Сравнение лавинообразных фотодиодов и Pin-фотодиодов в оптической конструкции приемника

Производительность компромиссов

Прирост APD происходит по стоимости. Лавинный процесс по своей сути шумный, потому что умножение является статистическим процессом. Избыточный коэффициент шума, который количественно определяет дисперсию в выигрыше, зависит от соотношения коэффициентов ионизации для электронов и дырок. Кремниевые APD обеспечивают лучшую производительность шума, потому что соотношение коэффициента ионизации сильно благоприятствует электронам, но кремний практичен только для длин волн ниже примерно 1100 нм. Для окон 1310 нм и 1550 нм, используемых в волоконной оптике, APD обычно изготавливаются из арсенида индия галлия (InGaAs) или германия, которые имеют менее благоприятные отношения ионизации и, следовательно, более высокий избыточный шум. ширина полосы пропускания APD ограничена временем умножения, которое может быть значительным при высоких значениях усиления. Существует фундаментальный компромисс: более высокий коэффициент усиления улучшает чувствительность, но уменьшает пропускную способность и увеличивает шум. APD также требуют высоковольтного смещения, часто от 30 В до 100 В и более, и усиление зависит от температуры. Без компенсации

Типичные случаи использования

АПД являются предпочтительным выбором, когда принимаемая оптическая мощность низкая, как правило, ниже −28 дБм, и чувствительность является главной проблемой. Они широко используются в дальнемагистральных и сверхдальнемагистральных волоконно-оптических коммуникациях, где распространены пролеты от 80 км до 120 км и более. Они также являются неотъемлемой частью систем LIDAR, где отраженные импульсы от отдаленных целей обеспечивают только слабые оптические возвраты, и к оптическим связям свободного пространства, где атмосферное затухание снижает силу сигнала. В этих приложениях внутренний коэффициент усиления АПД обеспечивает преимущество чувствительности от 5 дБ до 15 дБ над сопоставимым приемником на основе PIN, который непосредственно переводит в более длительный охват или более высокий предел связи.

Сравнение голова к голове: APD против PIN

Чувствительность и отношение сигнал/шум

Наиболее важным фактором дифференциации между APD и PIN-фотодиодами является чувствительность приемника. Чувствительность - это минимальная оптическая мощность, необходимая для достижения заданной скорости бит-ошибки (BER), как правило, 10-12 для цифровых систем. Для приемника на основе PIN-кода чувствительность ограничена тепловым шумом TIA и темным током фотодиода. Для приемника на основе APD умноженный фототок поднимается над уровнем теплового шума, улучшая SNR. Однако избыточный шумовый коэффициент APD также увеличивается, поэтому улучшение чистой чувствительности меньше, чем может предложить необработанный коэффициент усиления. На практике хорошо спроектированный приемник InGaAs APD может достичь чувствительности от -32 дБм до -38 дБм при 10 Гбит/с по сравнению с -20 дБм до -24 дБм для PIN-приемника с той же скоростью передачи данных. Это преимущество от 10 дБ до 14 дБ является преобразующим для расчетов бюджета канала.

Пропускная способность и скорость отклика

PIN-фотодиоды обычно предлагают более высокую пропускную способность, чем APD при эквивалентных диаметрах фотодиодов. Время прохождения через внутренний слой в PIN-кодах быстрое, а постоянная времени RC может быть сведена к минимуму при тщательной упаковке. Коммерческие PIN-устройства с полосой пропускания, превышающей 60 ГГц, доступны для приложений, таких как 400 Гбит/с и 800 Гбит/с когерентные приемники. APD, напротив, сталкиваются с штрафом за пропускную способность из-за времени наращивания умножения. Типичный высокоскоростной APD может предлагать полосу пропускания от 10 ГГц до 20 ГГц, что достаточно для 10 Гбит/с и 25 Гбит/с, но еще не конкурентоспособен с PIN-кодами на 56 Гбит/с и за его пределами. Исследователи продемонстрировали APD с полосой пропускания, приближающейся к 40 ГГц, но эти устройства еще не широко коммерциализированы.

