Introduktion till fotodioder i optiska mottagare

Optiska kommunikationssystem förlitar sig på fotodetektorer för att omvandla ljussignaler till elektriska strömmar. De två dominerande fotodetektortyperna är PIN-fotodioder och lavinfotodioder (APDs). Denna artikel jämför deras strukturer, drift och prestanda för att hjälpa till att välja lämplig detektor för olika applikationer. Förstå dessa komponenter är avgörande för att utforma effektiva optiska mottagare i telekommunikation, förnimmelse och bortom.

PIN-fotodioder

Struktur och arbete

PIN fotodioder har en skiktad struktur bestående av en kraftigt doped p-typ region, en inneboende (oförsvunna) halvledarskikt, och en kraftigt doped n-typ region. Det inneboende skiktet breddar utarmningsregionen, vilket möjliggör effektiv foton absorption 5-procenten elektron-medicinsk effekt. När fotoner med energi större än incidenten semiconductor bandgap in i detta skikt, de genererar elektron-hålpar. Dessa carriers svepte sedan av den tillämpade reverse bibeln-pisar provisa elektron-moprotesorptionen

Nyckelegenskaper

  • ]Höghastighet: Bandbredd som överstiger 40 GHz på grund av korta transporttransittider i den inre regionen.
  • Lågt ljud ]: Inget multiplikationsljud; endast skott och termiskt buller bidrar, vilket möjliggör höga signal-till-ljud-förhållanden.
  • ] Låg fördomar: Kräver minimal spänning, förenklar strömförsörjningsdesign och minskad strömförbrukning.
  • ]Materials: Silicon för synliga våglängder (400-1100 nm) och indiumgallium arsenide (InGaAs) för nära infraröd (900-1700 nm) som används i fiberoptik. För mer detaljer, se ]PIN diod Wikipedia sidan .

Avalanche Photodiodes

Struktur och multiplikation

APD: er har också en p-i-n-struktur men inkluderar en högfältsregion där effekt jonisering förstärker fotoströmmen. När en foton genererar ett primärt elektronhålspar accelererar bärarna i det elektriska fältet, får tillräcklig energi för att jonisera andra atomer. Detta skapar sekundära par, vilket leder till en lavin multiplikationseffekt. Vinstfaktorn, som vanligtvis sträcker sig från 10 till 1000, beror på den tillämpade bias spänningen och enhetsdesign kräver högre biasvolt, överstiger 100volensiva förbättringar.

Buller och få avvägning

Den överskottsbullerfaktorn, som kännetecknas av k-värdet (förhållandet mellan joniseringskoefficienter för elektroner och hål), bestämmer bullerprestandan. Lägre k-värden resulterar i mindre buller, och material som InAlAs och SiGe är optimerade för att uppnå detta. Trots buller, APDs kan upptäcka svaga optiska signaler som skulle vara oskiljbara från buller i en PIN fotodiode, vilket gör dem oumbärliga för långdiod och foton-stjärniga system.

Jämförande analys: PIN vs APD

Känslighet och ansvar

Responsivitet mäter fotoströmmen per enhetsoptikkraft. För PIN-dioder är responsiviteten begränsad av kvanteffektivitet, vanligtvis 0,5 till 1,0 A / W för InGaAs vid 1550 nm. APD effektiv responsivitet multipliceras med vinstfaktorn, potentiellt överstigande 100 A / W. Känslighet, den minsta detekterbara optiska kraften, är ca 10 dB bättre för APDs. Till exempel kan en 10 Gbps APD-mottagare uppnå -28 dBm känslighet, jämfört med -180 dBm för en PKont

Bandbredd och hastighet

PIN-fotodioder erbjuder generellt högre bandbredd eftersom transportörtransittid är kort och det finns ingen multiplikationsfördröjning. Kommersiella PIN-enheter överstiger 40 GHz, stöder datahastigheter upp till 100 Gbps och bortom. APDs har lägre bandbredd på grund av den tid som krävs för multiplikation och längre operatörsvägar, vanligtvis 1 till 10 GHz, men avancerade mönster kan nå 20 GHz. För höghastighetsapplikationer över 40 Gbps, PIN-fotodioder är vanligtvis föredragna.

