपीएस से ऊपर उच्च गति वाले अनुप्रयोगों के लिए, पिन फोटोडायोड आमतौर पर पसंद किए जाते हैं।

शोर प्रदर्शन

पिन डायोड कम कुल शोर प्रदर्शित करते हैं क्योंकि उनके पास बहुरूपी शोर की कमी होती है। प्रमुख शोर स्रोतों में लोड प्रतिरोधी से फोटोक्रिकेट और थर्मल शोर से शॉट शोर शामिल है। एपीडी शोर सिग्नल के साथ बढ़ जाता है, और अतिरिक्त शोर कारक समग्र शोर को बढ़ाता है। सिग्नल-टू-शोर अनुपात (SNR) को उपयुक्त लाभ और पूर्वाग्रह वोल्टेज का चयन करके अनुकूलित किया जा सकता है। उच्च गति प्रणालियों के लिए, कम शोर ट्रांसिमेडेंस एम्पलीफायर (TIAs) APD शोर को कम करने में मदद करता है।

बायस वोल्टेज और जटिलता

पिन डायोड कम पूर्वाग्रह (5-20 वी) पर नागण्य बिजली की खपत के साथ संचालित होते हैं, जिससे बिजली आपूर्ति डिजाइन को सरल बनाया जा सकता है। एपीडी को उच्च पूर्वाग्रह (50-200 वी) की आवश्यकता होती है और अक्सर लाभ को स्थिर करने, जटिलता और लागत को जोड़ने के लिए तापमान मुआवजा होता है। अंतर्निहित नियामकों के साथ एकीकृत मॉड्यूल उपलब्ध हैं लेकिन समग्र प्रणाली के आकार और बिजली अपव्यय को बढ़ाते हैं। बैटरी संचालित या कॉम्पैक्ट उपकरणों के लिए, पिन फोटोडायोड फायदेमंद होते हैं।

ऑप्टिकल कम्युनिकेशन सिस्टम में अनुप्रयोग

पिन फोटोडायोड के साथ उच्च गति डेटा लिंक

पिन फोटोडायोड उदार लिंक बजट के साथ शॉर्ट-टू-मीडियम पहुंच लिंक के लिए मानक विकल्प हैं। उनका उपयोग 10 गीगाबिट ईथरनेट (10GBASE-SR / ER), 40 जीबीपीएस और 100 जीबीपीएस सिस्टम में समानांतर प्रकाशिकी या तरंगदैर्ध्य विभाजन बहुसंकेतक (WDM) को रोजगार देते हैं। मेट्रो और एक्सेस नेटवर्क में, टीआईए के साथ पिन रिसीवर लागत प्रभावी समाधान प्रदान करते हैं। उनकी रैखिकता और कम विरूपण उन्हें एनालॉग ऑप्टिकल लिंक के लिए उपयुक्त बनाती है, जैसे रेडियो-ओवर-फाइबर सिस्टम। इसके अतिरिक्त, पिन डायोड डेटा केंद्रों में उच्च गति वाले ऑप्टिकल इंटरकनेक्टों की सेवा करते हैं।

APDs के साथ लंबे समय तक दूरी और उच्च संवेदनशीलता प्रणाली

एपीडी लंबे समय तक संचार प्रणालियों में उत्कृष्टता प्राप्त करते हैं, जिनमें पनडुब्बी केबल और कोर नेटवर्क शामिल हैं, जहां ऑप्टिकल शक्ति गंभीर रूप से attenuated है। वे कमजोर प्रतिबिंबों का पता लगाने के लिए मुफ्त अंतरिक्ष ऑप्टिकल संचार (एफएसओसी) और एलआईडीएआर (लाइट डिटेक्शन और रेंजिंग) सिस्टम में भी उपयोग किए जाते हैं। ऑप्टिकल टाइम-डोमेन परावर्तनमापी (OTDRs) में, एपीडी लंबे फाइबर स्पैन पर बैक्सैटर्ड सिग्नल का पता लगाने में सक्षम होते हैं। फोटोन-काउंटिंग एपीडी, गिगर मोड में पूर्वाग्रह, क्वांटम कुंजी वितरण (QKD) और एकल-तृत्कालिक इमेजिंग में लागू होते हैं। एपीडी की उच्च संवेदनशीलता लंबे समय तक अनिर्धारित संचरण दूरी के लिए अनुमति देती है।

ऑप्टिकल रिसीवर डिजाइन के लिए चयन मानदंड

जब एक ऑप्टिकल रिसीवर को डिजाइन किया जाता है, तो इंजीनियर डेटा दर, लिंक बजट, शोर सहिष्णुता और लागत का मूल्यांकन करते हैं। पर्याप्त शक्ति मार्जिन के साथ उच्च गति वाले लिंक के लिए, पिन फोटोडायोड सादगी और कम लागत प्रदान करते हैं। कम गति के लिए, उच्च संवेदनशीलता अनुप्रयोगों के लिए, एपीडी आवश्यक लाभ प्रदान करते हैं। फॉरवर्ड त्रुटि सुधार (एफईसी) संवेदनशीलता आवश्यकताओं को आराम दे सकता है, संभावित रूप से पिन समाधानों का पक्ष ले सकता है। निष्क्रिय ऑप्टिकल नेटवर्क (पीओएन) के लिए फट-मोड रिसीवर में, एपीडी बड़ी गतिशील रेंज को समायोजित करता है। 800 जीबीपीएस ईथरनेट जैसे उभरते मानकों को उन्नत डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग (डीएसपी) के साथ पिन रिसीवर का उपयोग कर सकता है। पसंद को प्रदर्शन, जटिलता, और बजट को संतुलित करना चाहिए।

Photodetector प्रौद्योगिकी में भविष्य की दिशा

अनुसंधान दोनों पिन और एपीडी प्रदर्शन में सुधार जारी है। पिन डायोड के लिए, प्रयास ग्रेफाइटीन जैसी सामग्रियों का उपयोग करके बैंडविड्थ बढ़ाने पर ध्यान केंद्रित करते हैं और अंधेरे वर्तमान को कम करते हैं। एपीडी में, लक्ष्यों में अतिरिक्त शोर को कम करना शामिल है जबकि SiGe, InAlAs, और III-V यौगिकों जैसी सामग्रियों के माध्यम से उच्च लाभ बनाए रखना। सिलिकॉन फोटोनिक्स प्लेटफॉर्म पर CMOS इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ फोटोडेक्टरों का एकीकरण डेटा केंद्रों के लिए कॉम्पैक्ट, कम लागत वाले ट्रांसीवर का वादा करता है।

निष्कर्ष

पिन फोटोडायोड और हिमस्खलन फोटोडायोड ऑप्टिकल रिसीवर में मौलिक घटक हैं, प्रत्येक विशिष्ट लाभ प्रदान करते हैं। पिन डायोड उच्च गति, कम शोर और उच्च-डाटा दर, लघु-पहुंच अनुप्रयोगों के लिए सादगी प्रदान करते हैं। एपीडी लंबी दूरी और फोटोन-तारांकित प्रणालियों के लिए उच्च शोर और जटिलता की लागत पर बेहतर संवेदनशीलता प्रदान करते हैं। विकल्प डेटा दर, लिंक बजट और लागत जैसी विशिष्ट आवश्यकताओं पर निर्भर करता है। चूंकि प्रौद्योगिकी विकसित होती है, दोनों प्रकार ऑप्टिकल संचार क्षमता की सीमाओं को आगे बढ़ाते हैं।