يقدمكاشف ضوئي من إنديوم غاليوم أرسينيد
يُعدّ InGaAs أحد المواد المثالية لتحقيق استجابة عالية وكاشف ضوئي عالي السرعةأولًا، يُعدّ InGaAs مادة شبه موصلة ذات فجوة نطاق مباشرة، ويمكن التحكم في عرض فجوة نطاقها من خلال النسبة بين الإنديوم والغاليوم، مما يُمكّن من الكشف عن الإشارات الضوئية ذات الأطوال الموجية المختلفة. ومن بينها، يتطابق In0.53Ga0.47As تمامًا مع شبكة ركيزة InP، ويتميز بمعامل امتصاص ضوئي عالٍ جدًا في نطاق الاتصالات الضوئية. وهو الأكثر استخدامًا في تحضيركاشف ضوئيكما يتميز بأداء استثنائي في تيار الظلام والاستجابة. ثانيًا، تتمتع كل من مادتي InGaAs وInP بسرعات انجراف إلكترونية عالية نسبيًا، حيث تبلغ سرعة الانجراف الإلكترونية المشبعة لكل منهما حوالي 1×10⁷ سم/ث. في الوقت نفسه، وتحت تأثير مجالات كهربائية محددة، تُظهر مادتا InGaAs وInP تأثيرات تجاوز سرعة الإلكترون، حيث تصل سرعات التجاوز إلى 4×10⁷ سم/ث و6×10⁷ سم/ث على التوالي. وهذا يُسهم في تحقيق عرض نطاق ترددي أعلى. حاليًا، تُعد كواشف InGaAs الضوئية الأكثر شيوعًا في مجال الاتصالات الضوئية. وفي السوق، تُعد طريقة اقتران السطح الساقط هي الأكثر استخدامًا. ويمكن بالفعل إنتاج منتجات كواشف السطح الساقط بسرعات 25 و56 غاود/ث بكميات كبيرة. تم تطوير كواشف ضوئية أصغر حجمًا، ذات انعكاس خلفي، وذات نطاق ترددي عالٍ، تعمل بتقنية الانعكاس السطحي، وذلك بشكل أساسي لتطبيقات مثل السرعة العالية والتشبع العالي. مع ذلك، ونظرًا لمحدودية طرق اقترانها، يصعب دمج هذه الكواشف مع الأجهزة الكهروضوئية الأخرى. لذا، ومع تزايد الطلب على التكامل الكهروضوئي، أصبحت الكواشف الضوئية المصنوعة من InGaAs والمقترنة بموجهات ضوئية، والتي تتميز بأداء ممتاز وقابلية عالية للتكامل، محورًا رئيسيًا للبحث. ومن بينها، تعتمد معظم وحدات الكشف الضوئي التجارية المصنوعة من InGaAs بتردد 70 جيجاهرتز و110 جيجاهرتز على هياكل اقتران الموجهات الضوئية. وبناءً على اختلاف مواد الركيزة، يمكن تصنيف الكواشف الضوئية المصنوعة من InGaAs والمقترنة بموجهات ضوئية إلى نوعين رئيسيين: تلك المصنوعة من InP وتلك المصنوعة من السيليكون. تتميز المادة المترسبة على ركائز InP بجودة عالية، وهي أكثر ملاءمة لتصنيع أجهزة عالية الأداء. ومع ذلك، بالنسبة لمواد المجموعة III-V التي تنمو أو ترتبط على ركائز السيليكون، ونظرًا لاختلافات عديدة بين مواد InGaAs وركائز السيليكون، فإن جودة المادة أو الواجهة تكون ضعيفة نسبيًا، ولا يزال هناك مجال كبير للتحسين في أداء الأجهزة.
يُعدّ استقرار الكاشف الضوئي في بيئات تطبيقية متنوعة، لا سيما في ظل الظروف القاسية، أحد العوامل الرئيسية في التطبيقات العملية. في السنوات الأخيرة، حظيت أنواع جديدة من الكواشف، مثل البيروفسكايت والمواد العضوية وثنائية الأبعاد، باهتمام كبير، إلا أنها لا تزال تواجه تحديات عديدة فيما يتعلق بالاستقرار طويل الأمد، نظرًا لتأثر هذه المواد بسهولة بالعوامل البيئية. في الوقت نفسه، لا تزال عملية دمج هذه المواد الجديدة في طور التطور، ويتطلب الأمر مزيدًا من البحث والتطوير لتحقيق الإنتاج على نطاق واسع وضمان اتساق الأداء.
على الرغم من أن استخدام المحاثات يُسهم حاليًا في زيادة عرض نطاق الأجهزة بشكل فعال، إلا أنه ليس شائعًا في أنظمة الاتصالات الضوئية الرقمية. لذا، يُعدّ تجنب التأثيرات السلبية لتقليل معلمات RC الطفيلية للجهاز أحد اتجاهات البحث في مجال كاشفات الضوء عالية السرعة. ثانيًا، مع استمرار زيادة عرض نطاق كاشفات الضوء المقترنة بالموجات الدليلية، تبرز مجددًا القيود بين عرض النطاق والاستجابة. فعلى الرغم من وجود تقارير عن كاشفات ضوئية من الجرمانيوم/السيليكون وكاشفات ضوئية من إنديوم غاليوم أرسينيد بعرض نطاق 3 ديسيبل يتجاوز 200 جيجاهرتز، إلا أن استجابتها غير مرضية. لذا، تُعدّ كيفية زيادة عرض النطاق مع الحفاظ على استجابة جيدة موضوعًا بحثيًا هامًا، وقد يتطلب ذلك استخدام مواد جديدة متوافقة مع عمليات التصنيع (ذات حركية عالية ومعامل امتصاص عالٍ) أو هياكل أجهزة جديدة عالية السرعة. إضافةً إلى ذلك، مع زيادة عرض نطاق الجهاز، ستتزايد تطبيقات الكاشفات في وصلات الفوتونات الميكروية تدريجيًا. على عكس تطبيقات الاتصالات الضوئية التي تتطلب قدرة ضوئية منخفضة وحساسية عالية، فإن هذا السيناريو، الذي يعتمد على نطاق ترددي واسع، يتطلب قدرة تشبع عالية عند تعرضه لإشعاع ذي قدرة عالية. ومع ذلك، فإن الأجهزة ذات النطاق الترددي الواسع عادةً ما تعتمد على هياكل صغيرة الحجم، مما يجعل تصنيع كواشف ضوئية عالية السرعة وذات قدرة تشبع عالية أمرًا صعبًا، وقد يتطلب الأمر مزيدًا من الابتكارات في استخلاص حاملات الشحنة وتبديد الحرارة في هذه الأجهزة. أخيرًا، لا يزال خفض التيار المظلم في الكواشف عالية السرعة يمثل تحديًا أمام الكواشف الضوئية التي تعاني من عدم تطابق الشبكة البلورية. يرتبط التيار المظلم بشكل أساسي بجودة البلورة وحالة سطح المادة. لذلك، تتطلب العمليات الرئيسية، مثل الترسيب المتغاير عالي الجودة أو الربط في ظل أنظمة عدم تطابق الشبكة البلورية، مزيدًا من البحث والاستثمار.
تاريخ النشر: 20 أغسطس 2025