Introduzione a Avalanche Photodiodes in Ricevitori ottici

I ricevitori ottici opzionali costituiscono la colonna portante dei moderni sistemi di comunicazione, convertendo i segnali luminosi modulati in correnti elettriche per l'elaborazione. Il fotodetector all'estremità anteriore di tale ricevitore determina la sensibilità generale, la larghezza di banda e le prestazioni del rumore del collegamento.

Come funziona la valanga Photodiodes

Il fotodiode di un valanga è essenzialmente un incrocio di P‐n a semiconduttore operato sotto un'alta tensione di polarizzazione inversa. I fotoni assorbiti nella regione di deplezione generano coppie di elettroni-buco. Sotto il forte campo elettrico, questi vettori primari guadagnano abbastanza energia cinetica per creare coppie elettroni-foro secondarie attraverso l'ionizzazione di impatto, un processo noto come moltiplicazione di vala.

Vantaggi chiave di APDs

Alta sensibilità e guadagno interno

Il meccanismo di guadagno integrato di un APD consente di rilevare i segnali ottici a livelli di potenza molto inferiori a quelli richiesti dalle fotodiodi PIN. Nei sistemi a fibra ottica a lunga distanza, dove l'attenuazione del segnale è elevata, questa sensibilità si traduce direttamente in intervalli di trasmissione più lunghi senza amplificazione ottica. Ad esempio, in 10 Gbps o 25 Gbps ricevitori a rilevamento diretto, APDs può migliorare la sensibilità del ricevitore di 10–15 dB rispetto al collegamento termico di ricezione di fibra di PIN

Per applicazioni di segnale debole come la distribuzione di chiavi quantiche o il conteggio di singolo-fotoni, APD specializzati operato in modalità Geiger (sopra la tensione di rottura) forniscono un guadagno valanga abbastanza grande da rilevare singoli fotoni. Questa capacità non è semplicemente possibile con fotodiodi PIN lineare-mode. Un eccellente riferimento sui principi fondamentali di APD nelle comunicazioni ottiche può essere trovato nelle proprietà

Tempo di risposta veloce per sistemi ad alta velocità

Nonostante la complessità del processo di valanga, gli APD possono raggiungere le larghezza di banda superiori a 10 GHz, rendendoli adatti per ricevitori ottici ad alto tasso di dati utilizzati nelle reti di metropolitana e di accesso. La velocità di risposta è determinata dal tempo di transito dei vettori attraverso la regione di deplezione e la costante di tempo del accumulatore di valanghe.

Rapporto di segnale migliorato

Il processo di valanga introduce un eccesso di rumore a causa della natura stocastica degli eventi di ionizzazione dell’impatto. Tuttavia, l’effetto netto sull’SNR dipende dalle magnitudine relative del segnale ottico, dal rumore dell’amplificatore e dal fattore di rumore in eccesso dell’APD. In molti ricevitori pratici, soprattutto quelli che operano a bassa potenza ottica, il guadagno dell’APD aumenta il segnale sopra il pavimento di rumore preamplificatore, il risultato di una riduzione generale

Risposta spettrale ampia

I sistemi di comunicazione a distanza di 15 DWM (in inglese) possono essere fabbricati da una varietà di materiali semiconduttori, tra cui silicio (Si), germanio (Ge), e arsenide di gallio indio (InGaAs).

Sfide nell'attuazione della APD

Requisiti di tensione di esercizio elevati

Gli APD richiedono tensioni di tipo bias tipicamente nell'intervallo 50-400 V, a seconda della struttura del materiale e del dispositivo. Questo è sostanzialmente superiore a 5-12 V utilizzato per i fotodiodi PIN. La fornitura di tali alte tensioni in moduli compatti e a bassa potenza può essere difficile, soprattutto in dispositivi a batteria come LIDAR portatili o strumenti palmari.

Rumore di Eccessiva da Avalanche Multiplica

La natura stocastica dell’ionizzazione d’impatto crea un eccesso di rumore oltre il rumore della fotocorrente primaria. Questo è quantificati dal fattore di rumore in eccesso F(M), che per Aanche di silicio è relativamente basso (F ≈ 2-4 a guadagni di 100) a causa del rapporto di ionizzazione favorevole degli elettroni su buchi.

Sensibilità della temperatura e stabilità

I coefficienti di ionizzazione e la tensione di rottura di un APD sono fortemente dipendenti dalla temperatura. In genere, la tensione di rottura aumenta con la temperatura di circa 0,1-1 V/°C per i dispositivi silicio e di 2-4 V/°C per i dispositivi InGaAs. Se la tensione di bitensione rimane costante, un aumento della temperatura ridurrà il guadagno e aumenterà il bias necessario per mantenere le prestazioni.

Una discussione dettagliata degli effetti della temperatura sulle fotodiodi delle valanghe, comprese le tecniche di compensazione, è fornita nelle note tecniche di Hamamamatsu sugli APDs[, che delineano metodi pratici per stabilizzare il guadagno negli estremi ambientali.

Complessità e Costo di fabbricazione

La riduzione dei costi di APD richiede una crescita epitassiale avanzata, profili di doping precisi e un controllo attento dello spessore e del livello di doping della regione di moltiplicazione. Le strutture di assorbimento, carica e moltiplicazione (SACM) usate in InGaAs APD comportano più passi epitassiali e la litografia complessa.

