Fundamentals of Photodiode Prestasi dalam Penerima Optik Berspektasi Tinggi

Sistem komunikasi optik kecepatan tinggi milik KAIT mengandalkan fotodiodes untuk mengubah sinyal cahaya menjadi arus listrik. Bahan yang digunakan dalam fotodiode menentukan metrik kinerja kunci: responsivity (A/W), bandwidth (GHz), florent gelap (noise), dan jangkauan panjang gelombang operasi. Untuk penerima yang beroperasi pada 25 GHz dan di atas, semikonduktor harus menampilkan baik mobilitas pembawa tinggi dan koefisien penyerapan yang kuat pada panjang gelombang target. Analisis ini membandingkan material fotodiode dominan ⁇ silicon, germanium, in galledium arsenide (Inium arsenide), dan alternatif yang muncul ⁇ fokus pada setelan optik modern untuk koneksi, serat optik, dan optikal, dan optik bebas.

Material Fotodiode Inti Core

Silikon Fotodiodes

Silikon (Si) fotodiodes mendominasi aplikasi dalam jangkauan mendekati inframerah (400 ⁇ 00 nm). Penggunaan mereka yang meluas berasal dari proses fabrikasi CMOS yang matang, biaya rendah, dan arus gelap yang sangat rendah (tipikal picoamps). Namun, bandgap tidak langsung silikon (1.12 eV) menghasilkan penyerapan lemah melebihi 900 nm, dan mobilitas carrier (diperkiraan 1500 cm2/V·s untuk elektron) membatasi bandwidthnya ke sekitar 1 ⁇ GHz untuk struktur p-i-n standar. Advanced silikon-on-inator (ISO) dan desain carrier dapat mendorong GHz, tetapi tetap untuk O-band optikal dan serat optikal (150) dan sensor optikal optical) untuk mesin optikal dan sensor optikal (150) dan optical optical optical optical fiber dan optical optical optical optical optical optical optical systems dan sensor dan optical optical optical optical optical optical optical optical optical systems dan optical optical systems

Fotodisodes Germanium

Germanium (Ge) menawarkan bandgap tidak langsung yang lebih sempit (0.67 eV) yang memperpanjang penyerapan hingga 1600 nm, meliputi seluruh O- dan C-band yang digunakan di telekomunikasi. Ge fotodiodes dapat diintegrasikan secara monolitik pada silikon melalui pertumbuhan epitaxial, memungkinkan penerima fotonik silikon. Responstivitas tipikal mencapai 0,5 ⁇ 0.7 A/W pada 1550 nm, dengan bandwidth 10 ⁇ 50 GHz tergantung pada geometri. Gambar balik primer Jermanium adalah arus gelap yang lebih tinggi (mikroamps untuk miliamps) karena bandnya lebih kecil dan mobilitasnya (sekitar 3900 ⁇ 0 ⁇ 0 cm untuk bahan perbandingan dengan teliti. Foto-Vasi-foto yang melintas masih lebih tinggi dari gambar GV-kode) tetapi mereka menghasilkan lebih banyak celah untuk foto. Mereka juga membutuhkan dukungan untuk mengintegrasikan GRVVVVVVV.

Biodata Fotodiodes (Inggris) Biodata Biofidium Gallium Arsenida (Inggris) Biodata Gallium

InGaAs, biasanya lattice-matched to InP dengan komposisi In0.53Ga0.47As, adalah kuda kerja untuk penerima optik berkecepatan tinggi. Ia memiliki bandgap langsung (0.75 eV) menghasilkan koefisien penyerapan tinggi (104 ⁇ 5 cm ⁇ 1) melintasi 900 ⁇ 00 nm. Reponsivity melebihi 0,9 A/W pada 1550 nm, dan mobilitas elektron melebihi 10.000 cm2/V·s, memungkinkan bandwidth melampaui 100 ⁇ 0 cm ⁇ 00 m. Resulitas di travel-gorited.Gas di foto yang juga rendah (naamp) ketika melewati tantangan materi yang benar-benar tinggi, kompleksitas utama (Dalam GHz di GHz di travel-wave-goiderated dan desain berteknologi panjang GG.Astublisoning, dan mesin foto GAs designalisasi di GARGAD juga di bawah tanah (tidak dapat digunakan) dan mesin CARGHGAD) dan mesin CARGARGARGARGARGARGAR, dan CARGARGGGARGARGARGARGARGARGAR, dan CARGAR

