גלאי פוטו ואורכי גל חתך

גלאי צילוםואורכי גל חתוכים

מאמר זה מתמקד בחומרים ובעקרונות העבודה של גלאי פוטואלקטריים (במיוחד מנגנון התגובה המבוסס על תורת הלהקה), כמו גם בפרמטרים המרכזיים ותרחישי היישום של חומרי מוליכים למחצה שונים.
1. עיקרון ליבה: גלאי הפוטון פועל על סמך האפקט הפוטואלקטרי. הפוטונים הפוגעים צריכים לשאת אנרגיה מספקת (גדולה מרוחב פער הפס Eg של החומר) כדי לעורר אלקטרונים מפס הערכיות לפס ההולכה, וליצור אות חשמלי ניתן לגילוי. אנרגיית הפוטון היא ביחס הפוך לאורך הגל, כך שלגלאי יש "אורך גל חתוך" (λ c) - אורך הגל המרבי שיכול להגיב, שמעבר לו הוא אינו יכול להגיב ביעילות. ניתן להעריך את אורך הגל החתוך באמצעות הנוסחה λ c ≈ 1240/Eg (nm), כאשר Eg נמדד ב-eV.
2. חומרי מוליכים למחצה עיקריים ומאפייניהם:
סיליקון (Si): רוחב פער אנרגיה של כ-1.12 eV, אורך גל ניתוק של כ-1107 ננומטר. מתאים לגילוי באורך גל קצר כגון 850 ננומטר, נפוץ לחיבור סיבים אופטיים רב-אופניים לטווח קצר (כגון מרכזי נתונים).
גליום ארסניד (GaAs): רוחב פער פס של 1.42 eV, אורך גל חתך של כ-873 ננומטר. מתאים לפס אורכי גל של 850 ננומטר, ניתן לשלב אותו עם מקורות אור VCSEL מאותו חומר על שבב יחיד.
אינדיום גליום ארסניד (InGaAs): ניתן לכוונן את רוחב פער האנרגיה בין 0.36~1.42 eV, ואורך הגל הניתוק מכסה 873~3542 ננומטר. זהו חומר הגלאי המרכזי עבור חלונות תקשורת סיבים של 1310 ננומטר ו-1550 ננומטר, אך דורש מצע InP ומורכב לשילוב עם מעגלים מבוססי סיליקון.
גרמניום (Ge): עם רוחב פער פס של כ-0.66 eV ואורך גל חתך של כ-1879 ננומטר. הוא יכול לכסות 1550 ננומטר עד 1625 ננומטר (פס L) והוא תואם למצעי סיליקון, מה שהופך אותו לפתרון בר ביצוע להארכת התגובה לפסים ארוכים.
סגסוגת סיליקון גרמניום (כגון Si0.5Ge0.5): רוחב פער פס של כ-0.96 eV, אורך גל חיתוך של כ-1292 ננומטר. על ידי סימום גרמניום בסיליקון, ניתן להאריך את אורך הגל של התגובה לפסים ארוכים יותר על מצע הסיליקון.
3. שיוך תרחישי יישום:
פס 850 ננומטר:גלאי פוטו מסיליקוןאו ניתן להשתמש בגלאי פוטו GaAs.
פס 1310/1550 ננומטר:גלאי פוטו InGaAsמשמשים בעיקר. גלאי פוטו עשויים גרמניום טהור או סגסוגת גרמניום מסיליקון יכולים גם הם לכסות טווח זה ויש להם יתרונות פוטנציאליים באינטגרציה מבוססת סיליקון.

בסך הכל, באמצעות מושגי הליבה של תורת הפסים ואורך גל החיתוך, נסקרו באופן שיטתי מאפייני היישום וטווח כיסוי אורך הגל של חומרי מוליכים למחצה שונים בגלאי פוטואלקטריים, והודגם הקשר ההדוק בין בחירת החומרים, חלון אורך הגל של תקשורת סיבים אופטיים ועלות תהליך האינטגרציה.