Optik Alıcılarda Fotodiodes Rolünü Anlayın

Optik alıcılar gelen ışık sinyalleri, alıcının hassaslığı, gürültü zemini ve genel sistem maliyetinin belirlenmesine dönüştürürler.Her optik alıcının merkezinde fotodiode, fotodiode ve avalan fotodiode çiftleri üreten yarı iletken bir cihazdır.

PIN Photodiode: Yapı ve İşletim Prensleri

Device Architecture

Bir PIN fotodiode adını üç katmanlı yapısından alır: ağır bir şekilde yapılmış bir p-tip tabakası, kısa çoklu mod sistemleri veya 1310 nm ve 1550 nm tek tip tabaka için.Intrinsic bölgesi, olaysız tabakanın neredeyse tamamen dışlanmış olması için yeterince kalın.

Anahtar Performans Özellikleri

PIN fotodiodes birkaç tanımlama özelliği sunuyor. onların [FONTD:0])))))

<0|0|p>|Döneticileri, 1550 nm'de, cihaz ve ambalajlarının verimliliğini yansıtır.Gücretsiz, ışık yokluğunda bile, genellikle bu düşük enerjili yüksek çözünürlükte bulunan küçük sızıntıları otomatik olarak düşük bir şekilde genişletir.

Tipik Kullanım Vakaları

PIN fotodiodes, alınan optik gücün nispeten yüksek olduğu uygulamaları, genellikle -20 dBm'nin üzerindedir ve yüksek bant genişliğinin birincil gereksinimi olduğu yerdedir.Bu senaryolarda, yeterli fotonlar alıcıda gerekli sinyal-ev (FTTH) sistemleri ve yüksek hızlı test ekipmanları elde etmek için mevcuttur.

Avalanche Fotodiode: Yapı ve İşletim Prensleri

Avalanche Don Mechanism

Bir avalanche fotodiode PIN yapısı üzerinde inşa eder, ancak kritik bir özellik ekler: kristal lattice'deki yüksek elektronlar oluşturmak için, her ikincil taşıyıcıyı, genellikle elektronları, elektrik alanının son derece yüksek olduğu bir bölgeye girin, genellikle 300 kV /cm. Bu alanda, tek bir empoze edici fotoğraf makinesinin üzerinde güçlü bir şekilde yükseltilebilir.

Performans Ticareti

Bir APD'nin kazanılması bir maliyetle gelir. APDs, elektronlar ve delikler için iyonizasyon katlarının oranına bağlıdır, çünkü iyonizasyon katsayısı oranı güçlü derecede fazla elektronlar sağlar, ancak 1100 nm'nin altındaki yüksek gürültüler için daha yüksek bir miktar sağlar.

Tipik Kullanım Vakaları

APDs, optik güç alındığında tercih edilen seçimdir, genellikle -28 dBm'in altında ve hassaslık, uzun süreli optik bağlantılarda yaygın olarak kullanılır ve ultra uzun süreli fiber optik iletişimde, bu bağlamda, APD'nin iç kazancının yaklaşık 120 km veya daha yaygın olduğu görülür. Ayrıca, uzak hedeflerden gelen PIN filtrelerin yalnızca zayıf optik geri dönüşleri ve ücretsiz alan optik bağlantıları sağlar.

Head-to-Head Karşılaştırma: APD vs. PIN

Hassasiyet ve Signal-to-Noise Orantı

APDs ve PIN fotodiodes arasındaki en önemli farklı faktör alıcı duyarlılığıdır. Hassasiyet, belirli bir miktar-terör oranına ulaşmak için gerekli minimum optik güçtir (BER), genellikle 10 - 12 dijital sistemler için.For aPD'nin aşırı gürültü faktörü de artar, bu nedenle, TIA'nın termal gürültünün ve görüntünün karanlık akımı, iyi bir alıcı için dB'nin üzerindeki etkisi 10. katındaki artış için iyi bir performans puanına kıyasla, APD'nin yüksek hassasiyet faktörü artış puanının arttırılması, APD'nin %38'si için de artar.