Arsenida Gallium (GaAs) dan Kompound III-V Lainnya

GaAs fotodiodes (bandgap 1.42 eV) beroperasi dari 600 ⁇ 900 nm dan dioptimalkan untuk 850 nm multimode fiber (berdasarkan VCSEL) dalam pusat data. Mereka menawarkan bandwidth tinggi (25 ⁇ 50 GHz) dan kebisingan rendah, tetapi tidak dapat mendeteksi 1310/1550 nm panjang gelombang. Untuk aplikasi terspesialisasi, bahan seperti indium phosphide (InP) dan indium gallinida arsenida phosphide (InGASP) menyediakan bandgaps penjahit. Indiode fotodetodes dejrator dejrasi 160 GHz dan koherent sistem yang lebih canggih. Namun, bahan-bahan ini tetap mahal dan berkumandium atau kumansigen.

Perbandingan Kinerja Kinerja di Seberang Metrik Kunci

  • [[EfLT:0]]Responstivitas pada 1550 nm: InGaAs (0.9 A/W) > Ge (0.5 A/W) > Si (tidak memenuhi syarat)
  • [[NOLGALT:0]]Bandwidth (p-i-n struktur):[ InGaAs (60 ⁇ 100 GHz) > Ge (20 ⁇ 50 GHz) > Si (1 ⁇ GHz)
  • Ketumpatan Arus Gelap: Si (10 pA/cm2) < InGaAs (100 nA/cm2) < Ge (1 μA/cm2)
  • ♪Cost per die: ♪ continuon> Si < < Ge < InGaAs
  • [[COLT:0]]Integrasi dengan CMOS: Si (natif) > Ge (epitaxial) > InGaAs (hibrid bonding)

Perniagaan-off ini menjelaskan mengapa silikon mendominasi sensor kecepatan rendah, germanium mengisi celah untuk fotonik silikon, dan InGaAs tetap menjadi pilihan untuk kinerja tertinggi. Tidak ada material tunggal memuaskan semua persyaratan penerima optik berkecepatan tinggi; arsitek sistem harus memprioritaskan baik biaya, daya, atau bandwidth.

Perdagangan-off dalam Pemilihan Material

Keperluan Khusus Wavelength-Panjang Gelombang

Jaringan panjang (C- dan L-bands) menuntut penyerapan melebihi 1500 nm, menghilangkan silikon. Untuk komunikasi optik ruang-bebas (FSO) pada 1550 nm, InGaAs diperlukan untuk mencapai tingkat daya aman mata dengan kepekaan tinggi. Datacom link menggunakan 850 nm VCSELs manfaat dari GaAs atau bahkan Si (untuk gunanya BARIA10 Gbps). Memindahkan link PAM4 jarak pendek pada 1060 nm mungkin menanjurkan strainasi Ge atau Detektor InGaAs. Materi juga harus menyerap dalam rentang spektral sempit untuk mengurangi emisi spontan.

Penyepaduan dan Pemetaan

Kesepaduan Hibrid ⁇ di mana InGaAs fotodiodes terikat pada sirkuit fotonik silikon ⁇ tambahan biaya tetapi menjaga kinerja. Monolitik germanium-on-silicon menarik untuk produksi volume tetapi menderita penambahan arus gelap karena ketidakcocokan latit. Peneliti terus mengembangkan lapisan penyangga dinilai dan struktur sumur kuantum untuk meminimalkan cacat. Untuk penerima kecepatan ultra-tinggi (>100 Gbaud), kapaintan fotodiode dan ketahanan kontak mendominasi kecepatan; seperti bahan InGaAs dengan kontak resistivitas yang lebih rendah sangat penting.

