Larghezza di banda e responsività del fotorivelatore

Larghezza di banda e reattività difotorivelatore
Quando si sceglieFotorivelatore InGaAsTutti desiderano le stesse specifiche: larghezza di banda superiore a 10 GHz e responsività superiore a 0,9 A/W. Dopo aver consultato il manuale tecnico, ho scoperto che questi due valori non compaiono mai sullo stesso dispositivo. La responsività ad alta larghezza di banda è di soli 0,5 A/W o addirittura inferiore, e la larghezza di banda ad alta responsività è di poche centinaia di MHz. Non si tratta di un problema tecnico del produttore: larghezza di banda e responsività sono intrinsecamente contraddittorie in fisica, e non si possono avere entrambe.
Larghezza di banda e responsività sono intrinsecamente contraddittorie dal punto di vista fisico, e la loro origine risiede nel parametro critico dello spessore dello strato di assorbimento. Aumentando lo spessore dello strato di assorbimento si può migliorare l'efficienza quantica (incrementando quindi la responsività), ma si allunga il tempo di transito dei portatori di carica (riducendo di conseguenza la larghezza di banda); viceversa. Pertanto, nella progettazione di un fotorivelatore PIN standard, i due obiettivi non possono essere raggiunti simultaneamente ed è necessario trovare un compromesso.
Piano rivoluzionario per il settore:
L'articolo presenta tre soluzioni tecnologiche di alto livello volte a superare questa contraddizione:
Rivelatore a guida d'onda (WGPD): disaccoppia la direzione di propagazione della luce dalla direzione di deriva dei portatori di carica e può raggiungere simultaneamente un'elevata larghezza di banda (>40 GHz) e un'elevata responsività (>0,9 A/W), ma il processo è complesso e il costo è elevato.
Fotorivelatore a trasporto unidirezionale di portatori (UTC-PD): utilizzando solo elettroni ad alta velocità per la deriva, eliminando la limitazione del tempo di transito delle lacune a bassa velocità, può raggiungere una larghezza di banda estremamente elevata (>100 GHz) ed è comunemente utilizzato nelle comunicazioni ad alta velocità e nei campi dei terahertz.
Fotorivelatore a cavità risonante (RCE): utilizzando una cavità risonante ottica per migliorare l'assorbimento della luce all'interno di un sottile strato assorbente, è possibile migliorare l'efficienza quantica mantenendo un'elevata larghezza di banda, ma la larghezza di banda operativa (intervallo spettrale) è molto ristretta.
Suggerimenti per la selezione del progetto:
Chiarire la priorità dei requisiti: innanzitutto, determinare il requisito minimo di larghezza di banda per il fotorivelatore in base alla larghezza di banda del segnale di sistema (con un margine di 3 volte), quindi selezionare il modello con la massima reattività in queste condizioni.
Presta attenzione agli indicatori a livello di sistema: nella valutazione di un fotorivelatore, è necessario considerare la potenza equivalente di rumore (NEP) e la sensibilità del sistema, non solo la responsività, poiché un'elevata responsività può essere accompagnata da un rumore elevato.
ConsiderareFotorivelatore APDIn scenari a bassa potenza: quando la potenza della luce incidente è molto bassa (ad esempio <-30 dBm), il guadagno interno del fotodiodo a valanga (fotorivelatore APD) può essere utilizzato per compensare la mancanza di reattività, ma occorre prestare attenzione al suo rumore eccessivo.
Scelta di WGPD con requisiti e budget elevati: Quando il sistema richiede sia un'elevata larghezza di banda (>20 GHz) che un'elevata responsività (>0,8 A/W), i rivelatori PIN standard non sono in grado di soddisfare i requisiti e si dovrebbe prendere in considerazione direttamente i rivelatori a guida d'onda (WGPD).
Conclusione:
Il compromesso tra larghezza di banda e responsività dello standardFotorivelatore PINSi tratta di una limitazione fisica intrinseca. Per superarla davvero, è necessaria un'innovazione nella struttura del dispositivo per disaccoppiare fisicamente il percorso di assorbimento della luce dal percorso di transito dei portatori di carica. Le soluzioni di fascia alta offrono prestazioni eccellenti ma costi elevati, quindi nella pratica ingegneristica è ancora necessario trovare un compromesso tra scenari applicativi specifici, requisiti di prestazione e budget.