Fotodiodes, modern optik alıcıların temel bina bloklarıdır, elektrik akımına optik sinyalleri dönüştüren kritik arayüz olarak hizmet eder. Performansları doğrudan hassas, hız ve fiber optik sensörlerin güvenilirliğini, performans parametrelerini ve gerçek dünya uygulamalarını keşfeder.

Fotodiode'yi anlamak

Onun özünde, yarı iletken bir cihazdır, o zaman bir iç veya dışsal olarak elektrik alanı ile ayrı bir şekilde yapılır.Bu işlevsellik, enerji ile fotoyotlar yarı iletken bantlı algılama ve düşük gürültü için tasarlanmıştır.Bu ücretsiz taşıyıcılar daha sonra bir iç veya dışsal olarak uygulanan elektrik alanı ile ayrılır, bir measurable akımdan farklı olarak, enerji kaynağı için optimize edilir.

Fotodiodes'daki Photoelektrik Etkisi

Bir fotodiode operasyonu yarı iletken olmayan bölgede foton gelen fotonların absürtmesine bağlıdır.(Dönetici) Bu işlemden daha yüksek bir elektron- deliği yaratır.[Dörtüncü)[Dönemli bir alan, elektron ve delikli) bir aradan sonra, bu işlemden gelen bir elektronu, o zaman, o zaman, o zaman, o zaman, fotonasyon bandına doğru sürüklenme bandına doğru sürüklenir.

Sorumluluk ve Kuantum Verimliliği

Optik girişte ([Dönetici:0)) [Dönetici:0)) [Dörtücüksellik[Dönetici: 9,4|Dönetici)[Dönetici[Dönetici)[Dörtücük)[Dönetici)[Dönetici))[Dönetici = 8 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Optik Alıcılar için Fotodiodes türleri

Farklı fotodiode mimarlıklar hız, hassasiyet, kazan ve gürültü. Optik alıcılarda kullanılan üç ana tip, avalanche fotodiodes (APDs), ve metal-semiktör-metal (MSM) fotodiodes. Phototransistörler bazen düşük hızda kullanılırlar, ancak yüksek performanslı alıcılarda daha az yaygındır.

PIN Photodiodes

PIN fotodiode kalın bir intrinsic (i) son derece dolanan p+ ve n+ bölgeleri arasında yarı iletken bir tabaka ekliyor.Bu, veri merkezlerinde ve yerel alandaki bağlantılar, örneğin, düşük çözünürlükte (yaklaşık 5-20 V) ve düşük çözünürlükte bulunan bir optik tabakanın çalışma noktalarıdır.

Avalanche Photodiodes (APDs)

APDs yüksek bir ters önyargı altında çalışır (tipik olarak 100-300 V) Bu fotoğraflı taşıyıcılar, ekstra elektron delikleri çiftleri etki iyonizasyon yoluyla oluşturmak için yeterli miktarda kinetik enerji kazanırlar.Bu içsel multiplikasyon etkisi 10 ila 100 $ arasında bir artış sağlar (M), aşırı gürültü faktörü ile sayısal ölçümler sunar (Döneticileri) APDS'ye kıyasla, APD'nin uzun süreli ve altta yatan fiber optik sistemlerde önemli ölçüde daha fazla artış sağlar.

Metal-Semiconductor-Metal (MSM) Photodiodes

MSM fotodiodes, yarı iletken bir absorpsiyon tabakasında depolanan interdigitated Schottky kontaklardan oluşur.Onlar birim alanında çok düşük kapasitelidir, metal elektrotlardan ve yüzey rekombinasyondan dolayı. Bununla birlikte, MSM'ler silikon veya InP platformlarında geniş ölçüde kullanılır. birincil dezavantajları daha düşük şarj edicidir (tipik olarak 0.3-0.5 A/W)

Fototransistors

Tamamen bir fotodiode olmasa da, fototransistor, foto akım iç içe transistör kazanç kullanarak (tipik olarak çiftçileri) yüksek hassasiyetler sunar ve sadece tek bir tedarik gerilimi gerektirir. Ancak, yüksek bant genişliği büyük bir eğimli kapasitanslar ve geçiş süreleri nedeniyle nadiren bulunur.

Anahtar Performans Parametreleri

Optik bir alıcı için fotodiode seçmek, birkaç bağımlı parametre dengelemek gerektirir. en önemlisi:

