Вступ до фотодіодів у оптичних ресиверів

Оптичні системи зв'язку спираються на фотодетектори для перетворення світлових сигналів в електричні струми. Два домінантних фотодетекторних типів - фотодіоди PIN і фотодіодів авальнище (APDs). У статті порівнювати їх структури, роботу і продуктивність, щоб допомогти вибрати відповідний детектор для різних додатків. Розуміння цих компонентів є важливим для проектування ефективних оптичних ресиверів у телекомунікацій, сенсування і за її межами.

Фотодіод PIN

Структура та робота

Фотодіоди PIN мають шаровану структуру, що складається з важко доped p-типової області, внутрішньогінного (необґрунтованого) напівпровідника шару, і сильно доped n-типової області. Інтринічний шар розширює область виснаження, що дозволяє ефективно засвоювати фотон. Коли фотони з енергією більше, ніж напівпровідниковий смугап надходить в цей шар, вони генерують електрон-холеми пари. Ці носії потім розкручуються, використовуючи зворотний бік, виробляють фотострумну пропорційну до інциденту оптичну потужність. PIN діоди працюють на низьких Bias напругах, як правило, між 5 і 20 летами, і пропонують надли, що надлишок, що надли, що надлишок, що забезпечують високу якість, що надлишок, що надлишок, що надходить, що надлишок, що надходить, що надлишок, що, що, що, що надлишок, що робить це, що робить це, що надлишок, що надлишок, що робить це, що надлишок, що робить їх, що робить їх, що

Основні властивості

  • Висока швидкість: пропускна здатність перевищила 40 ГГц через короткі транзитні часи перевізника в внутрішньоінтрицевому регіоні.
  • Довге шум]: Ні багаторазовий шум; тільки ударний і тепловий шум сприяє підвищенню співвідношення сигналу.
  • Low bias: Вимагає мінімальну напругу, спрощує проектування електроживлення та зменшення споживання електроенергії.
  • Materials]: Кремнієвий для видимих хвильових довжин (400-1100 нм) і індію глієєвого арсеніду (InGaAs) для ближнього інфрачервоного (900-1700 нм) використовується в волоконно-оптичних оптиках. Для отримання більш докладної інформації див. PIN diode Вікіпедія сторінки].

Avalanche Фотодіоди

Структура та багатозастосування

APDs також має структуру p-i-n, але включають в себе високополе поле, де удар іонізація посилює фотопоточний. Коли фотон виробляє первинну електрону-холеву пару, носії прискорюють в електричному полі, набравши достатню енергію для іонізації інших атомів. Це створює вторинні пари, що призводять до ефекту багатозастосувань авальни. коефіцієнт посилення, як правило, від 10 до 1000, залежить від накладної біологічної напруги і дизайну пристрою. APDs вимагають більш високих напруг, часто перевищує 100 вольт, і отримання є помірним, що вимагає компенсацій. Цей внутрішній приріст підвищує чутливість.

Шукаю і гайн-торгівля

Надлишок шумоутворювача, що характеризується k-value (ratio of ionization коефіцієнтів для електронів і отворів), визначає продуктивність шуму. Низькі k-values результат менше шуму, і матеріали, такі як InAlAs і SiGe оптимізовані для цього. Незважаючи на шум, APD може виявити слабкі оптичні сигнали, які будуть нерозпушуються від шуму в фотодіоді PIN, що робить їх незамінними для довгого і фотон-старих систем. Для подальшого читання, зверніться до / avalanche Photodiode Вікіпедія []

Порівняльний аналіз: PIN проти APD

Чутливість і чуйність

Відповідність вимірює фотопоточну за одиницю припадку оптичної потужності. Для діодів PIN, чутливість обмежена квантовою ефективністю, як правило, 0,5 до 1,0 A / W для InGaAs на 1550 нм. APD ефективна чуйність багатопліфікована фактором набуту, потенційно перевищує 100 A / W. Чутливість, мінімальна виявлена оптична потужність, становить близько 10 дБ краще для APD. Наприклад, 10 Gbps APD приймач може досягати -28 чутливість до DBm, порівняно з -18 dBm для PIN-приймача. Ця різниця є критичною для систем з[: 0F: 0F: 0F: 0F: 0F: 0F: 0F: 0F: 0

Швидкість та швидкість

PIN фотодіоди, як правило, пропонують більш високі смуги, тому що транзитний час перевізника є коротким, і не існує багатозастосувань затримки. Комерційні пристрої PIN перевищують 40 ГГц, підтримують дані, до 100 Gbps і за її межами. APDs мають меншу пропускну здатність через час, необхідний для багатозастосувань і більш тривалих шляхів перевізника, як правило, 1 до 10 ГГц, хоча передові конструкції можуть досягати 20 ГГц. Для швидкісних додатків вище 40 Gbps, PIN фотодіоди зазвичай популярні.

