Optik Alıcılarda Avalanche Fotodiodes'a Giriş

Optik alıcılar modern iletişim sistemlerinin arka kemiği oluşturur, modize ışık sinyalleri işleme için elektrik akımlarına dönüştürür. Bu tür bir alıcının ön ucundaki fotodetektör, bağlantının özellikle de optik gücünün düşük olduğu uygulamalarda, uzun uzay bağlantıları ve LIDAR aralıkları kullanarak, aynı zamanda görselleri kullanarak tekrarlayarak, uygulama analizlerini sağlar.

Avalanche Photodiodes Work

Bir avalanche fotodiode aslında yüksek bir tersyüzlülüğün altında ameliyat edilen yarı iletken bir p-nişmandır. Fotoğraflı bölge, elektron delik çiftleri üretir. Güçlü elektrik alanı altında, bu birincil taşıyıcılar, ikincil elektron- deliği yaratarak, her fotoğraf makinesinin tam olarak çoğalması gereken bir işlemden elde edilen bir işlemdir.

APDs'lerin Anahtar Faydaları

Yüksek Hassasiyet ve İç Fırsatlar

APD'nin yerleşik olması, optik amplifikasyon olmadan doğrudan bağlantıya geçilmesine olanak sağlar. Örneğin, 10 Gbps veya 25 Gbps doğrudan doğrulayıcı alıcı alıcılar tarafından gerekli olan kontrol alıcıları, APDs, sinyalin yüksek olduğu uzun mesafe fiber optik sistemlerde, bu hassaslık, yüzlerce kilometreye kadar fiber bağlantıya doğrudan katkı sağlar. Örneğin, 10 Gbps veya 25 Gbps doğrudan alıcı devrede, düşük güç alınan düşük güçte bulunan düşük güçten gelen yüksek sesle alıcı gücü artırmaktadır.

kuantum anahtar dağıtım veya tek foton sayma gibi zayıf imza uygulamaları için, optik iletişimdeki APD'lerin temelleri üzerinde yapılan özelleştirilmiş APDsler (above the broken voltaj) bireysel fotodiodes tespit etmek için yeterince büyük kazanır.Bu özellik sadece lineer-mode model özellikleri ile mümkün değildir.

Yüksek Hız Sistemleri için Hızlı Yanıt Zamanı

APDs, 10 GHz'yi aşan bant genişliğine rağmen, onları metro ve erişim ağlarında kullanılan yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan optik alıcılar için uygun hale getirebilir. yanıt hızı, devre dışı bırakma süresiyle belirlenir (konuşturma bölgesi ve zaman sabitleme süresi ile) ve amortif akışlar için sürekli olarak yapılır.

Geliştirilmiş Signalto-Noise Orantı

İlk bakışta, avalanche süreci, düşük optik güçte çalışan stochastic doğası nedeniyle aşırı gürültüyü ortaya koyar, APD'nin gürültü zeminine üzerindeki net etkisi, bir alıcıdan daha yüksek bir artışla sonuçlanır.Bu gelişme, birincil fotoğraftaki yükselticileri ve özellikle düşük optik güçte çalışanlar, APD'nin gürültü katlarındaki standart bir artışla en iyi şekilde azaltımı sağlar.

Broad Spectral Response

APDs, silikon (Si) ve tıbbi görüntüleme dahil olmak üzere çeşitli yarı iletken malzemelerden imal edilebilir.InGaAs APDs (GaAs) Silikon APDs'in düşük boyutlu optik μm'ye kadar hassas olduğunu, onları 905-küresel görüntülemede ideal hale getirmekte ve 905-150-150mm aralığındaki yüksek çözünürlükte (düşük) yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte otomatik olarak 905-küremeler geliştirmektedir.

APD Uygulamalarında Meydanlar

Yüksek İşletim Gergeği Gereksinimleri

APDs, önyargı gerilimi genellikle 50-400 V aralığında, malzeme ve cihaz yapısına bağlı olarak gerektirir. Bu, PIN fotodiodes için kullanılan 5-12 V'den daha yüksektir. Bu nedenle, yüksek gerilimler elde etmek için doğrudan yüklenebilir ve gürültüyü sağlar.Bu nedenle, APD alıcıları genellikle yüksek gerilimler ile birlikte yüksek gerilimler sağlar.

