Полоса пропускания и чувствительность фотодетектора

Пропускная способность и скорость откликафотодетектор
При выбореФотодетектор на основе InGaAsВсем нужны одни и те же характеристики: полоса пропускания выше 10 ГГц и чувствительность выше 0,9 А/Вт. Пролистав руководство пользователя, я обнаружил, что эти два параметра никогда не встречаются в одном и том же устройстве. Чувствительность при высокой полосе пропускания составляет всего 0,5 А/Вт или даже меньше, а полоса пропускания при высокой чувствительности — всего несколько сотен МГц. Это не техническая проблема производителя — полоса пропускания и чувствительность по своей сути противоречат друг другу в физике, и нельзя получить и то, и другое одновременно.
Ширина полосы пропускания и чувствительность представляют собой внутреннее физическое противоречие, коренящееся в критическом параметре толщины поглощающего слоя. Увеличение толщины поглощающего слоя может повысить квантовую эффективность (тем самым увеличивая чувствительность), но при этом увеличит время прохождения носителей заряда (тем самым уменьшив ширину полосы пропускания); и наоборот. Поэтому при проектировании стандартного PIN-фотодетектора невозможно одновременно достичь этих двух параметров, и приходится идти на компромисс.
План прорыва в отрасли:
В статье представлены три высокотехнологичных решения, призванных преодолеть это противоречие:
Детектор волноводного типа (WGPD): разделяет направление распространения света и направление дрейфа носителей заряда, что позволяет одновременно достичь высокой полосы пропускания (>40 ГГц) и высокой чувствительности (>0,9 А/Вт), однако процесс его изготовления сложен, а стоимость высока.
Фотодетектор с однонаправленным переносом носителей заряда (UTC-PD): Используя только высокоскоростные электроны для дрейфа и устраняя ограничение по времени прохождения низкоскоростных дырок, он может обеспечить чрезвычайно высокую полосу пропускания (>100 ГГц) и широко используется в высокоскоростной связи и терагерцовой области.
Фотодетектор с резонансным резонатором (RCE): Использование оптического резонансного резонатора для усиления поглощения света в тонком поглощающем слое позволяет повысить квантовую эффективность при сохранении высокой полосы пропускания, однако рабочая полоса пропускания (спектральный диапазон) очень узкая.
Рекомендации по выбору проекта:
Уточните приоритетность требований: Во-первых, определите минимальные требования к полосе пропускания фотодетектора на основе полосы пропускания системного сигнала (с запасом в 3 раза), а затем выберите модель с наибольшей скоростью отклика при этих условиях.
Обратите внимание на показатели системного уровня: при оценке фотодетектора следует обращать внимание на эквивалентную мощность шума (ЭМП) и чувствительность системы, а не только на чувствительность, поскольку высокая чувствительность может сопровождаться высоким уровнем шума.
УчитыватьФотодетектор APDВ условиях низкой мощности: когда мощность падающего света очень низкая (например, <-30 дБм), для компенсации недостаточной чувствительности можно использовать внутреннее усиление лавинного фотодиода (APD-фотодетектора), но следует обратить внимание на его избыточный шум.
Выбор волноводных детекторов с высокими требованиями и большим бюджетом: Если система требует как высокой полосы пропускания (>20 ГГц), так и высокой чувствительности (>0,8 А/Вт), стандартные PIN-детекторы не могут удовлетворить требованиям, и следует напрямую рассмотреть волноводные детекторы (WGPD).
Заключение:
Компромисс между скоростью отклика и пропускной способностью стандартаPIN-фотодетекторЭто неотъемлемое физическое ограничение. Для его преодоления необходимы инновации в структуре устройства, позволяющие физически отделить путь поглощения света от пути прохождения носителей заряда. Высокотехнологичные решения обладают превосходными характеристиками, но высокой стоимостью, поэтому на практике по-прежнему приходится идти на компромисс между конкретными сценариями применения, требованиями к производительности и бюджетом.