Как лавинные фотодиоды повышают чувствительность оптических приемников

Введение

Современные оптические системы связи требуют приемников, которые могут точно восстанавливать сигналы от чрезвычайно слабых оптических импульсов. В основе многих высокочувствительных приемников лежит лавинный фотодиод (APD), полупроводниковый фотодетектор, который использует внутренний коэффициент усиления фототока до того, как он сталкивается с внешней электроникой. Этот внутренний механизм усиления позволяет приемникам на основе APD достигать значительно более низких минимальных уровней обнаруживаемой мощности по сравнению со стандартными фотодиодами p-i-n (PIN), увеличивая расстояния передачи и улучшая запас системы. Понимание того, как работают лавинные фотодиоды, их компромиссы производительности и их развертывание в реальных системах, имеет важное значение для инженеров, проектирующих оптические сети следующего поколения, датчики LIDAR и квантовые коммуникационные линии.

Принцип работы лавинообразных фотодиодов

Фотообнаружение и генерация перевозчиков

Как и любой фотодиод, APD преобразует падающие фотоны в пары электрон-дырка через фотоэлектрический эффект в полупроводниковой области поглощения. Когда фотон с энергией, большей, чем полоса пропускания, поглощается, он возбуждает электрон от валентной полосы до полосы проводимости, оставляя после себя отверстие. Эти первичные носители затем дрейфуют под воздействием приложенного электрического поля к контактам устройства, генерируя фототок. В стандартном PIN-диоде электрическое поле является умеренным и в первую очередь служит для разделения носителей до того, как происходит рекомбинация. Получающийся фототок прямо пропорционален падающей оптической мощности, без внутреннего усиления.

Процесс лавинообразного умножения

Определяющей особенностью APD является то, что он работает с гораздо более высоким напряжением обратного смещения, создавая электрическое поле, превышающее 105 В/см в специально спроектированной области умножения. При таких интенсивных полях первичные электроны (или дырки) получают достаточно кинетической энергии между столкновениями с кристаллической решеткой для ионизации связанных электронов, генерируя вторичные пары электрон-дырка. Эти вторичные сами ускоряются и могут создавать третичные пары, приводящие к умножению лавин. Эта цепная реакция, известная как лавинное умножение, производит чистый коэффициент усиления тока M, который может варьироваться от 10 до нескольких тысяч, в зависимости от напряжения смещения и конструкции устройства. Коэффициент умножения очень чувствителен как к приложенному напряжению, так и к температуре, что делает управление смещениями критическим в практических системах.

Ключевые параметры: увеличение, напряжение разбивки и избыточный шум

Средний коэффициент умножения M является функцией профиля электрического поля и коэффициентов ионизации электронов и дырок в полупроводниковом материале.По мере приближения напряжения смещения к напряжению пробоя V, коэффициент усиления резко возрастает._BR, однако лавинообразный процесс по своей сути является статистическим; каждый генерируемый фотоном носитель испытывает случайное число событий ионизации. Эта случайность добавляет шум сверх того, что можно было бы ожидать от бесшумного усилителяFMM. Избыточный шумовый фактор увеличивается с усилением, часто ограничивая практический максимальный полезный прирост до нескольких сотен, прежде чем шум ухудшит отношение сигнал-шум (SNR). Низкий избыточный шумовый фактор является отличительной чертой высокопроизводительных APD, достижимых, когда один

APD Материалы и диапазоны длины волн

Кремниевые APD

Кремниевые АПД оптимизированы для видимого и ближнего инфракрасного спектра (400-1100 нм). Кремний предлагает очень асимметричное соотношение между коэффициентами электрона и ионизации дырок, что приводит к низкому коэффициенту избыточного шума. Эти устройства могут достигать продукции с пропускной способностью усиления, превышающей 100 ГГц, и широко используются в оптических межсоединениях с коротким охватом, лазерных дальномерах и визуализации низкого уровня освещенности. Кремниевые АПД также извлекают выгоду из зрелых процессов изготовления, что дает экономически эффективные детекторы для потребительских и промышленных систем LIDAR.

InGaAs APDs (альбом)

Для телекоммуникационных длин волн (1310 нм и 1550 нм) материалом выбора является арсенид индия галлия (InGaAs). InGaAs APDs спроектированы с отдельной структурой поглощения и умножения (SAM) во избежание вредных туннельных токов. Тонкий слой умножения InP обеспечивает область высокого поля, в то время как слой InGaAs поглощает фотоны. Коэффициент ионизации в InP менее благоприятный, чем в кремнии, что приводит к более высокому коэффициенту избыточного шума, но тщательная инженерия устройства существенно уменьшила шум. Эти APDs являются основой дальнемагистральных и метро волоконно-оптических систем, где они обеспечивают до 10 дБ лучшую чувствительность, чем PIN-детекторы при 10 Гбит/с и за его пределами.

