Szerokość pasma i czułość fotodetektora

Przepustowość i responsywnośćfotodetektor
WybierającFotodetektor InGaAsWszyscy oczekują tych samych parametrów: pasma powyżej 10 GHz i responsywności powyżej 0,9 A/W. Po przejrzeniu instrukcji obsługi odkryłem, że te dwie wartości nigdy nie pojawiają się na tym samym urządzeniu. Pasmo wysokiej responsywności wynosi zaledwie 0,5 A/W lub nawet mniej, a pasmo wysokiej responsywności to zaledwie kilkaset MHz. Nie jest to problem techniczny producenta – pasmo i responsywność są z natury sprzeczne z punktu widzenia fizyki i nie można mieć ich obu naraz.
Przepustowość i responsywność to nieodłączna sprzeczność fizyczna, wynikająca z krytycznego parametru grubości warstwy absorpcyjnej. Zwiększenie grubości warstwy absorpcyjnej może poprawić wydajność kwantową (a tym samym zwiększyć responsywność), ale wydłuży czas przejścia nośników ładunku (a tym samym zmniejszy przepustowość); i odwrotnie. Dlatego w projektowaniu standardowego fotodetektora PIN nie można osiągnąć tych dwóch celów jednocześnie i konieczne jest znalezienie kompromisu.
Plan przełomu w branży:
W artykule przedstawiono trzy zaawansowane rozwiązania technologiczne, które mają na celu przełamanie tej sprzeczności:
Detektor typu falowodowego (WGPD): oddziela kierunek propagacji światła od kierunku dryfu nośników ładunku i może jednocześnie osiągnąć dużą szerokość pasma (>40 GHz) i wysoką czułość (>0,9 A/W), ale proces ten jest skomplikowany, a koszty wysokie.
Fotodetektor jednokierunkowego transportu nośnych (UTC-PD): wykorzystuje do dryfu wyłącznie szybkie elektrony, eliminując ograniczenie czasu tranzytu dziur wolnoobrotowych, może osiągnąć wyjątkowo dużą przepustowość (>100 GHz) i jest powszechnie stosowany w szybkiej komunikacji i polach terahercowych.
Fotodetektor z rezonansową wnęką wzmocnioną (RCE): Wykorzystuje optyczną wnękę rezonansową w celu zwiększenia absorpcji światła w cienkiej warstwie absorpcyjnej, co pozwala na zwiększenie wydajności kwantowej przy jednoczesnym zachowaniu dużej szerokości pasma, jednak szerokość pasma roboczego (zakres widmowy) jest bardzo wąska.
Sugestie dotyczące wyboru projektu:
Wyjaśnij priorytet wymagań: Najpierw określ minimalne wymagania dotyczące szerokości pasma dla fotodetektora na podstawie szerokości pasma sygnału systemu (z marginesem 3-krotności), a następnie wybierz model o najwyższej czułości w tych warunkach.
Zwróć uwagę na wskaźniki na poziomie systemu: Oceniając fotodetektor, należy zwrócić uwagę na równoważną moc szumu (NEP) i czułość systemu, a nie tylko na czułość, ponieważ wysoka czułość może wiązać się z wysokim poziomem szumu.
RozważaćFotodetektor APDw scenariuszach o niskim poborze mocy: gdy moc padającego światła jest bardzo niska (np. <-30 dBm), wewnętrzne wzmocnienie fotodiody lawinowej (fotodetektor APD) można wykorzystać do skompensowania braku reakcji, należy jednak zwrócić uwagę na jej nadmierny szum.
Wybór WGPD przy wysokich wymaganiach i wysokim budżecie: Jeśli system wymaga zarówno dużej przepustowości (>20 GHz), jak i wysokiej czułości (>0,8 A/W), standardowe detektory PIN nie spełniają wymagań i należy od razu rozważyć detektory typu falowodowego (WGPD).
Wniosek:
Kompromis w zakresie przepustowości standarduFotodetektor PINJest to nieodłączne ograniczenie fizyczne. Aby je pokonać, konieczna jest innowacja w konstrukcji urządzenia, która fizycznie oddzieli ścieżkę absorpcji światła od ścieżki tranzytu nośnej. Rozwiązania high-end charakteryzują się doskonałą wydajnością, ale wysokimi kosztami, dlatego w praktyce inżynierskiej konieczne jest znalezienie kompromisu między konkretnymi scenariuszami zastosowań, wymaganiami wydajnościowymi i budżetem.