Пропускна здатність та чутливість фотодетектора

Пропускна здатність та швидкість реагуванняфотодетектор
При виборіInGaAs фотодетектор, усі хочуть однакових характеристик: пропускна здатність вище 10 ГГц та чутливість вище 0,9 А/Вт. Переглянувши інструкцію з експлуатації, я виявив, що ці два числа ніколи не з'являються на одному пристрої. Чутливість для високої пропускної здатності становить лише 0,5 А/Вт або навіть менше, а смуга пропускання для високої пропускної здатності — лише кілька сотень МГц. Це не технічна проблема виробника — пропускна здатність та чутливість за своєю суттю суперечать одна одній у фізиці, і ви не можете мати обидва варіанти.
Ширина смуги пропускання та чутливість є невід'ємною фізичною суперечністю, що корениться в критичному параметрі товщини поглинального шару. Збільшення товщини поглинального шару може покращити квантову ефективність (тим самим підвищуючи чутливість), але це збільшить час проходження носіїв заряду (тим самим зменшуючи смугу пропускання); навпаки. Тому при проектуванні стандартного PIN-фотодетектора ці два аспекти неможливо досягти одночасно, і необхідно знайти компроміс.
План прориву в галузі:
У статті представлено три високотехнологічні рішення, спрямовані на подолання цієї суперечності:
Хвилеводний детектор (WGPD): відокремлює напрямок поширення світла від напрямку дрейфу носіїв заряду та може одночасно досягати високої пропускної здатності (>40 ГГц) та високої чутливості (>0,9 А/Вт), але процес складний, а вартість висока.
Однонаправлений фотодетектор транспортування носіїв заряду (UTC-PD): Використовуючи лише високошвидкісні електрони для дрейфу, усуваючи обмеження часу проходження низькошвидкісних дірок, він може досягати надзвичайно високої пропускної здатності (>100 ГГц) і широко використовується у високошвидкісному зв'язку та терагерцових полях.
Фотодетектор з резонансним резонатором (RCE): Використання оптичного резонансного резонатора для посилення поглинання світла в тонкому шарі поглинання може покращити квантову ефективність, зберігаючи при цьому високу пропускну здатність, але робоча смуга пропускання (спектральний діапазон) дуже вузька.
Пропозиції щодо вибору проєкту:
Уточніть пріоритет вимог: спочатку визначте мінімальну вимогу до пропускної здатності фотодетектора на основі пропускної здатності системного сигналу (з запасом у 3 рази), а потім виберіть модель з найвищою чутливістю за цієї умови.
Зверніть увагу на показники системного рівня: під час оцінки фотодетектора слід звертати увагу на еквівалентну потужність шуму (NEP) та чутливість системи, а не лише на чутливість, оскільки висока чутливість може супроводжуватися високим рівнем шуму.
РозглянемоФотодетектор APDУ сценаріях з низькою потужністю: коли потужність падаючого світла дуже низька (наприклад, <-30 дБм), внутрішній коефіцієнт посилення лавинного фотодіода (фотодетектора APD) може бути використаний для компенсації відсутності чутливості, але слід звернути увагу на його надмірний шум.
Вибір WGPD з високими вимогами та великим бюджетом: коли система вимагає як високої пропускної здатності (>20 ГГц), так і високої чутливості (>0,8 А/Вт), стандартні PIN-детектори не можуть задовольнити вимоги, і слід безпосередньо розглядати детектори хвилеводного типу (WGPD).
Висновок:
Компроміс між чутливістю до пропускної здатності та стандартомPIN-фотодетекторє невід'ємним фізичним обмеженням. Щоб по-справжньому подолати його, необхідні інновації в структурі пристрою, щоб фізично відокремити шлях поглинання світла від шляху проходження носіїв заряду. Високоякісні рішення мають чудову продуктивність, але високу вартість, тому в інженерній практиці все ще необхідно знаходити компроміс між конкретними сценаріями застосування, вимогами до продуктивності та бюджетами.