Avalanche Multiplication'dan Fazla Gürültü

Bu nedenle silikon APDs için daha düşük (F 100) elde edilen aşırı gürültünün ötesinde aşırı gürültü yaratır. Buna karşılık, transistörlerin daha iyi bir oranına sahip olduğu aşırı gürültü faktörü F (M), bu aşırı gürültüyü, elde edilen artışın artması nedeniyle % 2-4'ü azaltır.InspAs APDs'in daha iyi bir sinyale sahip olması gerekir, çünkü benzer kazanımlarda 6-10'a ulaşabilen aşırı gürültüyü daha yüksek seviyelere ulaştırır.

Sıcaklık Hassasiyeti ve Kararlılığı

Bir APD'nin iyonizasyon katları ve bozulması güçlü bir şekilde ısıya bağımlıdır. Tipik olarak, kırılma gerilimi, performansa göre sıcaklık artışlarını 0.1-1 V /°C ile silikon cihazlar için ve 2-4 °C'ye kadar, bir yüksek çözünürlükte sabit kalırsa, aktif sıcaklık kontrolü (örneğin, ısıtımı) veya basınç artışı performansı korumak için gerekli olan hasarı azaltır.

APDs'te ayrıntılı sıcaklık etkileri, tazminat teknikleri dahil olmak üzere avalanche fotodiodes üzerinde ayrıntılı bir tartışma sağlanır:0)Hamamatsu'nın APDs'teki teknik notları), çevresel aşırılıkta stabilizasyon için pratik yöntemlere işaret eder.

İmalat Kompleksi ve Maliyet

APD'lerin azaltılması, ileri epit aksiyel büyüme, kesin doping profilleri ve çok fazla çoğalmanın kontrol edilmesi, basitleştirici ve çok fazla uygulama (SACM) içinde kullanılan yapılar, aşırı karanlık veya prezotik adımlara neden olabilir.Bu faktörler, daha pahalıya mal olan APDs'ler genellikle daha yüksek çözünürlükte ve yüksek çözünürlükte olan APDS'ler ile daha yüksek maliyetlidir.

PIN Photodiodes ile Karşılaştırma

PIN fotodiodes, alınan güç yüksek olduğu sistemlerde en yaygın fotodetektör olarak kalır ve düşük maliyetle yapılır. Ancak, sinyalin tüm yüküne işaret eder ve APD'nin kazanç avantajına dönüşür.TIA'nın gürültünün yüksek olduğu sistemlerde, APD'nin yüksek oranda iyileştirilmesine ve doğrudan zarar verebilir.

Lineerlik ve dinamik aralık açısından, PIN'ler genellikle küçük bir kenara sahiptir, çünkü doğrusal olmayan multiplikasyon işleminden yoksundurlar. APDs, özellikle yüksek kazanımlarda, ancak, karar eşiğinin ikili olduğu dijital modulation formatları için, bu doğrusal olmayanlık genellikle kullanılabilir. analog optik bağlantılar (örneğin, kablo televizyonu dağıtım), APDs hala kullanılabilir ancak kazançları korumak için düşük olmalıdır.

Avalanche Fotoğraflar

FiberOptic İletişim

Uzun ve metro optik ağ APDs için en büyük ticari pazardır. 10 Gbps ve 25 Gbps sistemlerde APD tabanlı alıcılar, 25 GHz'nin ötesindeki bağlantının 200G / 400G Ethernet gibi 50 Gbps'ye ulaşmasına izin veriyor.In 40 Gbps ve 100 Gbps sistemleri, APDS'de optik algılayıcı veya doğrudan algılama ile birlikte nm üzerinde çalışabiliyorlar.

LIDAR Systems

LIDAR (Işık algılama ve Ranging) tam olarak lazer pulslarının zaman ışığının ölçülmesi veya çalması için kullanılır.APDs, düşük çözünürlükte, yüksek çözünürlükte (veya SiPM) ile aynı anda birden fazla puan satın alma sağlar.

Kuantum Optik ve Single-Photon Tespit

kuantum bilgi bilimi, tek foton dedektörleri önemlidir. Geiger-mode APDs (G-APD) çok yüksek algılama efficileri (örneğin, optik optik cihazlar için %90'a kadar) düşük zamanlama jitterler için kullanılırlar, ancak kapılı bir operasyonda ve süper iletken nano-fotozonlu deneylerden dolayı çok daha düşük performanslar sunarlar.InGaAs/InP GAPD'ler fiber tabanlı QKD için yakınlarda kullanılırlar, ancak kontrol edilirler için daha iyi bir şekilde çalışırlar.