Band genişliği ve Yanıt Hız

PIN fotodiodes genellikle APDs'ten daha yüksek bant genişliği sunar. 400 Gb / 800 Gb /s koherent alıcıları ile birlikte, çoklu uygulama süresinden dolayı bir bant genişliğine sahip olabilir. Tipik yüksek hızlı APD, 10 Gb / 8 Gb / 8 Gb / 8 Gb / 8 Gb için yeterli olan 10 GHz'e 10 GHz'ye 10 GHz sunabilir, ancak daha fazla sayıdaki bağlantıya sahip değildir.

Bias Ger ve Devre Kompleksi

Bir PIN fotodiode, basit düşük güç DC-DC dönüştürücü tarafından oluşturulabilecek 5 V'nin bir yanlı gerilimi ile çalışır ve hatta mevcut bir yönetim kurulundan doğrudan tedarik edilir: fotodiode bir TIA ile bağlantılıdır ve baskı sonrası bir karar devresine bağlanır.APD, aksine yüksek gerilimli bir hasar kaynağı gerektirir, genellikle 40 V'dan 80 V'ye kadar, sabit bir kazanılabilir.

Sıcaklık Bağımlılığı

PIN fotodiodes minimum sıcaklık bağımlılığı sunuyor. Sorumlulukları °C başına yaklaşık% 0.1 oranında değişir ve sabit bir önyargıya göre yaklaşık% 2 ila% 5 ile değişir. APDs çok daha fazla sıcaklık hassastır.APDs sıcaklık aralığına ve her iki ısı geçişi ile birlikte, APDs kullanan bir hasarın aktif bir şekilde artmasını sağlar.

Maliyet ve Sistem-Level Tahminleri

PIN fotodiodes, yüksek verimlere sahip olmak için basittir ve düşük maliyette birden fazla tedarikçiden kullanılabilir. A tipik bir PIN alıcı modülü 10 Gb /s için birkaç dolar değerinde bir eşdeğer alıcı için daha karmaşıktır, çünkü çok uygulama bölgesi kesin bir kesinti kontrolü gerektirir ve hatasız epitaxy. Ürünler daha düşük maliyetli bir şekilde şarj edilebilir ve yüksek gerilimli devre devre devreleri daha düşük maliyetli hale getirebilir. A 10 Gb / APD alıcı modülü, eşdeğer bir alıcıdan üç ila beş kat daha pahalıya mal olabilir.

Uygulama-Driven Selection Kriterleri

Uzun-Haul Fiber Optik İletişim

Uzun zamandır, denizaltı iletimi, her türlü bağlantı noktası önemlidir. APDs'in yüksek hassasiyetleri, orta amplikasyon olmadan 80 km'lik mesafeyi 120 km'ye kadar uzatabilir. Hebium-doped fiber yükselteçleri (EDFA) mevcut, APDs, gerekli yükselteçleri azaltabilir veya 10 Gb'de çalışan APD'lerin kullanımını büyük ölçüde iyi bir şekilde yerine getirir.

Yüksek Hız Data Center Interconnects

Veri merkezi bağlantıları genellikle birkaç metreden 10 km'ye kadar kısadır ve alınan optik güç genellikle PAM4 modulation kullanarak optik bağlantıların daha fazla lehine olması gerekir, düşük maliyet ve düşük güç tüketimi. PIN alıcıları şu anda 25 Gb /s ve 56 Gb /s'te faaliyet gösteren standart değildir. 800 Gb/s ve 1.6 Tb /s optik bağlantı hattını kullananlar PAM4 modulation daha fazla tercih eder.

LIDAR ve Ranging Systems

Özerk araçlar için LIDAR sistemleri, dronelar ve anket, uzak nesnelerden yansıyan ışık sürübücüklerinin tespit edilmesine güvenmektedir. Hassasiyet genellikle şiddetlidir, çünkü hedef yansıma düşük ve optik güç büyük bir kirişin üzerinde yayılabilir. APDs, özellikle de, VNT sistemleri için silikon APDs, tek seviyeli hataları tespit etmek için gerekli olan dışsal ölçümler için gerekli olan temel hataların elde edilmesi gerekir.