Шукаю роботу

PIN діоди випускають менший загальний шум, оскільки вони не мають багатозастосувань шуму. Домінантні джерела шуму включають ударний шум від фотострумного і теплового шуму від резистора навантаження. шум APD посилюється разом з сигналом, а надлишок шуму фактор підвищує загальний шум. Сигнал-в-незовий коефіцієнт (SNR) може бути оптимізований, вибравши відповідне посилення і напругу bias. Для швидкісних систем низькознімний підсилювачі перенапруження (TIAs) допомагають пом'якшити шум APD.

Напруга і комплексність Bias

PIN-коди працюють на низьких відводах (5-20 V) з недбалим споживанням електроенергії, спрощення дизайну електроживлення. APDs вимагають високої якості (50-200 V) і часто компенсація температури для стабілізатора, додаючи складності і вартості. Вбудовані модулі з вбудованими регуляторами доступні, але збільшення габаритних розмірів системи і розподілу потужності. Для акумуляторних або компактних пристроїв PIN-коди вигідні.

Застосування в оптичних системах зв'язку

Високошвидкісні посилання на дані з PIN-кодами

Фотодіоди PIN - це стандартний вибір для коротко-середніх посилань з щедрими бюджетами посилань. Вони використовуються в 10 Gigabit Ethernet (10GBASE-SR/LR/ER), 40 Gbps, 100 Gbps систем, що використовують паралельні оптики або поділу довжини хвилі (WDM). У мережах метро та доступу PIN ресивери з TIAs пропонують економічно ефективні рішення. Їх лінійність і низьке спотворення також роблять їх придатними для аналогових оптичних посилань, таких як радіо-over-fiber Systems. Крім того, PIN діоди служать високошвидкісними оптичними з'єднаннями в дата-центрах.

Системи високої чутливості з APD

APDs ексселер в системах зв'язку з віддаленими каналами зв'язку, включаючи підводні кабелі та ядра мережі, де оптична потужність сильно загартована. Вони також використовуються в вільно-просторовому оптичному зв'язку (FSOC) і LIDAR (Light Detection і Ranging) системи для виявлення слабких відбиття. У оптичних часових рефлекторах (OTDRs), APDs дозволяють заднюванню розкатування сигналів на довгих волоконних проміжках. Фотон-звітання APDs, зміщені в режимі Geiger, застосовуються в квантовому розподілі ключ (QKD) і однофотозймія. Висока чутливість передачі для безперебійних ПК дозволяє більше

Вибір Критерії для оптичного ресивера дизайну

При розробці оптичного ресивера інженери оцінювати швидкість даних, бюджет зв'язку, толерантність до шуму і вартість. Для швидкісних посилань з достатними запасами потужності, фотодіоди PIN пропонують простоту і низьку вартість. Для низької швидкості застосування високочутливості, APD забезпечують необхідний приріст. Корекція похибки (FEC) може розслабити вимоги чутливості, потенційно вигідно вигідні рішення PIN. У лопцевих ресиверів для пасивних оптичних мереж (PON), APDs містить великі динамічні діапазони. Випромінюючи стандарти, такі як 800 Gbps Ethernet може використовувати PIN-приймачі з передовою обробкою цифрових сигналів (DSP). Вибір повинен балансувати продуктивність, складність, складність, складність, складність, складність, складність, складність, складність, складність, складність, складність, бюджет і бюджет і бюджет і бюджет і бюджет.

Технології фотодетектора

Дослідження продовжує покращувати продуктивність PIN і APD. Для діодів PIN, зусилля зосереджені на збільшенні пропускної здатності з використанням матеріалів, таких як графен і зменшення темного струму. У APD цілі включають зниження зайвого шуму при підтримці високого набору матеріалів, таких як SiGe, InAlAs і III-V сполук. Окреме поглинання, гравірування, заряд і багатозастосувань (SAGCM) структури підвищують продуктивність. Однофотон авальанч діод (SPADs) є привабливим для квантових комунікацій і часових ліхтарів. Інтеграція фотодетекторів з електронними засобами CMOS на силіконових платформах

Висновок

Фотодіоди PIN і авальанч фотодіоди є фундаментальними компонентами в оптичних ресиверів, кожен пропонує відмінні переваги. Диоди PIN забезпечують високу швидкість, низький шум і простоту для високо-data-rate, короткочасних додатків. APDs забезпечує високу чутливість за вартістю вищого шуму і складності для довгозахисту і фотон-старедних систем. Вибір залежить від конкретних вимог, таких як швидкість даних, обмін посиланням і вартість. Як технологія розвивається, обидва типи продовжують натискати межі оптичної можливості зв'язку.