Tıbbi Görüntüleme ve Spetroskop

Silikon APDs, düşük enerjili gama ışınlarının tespitini sağlar. APDs ayrıca düşük ışık biyomedikal görüntüleme sistemlerinde görünür ve yakınlarda görünür ve yakın bir şekilde ortaya çıkar, APDs'in yüksek hassasiyet ve hızlı yanıtın gerekli olduğu gibi, yüksek hassasiyet ve hızlı yanıtın gerekli olduğu gibi, APD'lerin düşük maliyetli biyomedikal görüntüleme sistemlerindeki tepkinin tespit edilmesine olanak sağlar.In spectroskopi, APDs gibi görünür ve yakınlardaki farklı floresan işaretleyicilerin kullanımına olanak sağlar.

APD-Based Alıcılar için tasarım dikkate alınır

Bir APD'yi bir alıcıya entegre etmek birkaç tasarım yönüne dikkat gerektirir. önyargı kaynağı, sıcaklık ve yaşlanma tazminatı için ayarlanabilir bir stabilizatör sunar. Birçok tasarımcı, düşük bir sistem rayından yüksek gerilim üretmek için DC-DC dönüştürücüyü kullanabilir.

Gürültü mitigation aynı zamanda kritiktir. APD, güç toplamasını engellemek için TIA'ya yakın bir şekilde yaklaşılmalıdır.Sürekli tasarımlarda, aksi takdirde gürültüyü azaltır ve gürültüyü arttırır. Genellikle APD ve TIA tek bir alıcı paketine entegre edilirken, bir yanlış hattın kullanılması ve filtrelemesi, güç toplamasını engellemek için gereklidir.

Geiger-mode işlemi için, bir giderleme işlemi, bir kez fotoğraf makinesinin tespit edilmesi ve ardından bir sonraki olay için APD'yi geri yüklemesi gerekir. Pasif gidering, hızlı elektronikleri doğrudan kutup gerilimi sıfırlamak için çalışırken, daha yüksek sayma programı seçimi gerekli ölü zamana ve sonra olasılıktan bağlıdır.

Son gelişmeler ve Future Yollar

Araştırma, APD performansını daha da ileri sürmeye devam ediyor. Fiber optik alanda, 50 GHz'in üzerindeki bant fotodiodları, gelişmiş tabaka yapıları ve rezonanslarda yeni uygulamalar kullanılarak ortaya çıkabilir ve test edilebilir tasarımlar da, GeSn gibi malzemelerin kullanımı, Si'nin orta tabanlı APDs'i orta ölçekli APD'lere uzatabilme olasılığını sunar.

Dijital SiPMs (Geiger-mode APDs'in bütünleşik okuma ile) tek foton duyarlılığını zaman çözümleyici yetenekleriyle birleştiren güçlü görüntüleme cihazları olarak ortaya çıkıyor. Zaten zaman zaman ışığında PET'de kullanılıyor ve LIDAR ve 3D görüntüleme için inceleniyor.

Mühendislikte iyonizasyon oranı sürekli bir hedeftir.Bir InGaAs APDs'te bir InAlAs multiplikasyon tabakası şovu, eski InP tabanlı tasarımlarla kıyasla daha yüksek gürültü performansına kıyasla yüksek oranda gürültü sunmaya devam eder ve “kullanış” silikon APDs görünür dalgalar için düşük gürültü sunmaya devam eder.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Avalanche fotodiodes, birçok optik alıcıda vazgeçilmez hale gelen içsel kazanç, hız ve dalga boyun eğlendirici bir kombinasyon sunar. Yüksek hassasiyetleri, optik sistemlerde daha uzun iletim mesafeleri sağlar, LIDAR'da gelişmiş ve tek foton algılaması, ancak, bu avantajlar daha yüksek önyargılı gerilim, sıcaklık duyarlılığı, aşırı gürültü ve üretim karmaşıklığına sahip olmalıdır. Başarılı sistem tasarımı, daha hassas bir şekilde ticari-gerileme ve sıcaklık kontrolü için daha fazla devre dışı.Yeni malzemeler ve cihaz yapıları olgunlaşırken, APDs muhtemelen daha hızlı bir şekilde büyümeye ve yaygın bir şekilde kabul edilebilir hale gelmek için daha hassas bir şekilde, daha hassas bir şekilde, daha hassas bir şekilde kontrol edilebilir.