Склонность напряжения и сложность цепи

PIN-фотодиод работает с напряжением смещения от 5 В до 20 В, которое может быть сгенерировано простым преобразователем постоянного тока с низким энергопотреблением или даже подается непосредственно из существующей рельсы платы. Схема приемника проста: фотодиод подключен к TIA, а выход послеусилен и забит в цепь принятия решений. APD, напротив, требует высоковольтного источника смещения, часто 40 В до 80 В, с жестким регулированием для поддержания постоянного усиления. Поскольку коэффициент умножения изменяется с температурой, напряжение смещения должно быть отрегулировано для компенсации. Это обычно делается с контроллером смещения с компенсацией температуры или петлей обратной связи, которая контролирует средний фототок и соответствующим образом регулирует напряжение. Дополнительная сложность увеличивает стоимость материалов, площадь платы и усилия по проектированию.

Зависимость от температуры

ПИН-фотодиоды проявляют минимальную температурную зависимость. Их отзывчивость изменяется примерно на 0,1% на °C, а их темный ток удваивается примерно каждые 10 °C, но эти изменения достаточно малы, чтобы в большинстве приложений не требовалась компенсация. АПД гораздо более чувствительны к температуре. Коэффициент ионизации и напряжение пробоя сдвинуты с температурой, в результате чего коэффициент усиления изменяется примерно на 2% до 5% на °C при фиксированном напряжении смещения. Без компенсации приемник АПД может потерять несколько децибел чувствительности или даже войти в пробоину в диапазоне температур 50 °C. Системные конструкции, использующие АПД, должны включать активную компенсацию смещения, добавляя стоимость и сложность.

Расчеты стоимости и системного уровня

PIN-фотодиоды просты в изготовлении, имеют высокую выходную мощность и доступны у нескольких поставщиков по низкой цене. Типичный PIN-модуль приемника на 10 Гбит/с стоит несколько долларов в объеме. APD сложнее изготовить, потому что область умножения требует точного допинг-контроля и эпитаксии без дефектов. Доходы ниже, а высоковольтная схема смещения добавляет дополнительную стоимость. Модуль приемника APD на 10 Гбит/с может стоить в три-пять раз больше, чем эквивалентный PIN-приемник. Однако, если преимущество чувствительности APD позволяет системе устранить оптический усилитель или использовать более дешевые лазеры, стоимость системного уровня может быть ниже. Инженеры должны выполнять полный анализ бюджета и стоимости связи, а не сравнивать цены на фотодиоды в изоляции.

Критерии выбора, основанные на приложениях

Дальнемагистральные волоконно-оптические коммуникации

В дальней и подводной передаче имеет значение каждый децибель разницы в связях. Высокая чувствительность APD позволяет пробег от 80 км до 120 км без промежуточного усиления. В системах, где уже присутствуют эрбиевые волоконные усилители (EDFA), APD могут уменьшить требуемый коэффициент усиления или позволить использовать более низкие мощности запуска. Современные когерентные приемники используют сбалансированные PIN-детекторы вместе с местными осцилляторами для достижения высокой чувствительности, но для систем прямого обнаружения устаревших и промежуточных звеньев APD остаются предпочтительным приемником. Для систем, работающих при 10 Гбит/с и 25 Гбит/с, InGaAs APD-приемники хорошо установлены. При 100 Гбит/с и выше когерентное обнаружение с PIN-кодами в значительной степени вытеснило APD, но исследования продолжаются на высокоскоростных APD для будущих поколений.

