光受信機におけるフォトダイオードの紹介

光通信システムは光信号を電流に変換するために光検出器に依存しています。 2つの優位フォトデテクタータイプは、PINフォトダイオードとアバランチフォトダイオード(APD)です。 この記事では、構造、操作、および性能を比較して、さまざまなアプリケーションに適した検出器を選択するのに役立ちます。 これらのコンポーネントを理解することは、通信、センシング、およびそれを超える光学受信機の設計に不可欠です。

PINフォトダイオード

構造と作業

PINフォトダイオードは、重くドープされたp型領域、無形(無形)半導体層、および重くドープされたn型領域で構成された層構造を持っています。 侵入層は、枯渇領域を広くし、効率的な光子吸収を可能にします。 半導体バンドギャップよりもエネルギーを持つ光子がこの層に入ると、電子ホールペアが生成されます。 これらのキャリアは、適用された逆バイアスによって分離され、過電流偏差が生じる、各々の電圧と光子の差が変化する、各々の電圧が変化する、高電圧と低速の対を発揮します。

主要プロパティ

  • 高速]: 陰部の短いキャリアの運輸時間による40 GHzを超える帯域幅。
  • 低ノイズ:乗算ノイズなし、ショットと熱ノイズのみが、高信号対ノイズ比を可能にしました。
  • []低バイアス[]:電力供給の設計を簡素化し、電力消費を削減する、最小限の電圧が必要です。
  • [Materials]]:可視波長(400-1100 nm)および光ファイバで使用される近赤外線(900-1700 nm)のためのインジウムのアルセニド(InGaAs)のためのシリコン。 詳細については、 [PIN ダイオード Wikipedia ページを参照してください。

アバランチェフォトダイオード

構造と多様化

APDはまた、p-i-n構造を備えていますが、衝撃イオン化が光電流を増幅する高フィールド領域を含みます。 フォトンがプライマリ電子ホールペアを生成すると、キャリアは、電気分野で加速し、他の原子をイオン化するのに十分なエネルギーを増加させます。 これは二次ペアを作成し、アバランシュ複合効果をもたらします。 一般的に10から1000までの範囲のゲイン因子は、適用されるバイアス電圧とデバイス設計によって異なります。 APDは、電圧が上昇し、過敏症度に増加することが多いです。 過敏速な温度が増加します。

騒音および利益のトレードオフ

ノイズ性能を判断するk値(電子と穴のイオン化係数のratio)によって特徴付けられている過剰なノイズ係数は、ノイズ性能を決定します。 ノイズが低いk値が少ないと、InAlAsやSiGeなどの材料は、これを達成するために最適化されます。 ノイズにもかかわらず、APDは、PINフォトダイオードのノイズから不利になる弱い光信号を検出することができ、長時間ホールやフォトンスタードシステムに不可欠です。 続きを読みます>>Fold[Flande]を参照してください。 [Folde]

比較分析:PIN対APD

感度と応答性

応答性は、ユニットインシデント光出力あたり光電流を測定します。 PINダイオードでは、応答性は量子効率によって制限され、通常は0.5〜1.0 A / Wは1550nmでInGaAsのために。 APDの効果的な応答は、ゲイン係数によって多岐に渡り、100 A / Wを超える可能性があります。 感度、最小検出可能な光電力は、APDの約10dB優れています。 例えば、10 Gbps APD受信機は、光度計1〜28dB未満の光度を補正することができます。 [F] PIN = は、光度比例比: [F]

帯域幅と速度

PINフォトダイオードは、キャリアの通過時間が短く、乗算遅延がないため、一般的に高い帯域幅を提供します。 商用PINデバイスは40GHzを超える、100Gbps以上のデータ転送をサポートしています。 APDは、乗算と長いキャリアパスに必要な時間のために帯域幅が低いため、高度な設計は20GHzに達することができますが、通常1〜10GHzの低くなります。 40Gbpsを超える高速アプリケーションでは、PINフォトダイオードは通常好まれています。

騒音性能

PINダイオードは、乗算ノイズが不足しているため、総騒音を低減します。 ドミナントノイズ源には、負荷抵抗器からフォトカレントと熱ノイズからショットノイズが含まれている。 APDノイズは、信号とともに増幅され、過剰なノイズ要因は、全体的なノイズが増加します。 信号対ノイズ比(SNR)は、適切なゲインとバイアス電圧を選択することで最適化することができます。 高速システムの場合、低騒音トランペディショナーアンプ(TIAs)は、APDノイズを軽減するのに役立ちます。