Другие материалы

Немецкие АПД исторически использовались для обнаружения 1,3 мкм, но в значительной степени были вытеснены InGaA из-за более низкого темного тока. Для более длинных волн (2-5 мкм) разрабатываются АПД теллурида ртутного кадмия (MCT) для оптических коммуникаций в свободном пространстве и инфракрасного LIDAR. В ультрафиолетовом диапазоне АПД карбида кремния (SiC) предлагают низкие темные показатели для обнаружения пламени и научных приборов. Каждая система материала включает в себя тонкий баланс коэффициента поглощения, коэффициентов ионизации и сложности изготовления.

APD против PIN-фотодиода: сравнение чувствительности

Основное преимущество APD перед PIN-фотодиодом заключается в его способности усиливать сигнал до первой стадии усиления в приемнике трансимпеданса (TIA). В приемнике на основе PIN-кода доминирует входной сигнальный ток TIA, ограничивая чувствительность. Обеспечивая внутренний коэффициент усиления, APD эффективно умножает фототок, в то время как шум TIA остается постоянным (при условии незначительного дополнительного шума от APD). Улучшение чувствительности может быть выражено как: ΔP_min = 5 logFF.MM.MMM]F. Для типичных значений усиления 10—30 это снижает улучшение, делая умеренный коэффициент усиления (M≈10—30) оптимальным для большинства волоконно

Шум в лавинообразных фотодиодах

Шум выстрела и темное течение

Все фотодиоды демонстрируют шум выстрела из-за дискретной природы носителей заряда. В APD шум выстрела умножается вместе с сигналом. Кроме того, темный ток - ток, текущий в отсутствие света - возникает из термически генерируемых носителей и туннелирования. Темный ток также усиливается лавинообразным усилением, ухудшающим SNR при низких уровнях освещения. Для InGaAs APDs темный ток обычно составляет 10-100 нА при комнатной температуре, что требует контроля температуры или компенсации смещения для поддержания стабильной производительности. В кремниевых APDs темный ток на порядки ниже (диапазон pA), что позволяет работать при очень низких уровнях света.

Избыточный шумовый фактор

Избыточный коэффициент шума FMFMeffMeffMeff_{eff_{_effeffeffeff≈2 при умеренном приросте, в то время как InGaAs/InP APDs при умеренном приросте eff_{≈ 0,4–0,5 имеют F], исследуются для уменьшения [] далее.}}}

Оптимизация отношения сигнал/шум

Проектирование APD-приемника требует оптимизации напряжения смещения для максимизации SNR. Увеличение усиления усиливает как сигнал, так и шум выстрела, но избыточный шум растет быстрее. Оптимальный прирост обнаруживается, когда умноженный шум выстрела APD доминирует над шумом TIA. _opt ≈i,TIA, q^{1/3ph_{. Для данного приложения дизайнер приемника выбирает усиление, регулируя напряжение смещения (или используя автоматический цикл управления усилением.] Компенсация температуры также имеет решающее значение, поскольку V BR}}

Продвинутые архитектуры APD

Отдельная абсорбция и умножение (SAM) APD

В ранних АПД поглощение и умножение происходили в одной и той же области, что приводило к высокому тёмному току и плохой шумопроизводительности в материальных системах, где один тип несущей не доминирует в ионизации. Структура SAM помещает слой поглощения узкого разрыва, прилегающий к широкополосному умножению, с градуированным или ступенчатым профилем электрического поля. Эта конфигурация гарантирует, что только один тип несущей (обычно электроны) входит в область высокого поля, минимизируя случайное умножение, инициированное обоими носителями, и уменьшая избыточный шум. Большинство коммерческих InGaAs APDs принимают дизайн SAM с умножением InP.

Резонансная полость APDs

Для повышения квантовой эффективности в тонких слоях поглощения резонансные полости APD (RC-APD) включают фотодиод в полость Фабри-Перо. Полость резонирует на желаемой длине волны, позволяя поглощающему слою быть тонким до 100 нм, при этом поглощая почти все падающие фотоны. Это уменьшает время дрейфа носителей, обеспечивая более высокую пропускную способность, а также снижает вероятность генерации вторичных носителей из термически генерируемого темного тока. RC-APD продемонстрировали полосы пропускания, превышающие 50 ГГц с высоким коэффициентом усиления, что делает их кандидатами на будущие 400 Гбит/с и 1 Тб/с звенья.

