רוחב פס ותגובתיות של גלאי אור

רוחב פס ותגובתיות שלגלאי אור
בעת בחירתגלאי פוטו InGaAsכולם רוצים את אותם המפרטים: רוחב פס מעל 10 גיגה-הרץ ותגובתיות מעל 0.9 אמפר/וואט. לאחר דפדוף במדריך הנתונים, גיליתי ששני המספרים הללו אף פעם לא מופיעים באותו מכשיר. תגובת רוחב הפס הגבוה היא רק 0.5 אמפר/וואט או אפילו נמוכה יותר, ורוחב הפס לתגובתיות גבוהה הוא רק כמה מאות מגה-הרץ. זו לא בעיה טכנית עם היצרן - רוחב פס ותגובתיות סותרים זה את זה מטבעם בפיזיקה, ואי אפשר לקבל את זה בשני הכיוונים.
רוחב פס ותגובתיות הם סתירה פיזיקלית אינהרנטית, הנטועה בפרמטר הקריטי של עובי שכבת הקליטה. הגדלת עובי שכבת הקליטה יכולה לשפר את היעילות הקוונטית (ובכך לשפר את התגובתיות), אך היא יאריך את זמן המעבר של נושאי המטען (ובכך להפחית את רוחב הפס); להיפך. לכן, בתכנון של גלאי פוטו PIN סטנדרטי, לא ניתן להשיג את השניים בו זמנית ויש לעשות פשרה.
תוכנית פריצת דרך בתעשייה:
המאמר מציג שלושה פתרונות טכנולוגיים מתקדמים שמטרתם לשבור את הסתירה הזו:
גלאי מסוג מוליך גלים (WGPD): מנתק את כיוון התפשטות האור מכיוון הסחיפה של נושאי המטען, ויכול להשיג רוחב פס גבוה (>40 GHz) ותגובתיות גבוהה (>0.9 A/W) בו זמנית, אך התהליך מורכב והעלות גבוהה.
גלאי פוטו חד-כיווני לתעבורת נושאי גלאים (UTC-PD): המשתמש רק באלקטרונים במהירות גבוהה לצורך סחיפה, מבטל את מגבלת זמן המעבר של חורים במהירות נמוכה, הוא יכול להשיג רוחב פס גבוה במיוחד (>100 גיגה-הרץ) והוא משמש בדרך כלל בתקשורת במהירות גבוהה ובתחומי טרה-הרץ.
גלאי פוטו משופר בחלל התהודה (RCE): שימוש בחלל תהודה אופטי כדי לשפר את בליעת האור בתוך שכבת בליעה דקה, יכול לשפר את יעילות הקוונטים תוך שמירה על רוחב פס גבוה, אך רוחב הפס הפעולה (טווח הספקטרלי) צר מאוד.
הצעות לבחירת פרויקט:
הבהרת סדרי העדיפויות של הדרישות: ראשית, קבע את דרישת רוחב הפס המינימלית עבור גלאי הפוטואלקטרי בהתבסס על רוחב הפס של אות המערכת (עם מרווח של פי 3), ולאחר מכן בחר את הדגם עם התגובה הגבוהה ביותר בתנאי זה.
שימו לב למדדי רמת המערכת: בעת הערכת גלאי אור, יש לשים לב להספק שווה ערך לרעש (NEP) ולרגישות המערכת, ולא רק לתגובתיות, שכן תגובתיות גבוהה עשויה להיות מלווה ברעש גבוה.
לִשְׁקוֹלגלאי פוטו APDבתרחישי צריכת חשמל נמוכה: כאשר הספק האור הפוגע נמוך מאוד (כגון <-30 dBm), ניתן להשתמש בהגבר הפנימי של פוטודיודת המפולת (גלאי פוטו APD) כדי לפצות על חוסר התגובה, אך יש לשים לב לרעש העודף שלו.
בחירת WGPD עם דרישות גבוהות ותקציב גבוה: כאשר המערכת דורשת גם רוחב פס גבוה (>20 GHz) וגם תגובה גבוהה (>0.8 A/W), גלאי PIN סטנדרטיים אינם יכולים לעמוד בדרישות, ויש לשקול ישירות גלאי מסוג מוליך גל (WGPD).
מַסְקָנָה:
פשרה של תגובת רוחב הפס של סטנדרטיגלאי פוטו-קוד PINזוהי מגבלה פיזית אינהרנטית. כדי לפרוץ אותה באמת, נדרשת חדשנות במבנה המכשיר כדי לנתק פיזית את נתיב בליעת האור מנתיב מעבר הגל הנושא. לפתרונות מתקדמים יש ביצועים מצוינים אך עלויות גבוהות, ולכן בפועל ההנדסי, עדיין יש צורך לעשות פשרה בין תרחישי יישום ספציפיים, דרישות ביצועים ותקציבים.