バイアス電圧と複雑性

PIN のダイオードは低バイアスで(5-20 V)、negligible の電力消費と作動します、電源の設計を簡素化します。 APD は高いバイアス (50-200 V) を要求し、増加する増加する増加する増加する増加する増加する増加の利益を安定させるための頻繁に温度補償。 組み込みの調整装置が付いている統合されたモジュールは利用できますが、全体的なシステム サイズおよび電力の放散を高めます。 電池式か密集した装置のために、PIN のフォトダイオードは有利です。

光学通信システムの適用

PINフォトダイオードによる高速データリンク

PINフォトダイオードは、短期から中距離まで、幅広いリンク予算でリンクをアクセスするための標準的な選択です。10ギガビットイーサネット(10GBASE-SR/LR/ER)、40 Gbps、100 Gbpsシステムで、並列光学または波長分岐(WDM)を採用しています。メトロおよびアクセスネットワークでは、TIAsのPIN受信機は費用効果の高いソリューションを提供しています。それらのリニアリティと低歪みは、アナログ光リンク、さらには、光ファイバーシステムなどのアナログ光ファイバに適しています。さらに、高速度センサーは、高速度システムなどの無線信号を介入する。

長距離・高感度システム(APD)

APDは、光電力が厳しく減少するサブマリンケーブルやコアネットワークを含む長距離通信システムでExcelを出力します。また、フリースペース光通信(FSOC)およびLIDAR(光検出とランギング)システムで、弱い反射を検出します。光学タイムドメイン反射計(OTDR)では、APDは長繊維スパン上のバック散乱信号検出を可能にします。フォトンカウントAPDは、偏光度測定値(Geq)およびGeqd(Geq)を伝送可能とし、Geqd(Geq)は、Geq(Geq)を伝送する機能)を伝送可能にします。

光学レシーバ設計の選定基準

光予算の受信機を設計するとき、エンジニアはデータ転送速度、リンク予算、騒音許容量および費用を評価します。 適切な電力マージンと高速リンクのために、PINフォトダイオードはシンプルさと低コストを提供します。 低速、高感度アプリケーションの場合、APDは必要な利益を提供します。 転送エラー(FEC)は、感度要件を緩和することができ、潜在的にPINソリューションを優先します。 受動光ネットワーク(PON)用のバーストモード受信機では、APDは、デジタルトランスフォーメーション(EPD)を最大800Gbpsにすることができます。 ダイナミックなパフォーマンスは、デジタルトランスフォーマー(EPS)のパフォーマンスを要求する)、およびマルチポート(EPS)、またはマルチポート)、またはマルチポート)、マルチポート、マルチポート、マルチポート、マルチポート、マルチポート、マルチポート、マルチポート、マルチポート、マルチポート、マルチポート、マルチ、マルチポート、マルチ、マルチ、マルチ、マルチポート、マルチ、マルチポート、マルチポート、マルチポート、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、マルチ、

次世代フォトデテクター技術

研究は、PINとAPDの両方の性能を向上させるために継続します。 PINダイオードでは、黒鉛などの材料を使用して帯域幅を増加させ、ダーク電流を削減する努力に焦点を当てています。 APDでは、SiGe、InAlAs、およびIII-V化合物などの材料を高利得を維持しながら、過剰ノイズを下げるという目標があります。 分離吸収、グラデーション、チャージ、および乗算(SAGCM)構造は、パフォーマンスを向上させます。 シングルフォトンアバランチェダイオード(SPAD)は、電子回路図とフォトニクスの通信速度を向上する電子回路の低速伝送のために、フォトグラフィックスの最適化します。

コンテンツ

PINフォトダイオードとアバネルシュフォトダイオードは、それぞれ異なる利点を提供する光学受信機の基本的なコンポーネントです。PINダイオードは、高速、低ノイズ、およびデータレート、短距離アプリケーションのためのシンプルさを提供します。APDは、高ノイズと長距離およびフォトンスタードシステムのための複雑性のコストで優れた感度を提供します。選択は、データレート、リンク予算、およびコストなどの特定の要件に依存します。テクノロジーが進化するにつれて、両方の光学式は、コミュニケーション能力の境界線を継続します。