  • [FONT:0)Dark Current (I[DÜDÜDÜDÜ:2)[Dönetici:0)[GÜNCÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜye Olmayanlar İçin Tıklayınız. Düşük karanlık akımlar, özellikle de APDs'te, mevcut olan APD'de, ışık olay olduğunda fotodiode artış gösterir.
  • [FONT:0]Band genişlik (f[DÜDÜDÜDÜDÜ:2)[Dönetici:0)) 3 dB'nin yanıt damlalarının düşmesi ve RC zaman sabit tutma kapasitesi ve yük direncinin sabitlenmesi.
  • [FONT:0)Response Hız: [Dönetici: [Dönder: 1) Genellikle artış / düşüş zamanı olarak ifade edilir. Dijital bağlantılarda, fotodiode bireysel bitleri çözmek için yeterince hızlı olmalıdır. Overshoot ve ringing en aza indirgenmelidir.
  • [FONT:0) Hayır: [Dönetici: [Dönderlik: [Dönetici:0) Fotoğrafçı gürültü, atış gürültülerini içerir (daha karanlık akım ve fotoğraf akımlarından), termal gürültü (profeksiyondan), ve APDs'te aşırı çok fazla uygulama gürültüyü yapar.
  • [FONT:0)Gain (APDs için): ), Multiplikasyon faktörü M. Optimal gürültü artışına karşı hassasiyetsel artış kazanır. Çoğu APDs 10 ile 50 arasında M'de çalışır.
  • [FONT=0]Temperature Bağımlılık: [Dönetici: [Dönetici: [Düzg: 1) Her iki karanlık akım ve APD sıcaklık ile geçiş kazanır.

Optik Alıcılarda Fotodiodes

Optik bir alıcı, gelen modlu optik sinyali karar devreleri tarafından işlenebilir bir elektrik sinyaline dönüştürür. fotodiode ilk elementtir, transimpedans yükseltici (TIA) ve daha fazla amplifikasyon aşamalarını takip eder. alıcının duyarlılığı - verilen BER için minimum tespit edilebilir optik güç - fotodiode'nin respons ve gürültü özellikleri tarafından hükmedilir.

Doğrudan algılama alıcıları (en yaygın türü), fotodiode, TIA gürültü zeminini sağlayarak, 10 dB'ye kadar hassasiyet gösteren bir akış yaratır.For PIN alıcıları için, hakim gürültü kaynakları TIA'nın giriş gürültü ve termal gürültüyü hesaba katmalıdır. APD alıcılar, iç kazanç sağlayarak, TIA'nın gürültü zeminini doğrudan etkileyebilirler, 10 dB'ye kadar hassasiyet gösterir.

Coherent alıcılar, yüksek kapasiteli uzun mesafeli sistemlerde kullanılır, dengeli fotodiodes, faz destekli sinyalleri tespit etmek için optik hibritlerle eşleşmişlerdir. Bu fotodiodes son derece yüksek oranda düşük puan (CMRR) ve lineerity. Son gelişmeler 800 Gbps ve 1.6 Tbps koherent sistemi etkinleştirmiştir.

Doğru Fotodiode'yi seçin

Belirli bir optik alıcı için bir fotodiode seçmek sistematik bir ticaret-off analizi içerir. Anahtar düşünceler uygulamanın dalga dalgasını, biraz oranını, gerekli hassasiyetleri, dinamik aralığı ve işletim ortamı içerir. Aşağıda pratik bir seçim rehberi vardır:

  • [FONT=0)Wavelong:[DÜDÜDÜDÜT 1:0) Fotoğrafçık malzemeyi kaynağına indirge; Silikon (Si) 400-1100 nm; Almanyum (Ge) 800- nm'yi kapsar, ancak yüksek karanlık akım vardır;GaAs'da 1300-nm telecom bandı; 1700 nm'ye ulaşır; GaAs ve AlGaAs'ye daha yakın görünür.
  • Speed: 2.5 Gbps'ye kadar biraz hızlar için, standart bir PIN fotodiode yeterli. 10 Gbps ve ötesinde, küçük aktif bir alanla bir PIN kullanın (<50 μm çapında) veya dalga kılavuz fotodiode. APDs genellikle aynı teknoloji nesli için PIN'lerden daha düşük bant genişliğine sahiptir. MSMs 100 GHz'ler 100 GHz'yi geçebilir.
  • [FONT=0)Sensitivite:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici:0)[Dönetici:[Dönetici:0))Eğer alıcı duyarlılığı kritik ve bütçe daha yüksek önyargılı gerilim ve sıcaklık kontrolüne izin verirse, bir APD’yi tercih edin.
  • [FONT=0]Dynamic Range:[Dynamic Range:[DDynamic Range:[DDynamic Range:[DDDynamic Range:[DDDDDynamic Range:[DDDDynamic Range:[DDDDynamic Range:[DDynamic Range:[Dynamic Range:[Dynamic Range:[Dynamic Range:[Dynamic Range:[Dynamic Range:[Dy)))
  • [FONT:0)Environmental Koşullar: Sıcaklık ve radyasyon toleransı önemlidir. . soğutmalı modüllerde (örneğin, 5G önhaul), sıcaklık-kompanlar APD önyargı devreleri temel alır. Uzay uygulamaları için, radyasyon-zık fotodiodlar özel doping profilleri kullanılır.

Detaylı ürün seçimi için, birçok üretici online araçlar sağlar.ETHFLT:0)Thorlabs' fotodiode seçim kılavuzu[[Dönetici: 1) Birden çok malzeme ve paketler arasında iyi bir başlangıç noktası sunar.

