Fotodetektora joslas platums un jutība

Joslas platums un reaģētspējafotodetektors
IzvēlotiesInGaAs fotodetektors, visi vēlas vienādas specifikācijas: joslas platumu virs 10 GHz un reaģētspēju virs 0,9 A/W. Pāršķirstot datu rokasgrāmatu, es atklāju, ka šie divi skaitļi nekad neparādās vienā un tajā pašā ierīcē. Augstas joslas platuma reaģētspēja ir tikai 0,5 A/W vai pat zemāka, un augstas reaģētspējas joslas platums ir tikai daži simti MHz. Tā nav tehniska problēma ar ražotāju — joslas platums un reaģētspēja fizikā ir pretrunīgi, un abus nevar būt.
Joslas platums un jutība ir iekšēja fiziska pretruna, kuras pamatā ir absorbcijas slāņa biezuma kritiskais parametrs. Absorbcijas slāņa biezuma palielināšana var uzlabot kvantu efektivitāti (tādējādi uzlabojot jutību), bet tā pagarinās lādiņnesēju tranzīta laiku (tādējādi samazinot joslas platumu); otrādi. Tāpēc standarta PIN fotodetektora projektēšanā abus nevar panākt vienlaicīgi, un ir jāpanāk kompromiss.
Nozares izrāviena plāns:
Rakstā ir aprakstīti trīs augstas klases tehnoloģiskie risinājumi, kuru mērķis ir pārvarēt šo pretrunu:
Viļņvada tipa detektors (WGPD): atdala gaismas izplatīšanās virzienu no lādiņnesēju dreifa virziena un vienlaikus var sasniegt lielu joslas platumu (>40 GHz) un augstu jutību (>0,9 A/W), taču process ir sarežģīts un izmaksas ir augstas.
Vienvirziena nesējsignālu pārneses fotodetektors (UTC-PD): Izmantojot tikai ātrgaitas elektronus dreifai, novēršot lēnas darbības caurumu tranzīta laika ierobežojumus, tas var sasniegt ārkārtīgi lielu joslas platumu (>100 GHz) un tiek plaši izmantots ātrgaitas sakaros un terahercu laukos.
Ar rezonanses dobumu pastiprināts fotodetektors (RCE): Izmantojot optisko rezonanses dobumu, lai uzlabotu gaismas absorbciju plānā absorbcijas slānī, tas var uzlabot kvantu efektivitāti, vienlaikus saglabājot augstu joslas platumu, bet darbības joslas platums (spektrālais diapazons) ir ļoti šaurs.
Ieteikumi projektu izvēlei:
Precizēt prasību prioritāti: vispirms nosakiet fotodetektora minimālo joslas platuma prasību, pamatojoties uz sistēmas signāla joslas platumu (ar 3 reižu pielaidi), un pēc tam izvēlieties modeli ar visaugstāko reaģētspēju šajos apstākļos.
Pievērsiet uzmanību sistēmas līmeņa indikatoriem: Novērtējot fotodetektoru, uzmanība jāpievērš trokšņa ekvivalentajai jaudai (NEP) un sistēmas jutībai, ne tikai reaģētspējai, jo augsta reaģētspēja var būt saistīta ar augstu trokšņa līmeni.
ApsverietAPD fotodetektorsZemas jaudas scenārijos: ja krītošās gaismas jauda ir ļoti zema (piemēram, <-30 dBm), lavīnas fotodiodes (APD fotodetektora) iekšējo pastiprinājumu var izmantot, lai kompensētu reaģētspējas trūkumu, taču uzmanība jāpievērš tā radītajam pārmērīgajam troksnim.
Viļņvada tipa detektoru (WGPD) izvēle ar augstām prasībām un lielu budžetu: ja sistēmai ir nepieciešams gan liels joslas platums (>20 GHz), gan augsta jutība (>0,8 A/W), standarta PIN detektori nevar izpildīt prasības, un tieši jāapsver viļņvada tipa detektori (WGPD).
Secinājums:
Standarta joslas platuma reaģētspējas kompromissPIN fotodetektorsir raksturīgs fizisks ierobežojums. Lai to patiesi pārvarētu, ir nepieciešamas inovācijas ierīču struktūrā, lai fiziski atdalītu gaismas absorbcijas ceļu no nesēja tranzīta ceļa. Augstas klases risinājumiem ir lieliska veiktspēja, bet augstas izmaksas, tāpēc inženiertehniskajā praksē joprojām ir jāpanāk kompromiss starp konkrētiem pielietojuma scenārijiem, veiktspējas prasībām un budžetu.