Bullerprestanda

PIN-dioder uppvisar lägre totalt buller eftersom de saknar multiplikationsbuller. Dominanta bullerkällor inkluderar skottbrus från fotoströmmen och termiskt buller från lastmotståndet. APD-buller förstärks tillsammans med signalen, och överskottsbuller faktorn ökar det totala bullret. Signal-to-noise-kvoten (SNR) kan optimeras genom att välja lämplig vinst och bias spänning. För höghastighetssystem, låg-noise transimpedansförstärkare (TIAs) hjälper till att mildra AD-ljud AD-ljud.

Bias Voltage och komplexitet

PIN-dioder fungerar vid låga förspänningar (5-20 V) med försumbar strömförbrukning, förenkla strömförsörjningsdesign. APD kräver hög förspänning (50-200 V) och ofta temperaturkompensation för att stabilisera vinsten, lägga till komplexitet och kostnad. Integrerade moduler med inbyggda tillsynsmyndigheter är tillgängliga men ökad total systemstorlek och strömavbrott. För batteridrivna eller kompakta enheter är PIN-fotodioder fördelaktiga.

Ansökningar i optiska kommunikationssystem

Höghastighetsdatalänkar med PIN-fotodioder

PIN-fotodioder är standardvalet för kort till medelstora räckviddsförbindelser med generösa länkbudgetar. De används i 10 Gigabit Ethernet (10GBASE-SR / LR / ER), 40 Gbps och 100 Gbps-system som använder parallella optik eller våglängdsdivision multiplexing (WDM). I tunnelbana och accessnätverk erbjuder PIN-mottagare med TIA kostnadseffektiva lösningar. Deras linjäritet och låg distorsion gör dem också lämpliga för analoga optiska länkar, såsom radio-over-fibersystem.

Långdistans- och högkänslighetssystem med APD:er

APDs excel i långdistanskommunikationssystem, inklusive ubåtskablar och kärnnätverk, där optisk effekt är allvarligt försvagad. De används också i fri-rymd optisk kommunikation (FSOC) och LIDAR (Light Detection and Ranging) system för att upptäcka svaga reflektioner. I optisk tid-domän reflektorometers (OTDRs), APDs möjliggör backscattered signaldetektion över långa fiber spans. Photon-counting APDs, biased in Geiger mode, är i applikations i , i , ,

Urvalskriterier för optisk mottagare design

När man utformar en optisk mottagare, ingenjörer utvärderar datahastighet, länkbudget, bullertolerans och kostnad. För höghastighetslänkar med tillräckliga kraftmarginaler erbjuder PIN-fotodioder enkelhet och låg kostnad. För låghastighets-, högkänslighetsapplikationer ger APD: er nödvändig vinst. Framåt felkorrigering (FEC) kan koppla av känslighetskrav, potentiellt gynna PIN-lösningar. I bristlägemottagare för passiva optiska nätverk (PON) rymmer större dynamiska intervall.

Framtida riktningar inom Photodetector Technology

Forskning fortsätter att förbättra både PIN- och APD-prestanda. För PIN-dioder fokuserar insatserna på att öka bandbredd med material som grafen och minska mörk ström. I APDs inkluderar målen att sänka överskottsbuller samtidigt som man bibehåller hög vinst genom material som SiGe, InAs och III-V-föreningar. Separata absorption, gradering, laddning och multiplikation (SAGCM) strukturer förbättrar prestanda. Single-photon avalanche diodes (SPAD) avancerar för s för storka fotokommunik

Slutsats

PIN-fotodioder och lavinfotodioder är grundläggande komponenter i optiska mottagare, var och en erbjuder distinkta fördelar. PIN-dioder ger hög hastighet, lågt ljud och enkelhet för hög datahastighets, kortfristiga applikationer. APDs levererar överlägsen känslighet till kostnaden för högre buller och komplexitet för långdistans och foton-svältade system. Valet beror på specifika krav som datahastighet, länkbudget och kostnad. Eftersom tekniken utvecklas fortsätter båda typerna att driva gränserna för optisk kommunikationskapacitet.