Высокоскоростные межсоединения центров обработки данных

Связи с центрами обработки данных обычно короткие, от нескольких метров до 10 км, и принятая оптическая мощность обычно достаточно высока, чтобы фотодиод PIN обеспечивал достаточную чувствительность. Акцент делается на пропускную способность, низкую стоимость и низкое энергопотребление. PIN-приемники, работающие на 25 Гбит/с и 56 Гбит/с, являются стандартом. Тенденция к 800 Гбит/с и 1,6 Тбит/с оптические межсоединения с использованием модуляции PAM4 также благоприятствует устройствам PIN, потому что требования к линейности и пропускной способности являются экстремальными. APD в настоящее время не предлагают комбинацию полосы пропускания, линейности и стоимости, которые требуют центры обработки данных, хотя они могут найти нишевые роли в каналах внутри центра обработки данных с расширенным охватом.

LIDAR и ранжирование систем

Системы LIDAR для автономных транспортных средств, дронов и геодезических работ полагаются на обнаружение слабых импульсов света, отраженного от отдаленных объектов. Требование к чувствительности часто является серьезным, поскольку целевая отражательная способность может быть низкой, а оптическая мощность распределена по большой области луча. APD, особенно кремниевые APD для систем 905 нм, обеспечивают внутренний коэффициент усиления, необходимый для обнаружения однофотонных возвратов. АPD в режиме Гейгера и однофотонные лавинные диоды (SPAD) принимают это дополнительно, работая выше напряжения пробоя, достигая значений усиления 105 или более. Для приложений, требующих точных измерений времени полета, высокий коэффициент усиления и быстрый импульсный отклик APD позволяют разрешать субнаносекундное разрешение времени. PIN-фотодиоды, как правило, недостаточно чувствительны для LIDAR дальнего радиуса действия, но они используются в датчиках близости на ближнем расстоянии, где стоимость является основным драйвером.

Свободно-космические оптические ссылки

Системы связи в свободном пространстве должны бороться с поглощением атмосферы, рассеянием и турбулентностью. Принятая мощность может колебаться на 20 дБ или более, а расстояния связи часто ограничены доступным сигналом на детекторе. APDs в значительной степени предпочтительны в FSO, потому что дополнительная чувствительность напрямую переходит в более длинный диапазон или более высокую надежность при неблагоприятных погодных условиях. Высокое напряжение смещения и компенсация температуры приемлемы в системах FSO, потому что повышение производительности связи существенно. Для связей между землей и пространством и пространством с землей приемники на основе APD часто являются единственным жизнеспособным вариантом прямого обнаружения.

Биомедицинская и низколегкая визуализация

В биомедицинской визуализации, ближней инфракрасной спектроскопии и обнаружении флуоресценции уровни света могут быть чрезвычайно низкими, часто на уровне подсчета фотонов. Кремниевые АПД, работающие на длинах волн ниже 1000 нм, обеспечивают высокую квантовую эффективность и низкий уровень шума, что делает их пригодными для таких применений, как проточная цитометрия, конфокальная микроскопия и оптическая когерентная томография (OCT). ПИН-фотодиоды не могут обеспечить требуемую чувствительность для этих слабых сигналов. Однако для приложений, где стоимость имеет решающее значение, а уровни света умеренные, PIN-устройства с высоким коэффициентом усиления TIA могут быть жизнеспособной альтернативой.

Практические дизайнерские соображения

Приемник Front-End Design

Фотодиод — это только один элемент оптического приемника. TIA, постусилитель и схема восстановления часов — все это способствует общей производительности. Для PIN-приемников шум TIA доминирует над чувствительностью, поэтому выбор низкошумного TIA с высоким коэффициентом усиления трансимпеданса имеет важное значение. Для приемников на основе APD фототок усиливается перед TIA, поэтому шум TIA менее критичен, но избыточный шум APD и темный ток становятся ограничивающими факторами. Оптимальное напряжение смещения для APD должно определяться экспериментально или из данных производителя, балансируя усиление с шумом и пропускной способностью. Типичный подход к проектированию — это подметать напряжение смещения и измерять BER с фиксированной оптической мощностью, чтобы найти оптимальную рабочую точку.