Bahan dan Teknologi yang Menanam osis

Fotodetektor Grafene

Mobilitas pembawa ultratinggi milik Ponjaga milik pihake Graphigene (200.000 cm2/V·s) dan penyerapan jalur lebar (UV to far-IR) menjanjikan bandwidth melebihi 500 GHz. Namun, penyerapan rendah grafene (2,3% per lapisan) membatasi tanggung jawab terhadap puluhan mA/W kecuali jika dikombinasikan dengan plasmonik peningkatan atau panduan gelombang. Demonstrasi terbaru menunjukkan 50 GHz bandwidth dengan 0.5 A/W responsivity dengan integrating grafene dengan silison photonic waveguides. Tantangan termasuk kecacatan arus gelap tinggi, kepeksi, dan kekurangan band untuk operasi low-gapno. Grafene mungkin menggunakan ultrafast detektor untuk penyambungan optik, tetapi vivasionalitas tetap berlangsung selama bertahun-tahun.

Dichalkogenida Logam Transisi Transisi Transisi Transisi Translat (TMDs)

Kemuaaaaa MoS2, dan TMD lainnya menawarkan bandgap langsung dalam kasatmata ke dekat-IR dengan interaksi cahaya-material yang kuat. Monolayer TMD photodiodes exhibitive up to 1 A/W dan arus gelap rendah, tetapi bandwidth dibatasi oleh rekombinasi pembawa lambat (mikrodetik). Heterostructures (mis., grafene-TMD) bertujuan untuk menggabungkan kecepatan tinggi dengan sensitivitas, tetapi perangkat saat ini lag belakang InGaAs.

Fotodiodes Avalanche (APD)

AfDs menggunakan ionisasi dampak untuk mencapai keuntungan internal, meningkatkan kepekaan untuk penerima. Pilihan material untuk AfD sangat kritis: silikon AfD (visible) memiliki eksak hingar (k factor ~0.02), sementara InGaAs AfD (infrared) menderita kebisingan yang lebih tinggi (k ~0.3-0). Germanium AfD jarang digunakan karena kebisingan yang berlebihan. Kemajuan terbaru dalam penyerapan terpisah, grading, muatan, dan pendaraban (SAGCM) struktur dengan lapisan perkalian InAlAs mengurangi kebisingan dalam GPDs, mengaktifkan 25 Gbps dengan sensitivitas di bawah -B. Untuk gelombang yang lebih panjang (kedua) dan μmium (berhentikan) untuk penciuman molekulerbitan dan APDS (berhentikan) dan APDTPDS (berhentikan)

Kekecualian Kesimpulan

Pilihan material fotodiode secara fundamental membatasi kecepatan, sensitivitas, dan biaya penerima optik berkecepatan tinggi. Silikon tetap menjadi solusi paling efektif biaya untuk aplikasi yang terlihat dan nyaris inframerah dengan bandwidth sedang (<10 GHz). Germanium provides a viable path for monolithic silicon photonics in the O- and C-bands, albeit with higher dark current. InGaAs sets the benchmark for high-speed telecom and datacom receivers, offering the best combination of responsivity and bandwidth at 1.55 µm wavelength. Emerging materials like graphene and TMDs hold potential for future ultra-broadband detectors but are not yet competitive for production systems. System designers must evaluate overall link budgets, power consumption, and integration complexity to select the optimal photodiode. For a deeper dive into photodiode physics, refer to the ]Thorlabs Photodiode Tutorial[] atau berkonsultasi dengan ulasan terbaru dalam IEEE Journal of Lightwave Technology untuk perbandingan aplikasi-spesifik.