Optik Alıcılarda Fotodiodes Uygulamaları

Fotodiodes, her biri eşsiz performans talepleri olan bir uygulama listesinde kullanılır:

Fiber-Optic İletişim

Bu en büyük pazardır. PIN ve APD fotodiodes, erişim ağlarında transceivers olarak kullanılır (GPON, EPON), metro /bölgesel bağlantılar ve uzun süredir süren denizaltı kabloları. 10G, 25G, ve 100G doğrudan algılama bağlantıları, 100G ve üstü koherent bağlantıların üzerinde dengeli fotodiodes kullanıyor. 800G ve 1.6T standartları yüksek bant genişliği için talep ediyor, düşük hacimli fotodektörler, silikon fotoniklerle entegre.

LIDAR (Işık Tespit ve Ranging)

Özerk araçlarda LIDAR sistemleri ve uzaktan algılama, APDs veya tek foton avalanche diyotları (SPADs) zayıf yanlı pulları tespit etmek için çok önemlidir.Göçücüklerde yüksek kazanç ve düşük aşırı gürültüler yüksek oranda önemlidir.InGaAs APDs 1550 nm göz güvenliği için tercih edilir ve güneş arka planlarında son iş.

Tıbbi Görüntüleme ve Biyosensors

Fotodiodes, optik koherens tomografi (CT) tarayıcılar ve floresan dedektörleri için mükemmel bir şekilde sabit ve yakın bir şekilde yüksek kuantum verimliliği sağlar.In optik koherence tomografi (OCT), yüksek hızlı fotodiodes gerçek zamanlı 3D görüntüleme sağlar.In-vivo biosensor, fotodiodes with low dark current and high stability are required.

Spectroskop ve Çevre İzleme

Multispectral fotodiode dizileri, gaz analizörleri, UV-visible spectrometreler ve hiperspectral görüntüleme. Back-thinned CCDs ve CMOS görüntü sensörleri aslında düşük ışık ve yüksek gürültü performansı için optimize edilmiştir.

Industrial Otomasyon ve Güvenlik

Fotodiodes ışık perdeleri, lazer güç metre ve pozisyon ve yerinden edilme ölçümleri için fiber optik sensörler hizmet eder.Bu uygulamalarda önbellekli bir filtre ile paketlenmiş olan PIN fotodiodes yaygındır.

Son Yenilik ve Gelecek Yollar

Fotodiode teknolojisi alanı hızla gelişmeye devam ediyor. Anahtar eğilimleri şunları içerir:

  • [FONT:0]Silicon Photonics Integration: Monolithic integration of Germanyium fotodiodes on silikon dalga kılavuzları olgun bir teknoloji haline geldi, bir CMOS platformunda yüksek hızlı alıcılar sağlar.
  • Graphene ve 2D Malzeme Fotodetectors: Graphene fotodiodes yüksek taşıyıcı hareketliliği nedeniyle ultra yüksek bant genişliği (yüzde 500 GHz) sunuyor. Ancak, düşük absorpsiyonları (<2) kuantum dots veya plasmonik antenler ile ilgili olarak temeller.
  • [FONT:0) Tek foton Avalanche Diodes (SPADs): [DDDs, yukarıdan çıkan gerilimin tek fotonları tespit edebilir, kuantum anahtar dağılımı (QKD), zaman ayarlı travmatik, CMOS SPAD dizilerinde uzun vadeli ilerlemeler karar ve zamanlama doğruluğunu doğrulayabilir.
  • APDs with Reduced Excess Gürültü: InAlAs/InGaAs separate absorpsiyon ve multiplikasyon (SAM) APDs, SiGe APDs olarak, geleneksel InP APDs ile kıyasla daha düşük gürültü faktörleri elde edin.
  • [FONT:0) Yüksek Güç İşleme: [Dönetici: [Döntgenlik: 0,8|Döntgenlik: 0,0) Düşük bozulma ile yüksek optik güç (örneğin, düşük çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan fotodiodlar optimize edilmiş termal yönetim ile paralel olarak.

Bu yenilikler, bir sonraki optik alıcıların nesli şekillendiriyor, daha hızlı veri oranlarına, daha yüksek hassasiyete ve yeni uygulama alanlarına izin veriyor.Sürekli araştırma için kapsamlı bir inceleme için, bakınızFLT:0).Bu Optik iletişim için fotodetektörler üzerinde makale).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Fotodiodes optik alıcıların kalbinde kalır, optik sinyalleri yüksek verimlilik, hız ve düşük gürültü ile elektrik akımına dönüştürür. PIN, APD ve MSM fotodiodes arasındaki seçim, LIDAR ve kuantum fotoniklerin belirli gereksinimlerine bağlıdır, hassaslığa ve maliyete ulaşır. - sorumlu tasarımcılara ve paketlemeye yönelik temel olarak, alıcı performanslarını optimize etmek için gerekli olacaktır.