Шумный анализ бюджета

Строгий шумовый бюджет должен учитывать шум выстрела от фототока, шум темного тока, избыточный шум от лавинного процесса (для APD), тепловой шум от TIA и шум от последующих стадий усилителя. Для приемника PIN тепловой шум обычно доминирует. Для приемника APD тепловой шум и избыточный шум вместе определяют SNR. Общая плотность шума на входе TIA может быть выражена как корневая сумма-квадрат отдельных вкладов. Стандартная формула для SNR приемника APD: SNR = (M2·I ph2) / (2qB·I dark·M2·F(M) + 4kT·B/R eff), где M - коэффициент умножения, Iph - первичный фототок, q - электронный заряд, B - пропускная способность, I dark - коэффициент темного тока, k - постоянная Больцмана, T - температура, а R eff - эффективное сопротивление обратной связи TIA. Эта формула подчеркивает компромисс: увеличение M улучшает SNR до доминирования термина избыточного шума.

Интеграция с TIA и пост-усилительными этапами

Фотодиодная упаковка играет роль в производительности приемника. PIN-фотодиоды часто интегрируются непосредственно с TIA в совместно упакованном модуле для минимизации паразитной емкости и индуктивности. APD с их более высокими напряжениями смещения требуют тщательной изоляции между высоковольтными линиями смещения и чувствительным входом TIA. На практике APD и TIA обычно устанавливаются на небольшой гибридной подложке с разъединяющими конденсаторами и защитными кольцами для предотвращения токов утечки. Некоторые производители предлагают приемники APD в качестве интегрированных модулей, включая контроллер смещения и датчик температуры, что упрощает процесс проектирования. Инженеры должны оценить компромисс между дискретной гибкостью компонента и простотой использования модуля.

Новые тенденции и будущие направления

Исторический разрыв между PIN и APD производительностью сужается в некоторых областях и расширяется в других. Силиконовая фотоника позволила PIN-фотодиоды с полосой пропускания, превышающей 100 ГГц, что делает их предпочтительным детектором для когерентных оптических приемопередатчиков следующего поколения. В то же время новые конструкции APD, использующие технологию ионизации удара, такую как отдельные структуры поглощения, классификации, заряда и умножения (SAGCM), достигают полосы пропускания выше 30 ГГц с низким избыточным шумом. Такие материалы, как германий-олово (GeSn) и двумерные материалы, такие как графен, исследуются для APD, которые работают на более длинных длинах волн или с более низким шумом. Для приложений, требующих предельной чувствительности, таких как квантовое распределение ключей и фотонное распределение LIDAR, SPAD и сверхпроводящие нанопроводные однофотонные детекторы (SNSPDs), вытесняют обычные APD, хотя они имеют значительно более высокие требования к стоимости и охлаждению.

Инженеры должны следить за эволюцией обеих технологий, поскольку оболочка производительности продолжает расширяться. Для большинства практических системных конструкций, однако, выбор между APD и PIN-фотодиодом по-прежнему регулируется простым принципом: используйте PIN-код, когда у вас достаточно света, используйте APD, когда у вас его нет. Решение требует тщательного баланса чувствительности, пропускной способности, стабильности температуры, сложности и стоимости. Понимая фундаментальные различия в их работе и производительности, инженеры могут сделать осознанный выбор, который оптимизирует их оптические конструкции приемника для конкретных требований приложения.

Для дальнейшего чтения следующие ресурсы предоставляют более глубокие технические детали: Optica Publishing Group предлагает рецензируемые статьи по дизайну и характеристике фотодиодов; IEEE Xplore цифровая библиотека содержит статьи по передовым архитектурам приемников APD и PIN; и примечания производителя приложений от Excelitas Technologies и Thorlabs предоставляют практическое руководство по проектированию схем и выбору устройств. Эти источники предлагают авторитетную информацию для инженеров, стремящихся углубить свое понимание дизайна оптических приемников.