APD comparabili con i fotodiodi PIN

Il PINP fotodiodes rimane il più comune fotodetector in collegamenti ottici a corto raggio a causa della loro semplicità, funzionamento a bassa tensione e basso costo. Tuttavia, non forniscono guadagno interno, così l'intero carico di amplificazione del segnale cade sull'amplificatore di transimpedenza (TIA).

In termini di linearità e gamma dinamica, i PIN hanno spesso un leggero vantaggio perché non hanno il processo di moltiplicazione non lineare. I DOCUP possono saturare a potenze ottiche inferiori, soprattutto ad alti guadagni. Tuttavia, per i formati di modulazione digitale in cui la soglia di decisione è binaria, questa non linearità è solitamente gestibile. Per i collegamenti ottici analogici (ad esempio, distribuzione televisiva via cavo), APDs può ancora essere utilizzato ma il guadagno deve mantenere basso costo lineare.

Applicazioni di Avalanche Photodiodes

Comunicazioni fibre ottiche

In 10 Gbps e 25 Gbps sistemi, i ricevitori basati su APD consentono di raggiungere i collegamenti di 80 km o più senza la compensazione di dispersione o l'amplificazione ottica, riducendo significativamente i costi di sistema.

Sistemi di LIDAR

LIDPDAR (Light Detection and Ranging) si basa sulla misurazione precisa del tempo di volo degli impulsi laser. I moduli APD sono utilizzati in entrambe le modalità lineari per applicazioni a bassa portata, ad alta dinamica (ad esempio, mappatura topgrafica) e in modalità Geiger per la sensibilità a singolo raggio o rubata LIDAR.

Ottiche quantiche e rilevamento singolo-fotografico

I rilevatori di G-APD (G‐APD) possono ottenere prestazioni di rilevamento molto elevate (fino al 90% per i dispositivi di silicio a lunghezze d'onda visibili) con un funzionamento a bassa tempistica.

Imaging medico e spettroscopia

Gli APD silicon sono utilizzati negli scanner di tomografia a emissione di positrone (PET) come fotodetectori accoppiati a scintillatori, dove il loro guadagno interno consente il rilevamento di raggi gamma a bassa energia.

Considerazioni di progettazione per ricevitori basati su APD

L'integrazione di un APD in un ricevitore richiede un'attenta attenzione a diversi aspetti del design. L'alimentazione di bias deve fornire una tensione stabile e a basso rumore che può essere regolata per la compensazione della temperatura e dell'invecchiamento. Molti progettisti utilizzano un convertitore DC-DC seguito da un regolatore a bassa velocità di rilascio per produrre l'alta tensione da una guida di sistema inferiore. La tensione di polarizzazione dovrebbe essere programmabile tramite un'interfaccia SPI o I2C per consentire il controllo di guadagno software basato su un feedback di controllo del guadagno.

L’APD dovrebbe essere strettamente associato alla TIA per ridurre al minimo la capacità parassita, che altrimenti riduce la larghezza di banda e aumenta il rumore. Spesso l’APD e il TIA sono integrati in un unico pacchetto di ricevitori. Lo scudo e il filtraggio della linea di bias sono necessari per evitare che l’emissione di corrente non modula il guadagno.

Per l'operazione Geiger-mode, è necessario un circuito di quenching per fermare la corrente di valanga una volta che un fotone viene rilevato e poi ricaricare l'APD per il prossimo evento. Passive quenching utilizza una grande resistenza, mentre il quenching attivo impiega l'elettronica veloce per ripristinare la tensione di polarizzazione rapidamente, consentendo tassi di conteggio più elevati. La scelta di interrogazione dipende dal tempo morto richiesto e dalla probabilità di postpulsione.

Recenti Avanzamenti e future direzioni

Nel settore dello spazio fibra ottica, sono stati dimostrati dei fotodiodi di valanga con larghezza di banda superiore a 50 GHz utilizzando strutture a strati avanzate e disegni a cascata che aumentano anche la reattività. L'uso di materiali come GeSn on Si offre la possibilità di estendere i DOCA a base di silicio a metà infrarosso, che potrebbero aprire nuove applicazioni in spettroscopia e sensibilizzazione.

I SiPM digitali (arrays di Geiger‐mode APDs con lettura integrata) stanno emergendo come potenti dispositivi di imaging che combinano sensibilità a singolo-foton con funzionalità risolte nel tempo. Sono già utilizzati in PET a luce di luce e vengono studiati per l'imaging LIDAR e 3D. L'integrazione di APD con elettronica CMOS in piattaforme monolitiche o ibride riduce i costi e consente l'elaborazione di segnali complessi su-chip.

InGaAs APDs con uno strato di moltiplicazione InAlAs mostrano una migliore performance del rumore rispetto ai vecchi disegni basati su InP, e i "reach-through" Silicio APD continuano ad offrire un basso rumore in eccesso per lunghezze d'onda visibili.

Conclusioni

I fotodiodi di Avalanche offrono una combinazione unica di guadagno interno, velocità e versatilità d'onda che li rende indispensabili in molti ricevitori ottici. La loro elevata sensibilità consente una maggiore distanza di trasmissione in sistemi a fibra ottica, una migliore gamma in LIDAR, e un rilevamento a singolo profilo nelle tecnologie quantistiche. Tuttavia, questi vantaggi sono a costo di una maggiore tensione di polarizzazione, sensibilità della temperatura, eccesso di rumore e complessità di produzione.