Šířka pásma a citlivost fotodetektoru

Šířka pásma a citlivostfotodetektor
Při výběruInGaAs fotodetektor, všichni chtějí stejné specifikace: šířku pásma nad 10 GHz a citlivost nad 0,9 A/W. Po prolistování manuálu s údaji jsem zjistil, že tato dvě čísla se nikdy neobjevují na stejném zařízení. Odezva u vysoké šířky pásma je pouze 0,5 A/W nebo i nižší a šířka pásma s vysokou odezvou je jen několik stovek MHz. Nejde o technický problém výrobce – šířka pásma a citlivost jsou ve fyzice inherentně protichůdné a nelze je mít obojí.
Šířka pásma a citlivost jsou inherentním fyzikálním rozporem, zakořeněným v kritickém parametru tloušťky absorpční vrstvy. Zvětšení tloušťky absorpční vrstvy může zlepšit kvantovou účinnost (a tím zvýšit citlivost), ale prodlouží dobu průchodu nosičů náboje (a tím snížit šířku pásma); a naopak. Proto při návrhu standardního PIN fotodetektoru nelze dosáhnout obou současně a je nutné učinit kompromis.
Plán průlomu v oboru:
Článek představuje tři špičková technologická řešení, jejichž cílem je tento rozpor prolomit:
Detektor vlnovodového typu (WGPD): Odděluje směr šíření světla od směru driftu nosičů náboje a může současně dosáhnout vysoké šířky pásma (>40 GHz) a vysoké citlivosti (>0,9 A/W), ale proces je složitý a náklady vysoké.
Jednosměrný fotodetektor s transportem nosičů náboje (UTC-PD): Využívá pouze vysokorychlostní elektrony pro drift, eliminuje omezení doby průchodu nízkorychlostních děr, dokáže dosáhnout extrémně vysoké šířky pásma (>100 GHz) a běžně se používá ve vysokorychlostní komunikaci a terahertzových oblastech.
Fotodetektor s rezonanční dutinou (RCE): Využívá optickou rezonanční dutinu ke zvýšení absorpce světla v tenké absorpční vrstvě a může zlepšit kvantovou účinnost při zachování vysoké šířky pásma, ale provozní šířka pásma (spektrální rozsah) je velmi úzká.
Návrhy pro výběr projektu:
Ujasněte si prioritu požadavků: Nejprve určete minimální požadavek na šířku pásma fotodetektoru na základě šířky pásma systémového signálu (s trojnásobnou rezervou) a poté vyberte model s nejvyšší citlivostí za dané podmínky.
Věnujte pozornost indikátorům na úrovni systému: Při hodnocení fotodetektoru je třeba věnovat pozornost ekvivalentnímu výkonu šumu (NEP) a citlivosti systému, nikoli pouze citlivosti, protože vysoká citlivost může být doprovázena vysokým šumem.
ZvážitAPD fotodetektorV nízkopříkonových scénářích: Pokud je dopadající světelný výkon velmi nízký (například <-30 dBm), lze k kompenzaci nedostatečné odezvy použít vnitřní zisk lavinové fotodiody (APD fotodetektoru), ale je třeba věnovat pozornost jejímu nadměrnému šumu.
Výběr WGPD s vysokými požadavky a vysokým rozpočtem: Pokud systém vyžaduje jak vysokou šířku pásma (>20 GHz), tak vysokou citlivost (>0,8 A/W), standardní PIN detektory nemohou splňovat požadavky a měly by být přímo zváženy detektory vlnovodového typu (WGPD).
Závěr:
Kompromis v odezvě na šířku pásma u standarduPIN fotodetektorje inherentní fyzické omezení. Abychom ho skutečně překonali, je zapotřebí inovace ve struktuře zařízení, která by fyzicky oddělila cestu absorpce světla od cesty průchodu nosiče náboje. Špičková řešení mají vynikající výkon, ale vysoké náklady, takže v inženýrské praxi je stále nutné dělat kompromisy mezi specifickými scénáři aplikace, požadavky na výkon a rozpočty.