Гейгер-режим APD

При смещении выше напряжения пробоя APD работает в режиме Гейгера: один фотон запускает самоподдерживающуюся лавину, которую необходимо активно угасать. Эти однофотонные лавинные диоды (SPAD) демонстрируют прирост 106-107, что позволяет обнаруживать отдельные фотоны. АPD режима Гейгера необходимы для распределения квантовых ключей (QKD), LIDAR времени полета и визуализации времени жизни флуоресценции. Их основные недостатки - мертвое время после каждого обнаружения (10-500 нс) и форсирование из-за захваченных носителей. Силиконовые SPAD доминируют в видимом диапазоне, в то время как SPAD InGaAs / InP используются на телекоммуникационных длинах волн с термоэлектрическим охлаждением для уменьшения темных чисел.

Основные применения лавинообразных фотодиодов

Дальнемагистральные волоконно-оптические коммуникации

В системах мультиплексирования с плотным разделением длин волн (DWDM), охватывающих тысячи километров, ослабление сигнала разъедает оптическую мощность до нановатт или менее. Приемники на основе APD обеспечивают необходимую чувствительность для поддержания частоты ошибок бита ниже 10-12 без использования оптической преамплификации. Современные когерентные приемники используют цифровую обработку сигналов (DSP) для компенсации дисперсии, но фронтальный фотоприемник остается PIN-кодом или APD во многих OOK-ссылках для чувствительных к затратам метро и сетей доступа. Например, приемники APD 10 Гбит / с достигают чувствительности около -30 дБм, примерно на 6 дБ лучше, чем сопоставимые PIN-приемники.

Лидар и 3D-сенсор

Автоматические системы LIDAR требуют обнаружения отражений от удаленных объектов с низкими оптическими возможностями для обеспечения автономного вождения. Кремниевые массивы APD широко используются в режиме вспышки LIDAR во время полета, в то время как InGaAs развернуты в сканировании LIDAR для обнаружения на большие расстояния (200+ метров). Высокий внутренний прирост APD позволяет работать с лазерами с низкими пиковыми мощностями, снижая проблемы безопасности глаз. Линейный режим APD также предоставляет аналоговую информацию о силе обратного сигнала, которая может использоваться для оценки отражательной способности цели. По мере роста объемов LIDAR производители APD интегрируют массивы с схемами считывания CMOS для снижения стоимости.

Квантовая криптография и однофотонное обнаружение

Распределение квантовых ключей зависит от передачи одиночных фотонов по оптическому волокну для установления безопасного криптографического ключа. APD, работающие в режиме Гейгера, являются наиболее практичными детекторами для QKD на телекоммуникационных длинах волн. Несмотря на необходимость в схемах охлаждения и гашения, SPAD InGaAs достигают эффективности обнаружения более 25% с частотой обнаружения темных частот ниже 1 кГц при 225 К. Достижения в самодифференциации и синусоидальном блеске подтолкнули джиттер времени ниже 100 пс, что позволяет использовать более высокие скорости ключа. Будущие спутниковые QKD будут полагаться на детекторы свободного пространства, где кремниевые SPAD используются в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне.

Медицинская визуализация и биофотоника

В фотонно-счетных КТ-сканерах и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) массивы APD, соединенные со сцинтилляторами, позволяют получать информацию о времени полета (TOF), которая улучшает реконструкцию изображения. Силиконовые фотоумножители (SiPM) - лучи APD в режиме Гейгера - теперь повсеместно используются в медицинской визуализации из-за их высокой эффективности обнаружения фотонов, устойчивости к магнитным полям и компактных размеров. Они также используются в проточной цитометрии, обнаружении хемилюминесценции и флуоресцентной корреляционной спектроскопии, где способность обнаруживать слабые оптические сигналы в присутствии фонового света имеет первостепенное значение.

Заключение

Лавинообразные фотодиоды остаются краеугольной технологией повышения чувствительности оптического приемника в широком диапазоне приложений. Обеспечивая контролируемый внутренний прирост посредством процесса лавинного умножения, они позволяют обнаруживать световые сигналы, которые в противном случае были бы потеряны в электронном шуме. Материальные инновации, передовые архитектуры устройств, такие как SAM и резонансные полости, и работа в режиме Гейгера постоянно расширяют границы производительности. Будь то в телеком-приемнике 10 Гбит/с, датчике LIDAR 1550 нм или однофотонном детекторе для квантовой криптографии, APD обеспечивают чувствительность, необходимую для соответствия требованиям более высоких скоростей передачи данных и более точного оптического зондирования. Инженеры, оценивающие конструкции приемника, должны взвешивать преимущество чувствительности против дополнительной сложности управления смещениями, стабилизации температуры и избыточного шума, но для приложений, где каждый децибель предела связи имеет значение, лавинный фотодиод остается предпочтительным детектором.

Для дальнейшего чтения см. технические примечания Thorlabs APD и Информация о продукте APD . Всестороннее сравнение приемников PIN и APD доступно в IEEE бумаге «Чувствительность приемника APD и PIN-детекторов» . Для приложений LIDAR обратитесь к «Приемник LIDAR на основе лавинного фотодиода» от Optics Express.