Introduzione

I moderni sistemi di comunicazione ottica richiedono i ricevitori che possono recuperare con precisione i segnali da impulsi ottici estremamente deboli. Al centro di molti ricevitori ad alta sensibilità si trova il photodiode valanga (APD), un fotodetector semiconduttore che sfrutta il guadagno interno per amplificare la foto corrente prima di incontrare l'elettronica esterna. Questo meccanismo di amplificazione interna consente ai ricevitori basati su APD di raggiungere livelli di potenza minimi rilevabili significativamente inferiori rispetto ai livelli di distanza standard p-i-i-

Principio operativo delle fotodiodi di Avalanche

Fotodetezione e generazione di vettori

Come qualsiasi fotodiode, un APD converte i fotoni incidenti in coppie di elettroni attraverso l'effetto fotoelettrico in una regione di assorbimento dei semiconduttori. Quando un fotone con energia maggiore del bandgap viene assorbito, eccita un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione, lasciando dietro un buco. Questi vettori primari poi si allontanano sotto l'influenza di un campo elettrico applicato verso i contatti del dispositivo, generando una di corrente di fotocom

Il processo di moltiplicazione delle valanghe

La caratteristica di definizione di un APD è che funziona con una tensione di polarizzazione inversa molto più alta, creando un campo elettrico superiore a 105 V/cm in una regione di moltiplicazione appositamente progettata. In tali campi, gli elettroni primari (o fori) guadagnano abbastanza energia cinetica tra collisioni con il reticolo di cristallo per ionizzare gli elettroni legati, generando coppie di tensione elettroni secondari.

Parametri chiave: guadagno, tensione di rottura e rumore di eccesso

Il guadagno medio di moltiplicazione M] è una funzione del profilo del campo elettrico e dei coefficienti di ionizzazione di elettroni e fori nel materiale di semiconduttore.

Materiali e intervalli di lunghezza d'onda APD

APDs di Silicio

Silicon APDs è ottimizzato per lo spettro visibile e quasi infrarosso (400–1100 nm). Silicon offre un rapporto altamente asimmetrico tra i coefficienti di ionizzazione elettroni e fori, che si traduce in un basso fattore di rumore in eccesso. Questi dispositivi possono ottenere prodotti di larghezza di banda di guadagno superiore a 100 GHz e sono ampiamente utilizzati in interconnessi ottici a breve raggio, rivelatori laser e immagini a basso livello di luce.

APDs

Per le lunghezze d'onda delle telecomunicazioni (1310 nm e 1550 nm), l'arsenide del gallio indio (InGaAs) è il materiale di scelta. InGaAs APDs sono progettati con una struttura separata di assorbimento e moltiplicazione (SAM) per evitare correnti di tunneling dannose.

Altri materiali

I sistemi di rilevamento di 1,3 μm sono stati soppiantati da InGaAs per una minore corrente scura. Per le lunghezze d'onda più lunghe (2-5 μm), i cosiddetti "memolo" (MCT) APDs sono stati sviluppati per le comunicazioni ottiche libere e per l'assorbimento di infrarossi LIDAR.

APD vs. PIN Photodiode: un confronto di sensibilità

[L'aumento di rumore di TLT-L'aumento di rumore di TLT-L'aumento di rumore di più (l'aumento di rumore di TLT-L'aumento di rumore di più) [L'aumento di rumore di più alto di TLT-F] [[6] è il miglioramento di un PIN [6] [il miglioramento di più] [il guadagno di rumore di TLT-LT] è estremamente costante [F

Rumore in Avalanche Photodiodes

Rumore e Corrente Oscura

In un APD il rumore del colpo viene moltiplicato insieme al segnale. Inoltre, la corrente oscura - corrente corrente che scorre in assenza di luce - si sposta da vettori termogenerati e tunneling. La corrente scura è amplificata anche dal guadagno della valanga, peggiorando la SNR a livelli di luce bassi.

Fattore di rumore di eccesso

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Ottimizzazione del rapporto segnale-rumore

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Architetture APD avanzate

Assorbimento e moltiplicazione separate (SAM) APDs

Nei primi APD, l'assorbimento e la moltiplicazione si sono verificati nella stessa regione, portando ad alte prestazioni di rumore di corrente scura e scarsa nei sistemi materiali in cui un tipo di vettore non domina l'ionizzazione. La struttura SAM colloca uno strato di assorbimento a banda stretta adiacente ad uno strato di moltiplicazione a banda larga, con un profilo di campo elettrico di grado o passo.

APDs di Cavity

Per migliorare l'efficienza quantistica in strati di assorbimento sottile, la cavità risonante APDs (RC-APDs) incorpora il fotodiode all'interno di una cavità Fabry-Pérot. La cavità risuona alla lunghezza d'onda desiderata, permettendo allo strato assorbente di essere sottile come 100 nm, mentre ancora assorbendo quasi tutti i candidati di fotoni incidenti.

APDs Geiger-mode

Quando si polarizza sopra la tensione di rottura, un APD opera in modalità Geiger: un singolo fotone innesca una valanga autosufficiente che deve essere attivamente quenched.Questi diodi di valanga monofoto (SPAD) mostrano un guadagno di 106-107, consentendo il rilevamento di singoli fotoni morti.

Applicazioni chiave di Avalanche Photodiodes

Comunicazione ottica a fibre lunghe

In sistemi di multiplexing (DWDM) di divisione densa di lunghezza d'onda che spaziano migliaia di chilometri, l'attenuazione del segnale emette l'alimentazione ottica a nanowatt o meno. I ricevitori basati su APD forniscono la sensibilità necessaria per mantenere i tassi di errore di bit inferiori a 10−12 senza ricorrere a preamplificazione ottica.

LIDAR e 3D Sensing

I sistemi LIDAR automobilistici richiedono di rilevare riflessioni da oggetti distanti a basse potenze ottiche per consentire la guida autonoma. I sistemi APD Silicon sono ampiamente utilizzati nel tempo di volo LIDAR, mentre i APD InGaAs sono schierati nella scansione LIDAR per il rilevamento di lunga durata (200+ metri). L'elevato guadagno interno di APD consente il funzionamento con laser a basso consumo di potenza, riducendo le preoccupazioni di sicurezza degli occhi analogici.

Cripografia quantistica e rilevamento singolo foto

La distribuzione di chiavi di quantismo si basa sulla trasmissione di singoli fotoni su fibra ottica per stabilire una chiave crittografica sicura. I APD che operano in modalità Geiger sono i rivelatori più pratici per QKD a lunghezze d'onda di telecomunicazioni. Nonostante la necessità di raffreddamento e di interrogazione circuito di silicio, InGaAs SPAD raggiunge le efficienze di rilevamento di oltre il 25% con i tassi di conteggio scuro inferiori a 1 kHz a 225 K.

Imaging medico e biofotonica

In foton-counting CT scanner e positron emissione tomografia (PET), APD array accoppiati a scintillators permettono informazioni tempo-di volo (TOF) che migliorano la ricostruzione dell'immagine.

Conclusioni

I fotodiodi di Avalanche rimangono una tecnologia di base per migliorare la sensibilità del ricevitore ottico attraverso una vasta gamma di applicazioni. Fornendo un guadagno interno controllabile attraverso il processo di moltiplicazione delle valanghe, consentono il rilevamento di segnali leggeri che altrimenti sarebbero persi nel rumore elettronico.

Per ulteriori informazioni, vedere Le note tecniche di APD di Thorlabs] e Le informazioni di prodotto di APD di Hamaanchetsu[[]]]. Un confronto completo dei ricevitori PIN e APD è disponibile in ]