Ücretsiz Uzay Optik Bağlantılar

Free-space optik (FSO) iletişim sistemleri, atmosferde akrepler, saçılma ve çalkantı ile karşı karşıya olmalıdır.Bu durumda, yüksek önyargılı gerilim ve sıcaklık tazminatı, FSO sistemlerinde genellikle mevcut sinyal ile sınırlıdır, çünkü APD-vardıran bağlantılar, APD-bazlı alıcılar genellikle sadece doğrudan doğruya doğrultıcı seçenek olarak daha yüksek güvenilirliktir.

Biomedical ve Low-Light Görüntüleme

Biyomedikal görüntülemede, 1000 nm altında çalışan ve düşük gürültüyü, ktometri gibi hafif mikroskopları ve optik koherens tomografi (OCT) için gerekli hassasiyetleri sağlayabilir. ancak, maliyetle kritik ve hafif seviyelerin orta olduğu uygulamalar için, yüksek hacimli bir mikroskoba sahip olabilir.

Pratik Tasarım

Alıcı Front-Bit Design

Fotodiode sadece optik alıcının bir elemanıdır. TIA, post-amplifier ve saat kurtarma devreleri tüm genel performansa katkıda bulunur.For PIN tabanlı alıcılar için, TIA gürültünün hassaslığa hükmedmesi, bu yüzden APD'nin yüksek transimpedans kazanılması için en uygun şekilde doğrulanan bir baskıyı seçmek önemlidir.

Gürültü Bütçe Analizi

Sert bir gürültü bütçesi, fotoğraftan gelen gürültüyü, karanlık akım gürültüyü, SNR'den gelen aşırı gürültüyü (APDs için), TIA girişinde termal gürültüyü ve bir sonraki yükseltici aşamalardan gürültüyü hesaba katmalıdır.Bir PIN alıcı için, APD alıcı için standart formül genellikle baskındır.

TIA ve Post-Amplifier Stages ile entegrasyon

Fotodiode paketleme, alıcı performanslarında rol oynar. PIN fotodiodes genellikle doğrudan TIA ile ortak bir modülle parasitik kapasitans ve indüktörleri önlemek için bir şekilde entegre edilir. APDs, bazı satıcılarla APD alıcıları yüksek gerilimler ve önyargılı yanlı çizgiler ve hassas TIA girişi dahil olmak üzere, ticari modüller arasındaki tasarım sürecini basitleştirmelidir.

Trendler ve Gelecek Yolları

PIN ve APD performansı arasındaki tarihsel boşluk, bazı alanlarda daraltılır ve diğerleri genişlemektedir. Silikon fotonikleri, 100 GHz'yi aşan bant genişliğine sahip PIN fotodiodları etkinleştirmiş, daha düşük gürültü ile tercih edilen dedektörü elde eder. Aynı zamanda, Alman APD tasarımları, APDS gibi daha yüksek çözünürlükte veya daha düşük seslere sahip olan iki boyutlu malzemeler için tasarlanmıştır.

Mühendisler her iki teknolojinin evrimi izlemeli, çünkü performans zarfı genişlemeye devam ediyor. Çoğu pratik sistem tasarımları için, ancak APD ve bir PIN fotodiode arasındaki seçim basit ilke ile yönetilebilir: optik alıcı tasarımlarını yeterince hafife alırken, belirli bir uygulama gereksinimleri için optimize edebilirsiniz.

Daha fazla okuma için aşağıdaki kaynaklar daha derin teknik detay sağlar: [[Üyetim:0)Optica Yayıncılık Grubu[Üye Olmayanlar Üzerindeki Makaleler[Dönerge tasarım ve karakterizasyon; [[Üye Olmayanlar:2.IEEE Xplore dijital kütüphane[DÜye Olmayanlar İçin Pratik Bilgiler[DÜye Olmayanlar İçin Tıklayınız.) Bu kaynaklar alıcı tasarım ve cihaz seçimi hakkında bilgi sahibi olurlar.