تقديم كاشف ضوئي InGaAs

يقدمكاشف ضوئي InGaAs

يعد InGaAs أحد المواد المثالية لتحقيق استجابة عالية وكاشف ضوئي عالي السرعةأولاً، مادة InGaAs هي مادة شبه موصلة ذات فجوة نطاق مباشرة، ويمكن تنظيم عرض فجوة نطاقها من خلال النسبة بين In وGa، مما يُمكّن من اكتشاف الإشارات الضوئية ذات الأطوال الموجية المختلفة. من بينها، يتوافق In0.53Ga0.47As تمامًا مع شبكة ركيزة InP، وله معامل امتصاص ضوء عالٍ جدًا في نطاق الاتصال البصري. وهو الأكثر استخدامًا في تحضير...كاشف ضوئيكما يتميز بأداءٍ مُتميزٍ للتيار المُظلم والاستجابة. ثانيًا، تتميز مواد InGaAs وInP بسرعات انجراف إلكترون عالية نسبيًا، حيث تبلغ سرعات انجراف الإلكترونات المُشبعة لكلٍ منهما حوالي 1×107 سم/ثانية. في الوقت نفسه، تُظهر مواد InGaAs وInP، تحت تأثير مجالات كهربائية مُحددة، تأثيرات تجاوز سرعة الإلكترونات، حيث تصل سرعات تجاوزها إلى 4×107 سم/ثانية و6×107 سم/ثانية على التوالي. وهذا يُساعد على تحقيق عرض نطاق ترددي أعلى. في الوقت الحالي، تُعد كاشفات الضوء InGaAs أكثر كاشفات الضوء شيوعًا للاتصالات البصرية. في السوق، تُعد طريقة اقتران السطح الساقط هي الأكثر شيوعًا. يُمكن بالفعل إنتاج منتجات كاشفات السطح الساقط بسرعة 25 و56 غود/ثانية بكميات كبيرة. كما طُوّرت كاشفات حوادث سطحية أصغر حجمًا وذات حوادث خلفية ونطاق ترددي عالٍ، وذلك لتطبيقات مثل السرعة العالية والتشبع العالي. ومع ذلك، نظرًا لقيود طرق اقترانها، يصعب دمج كاشفات الحوادث السطحية مع الأجهزة البصرية الإلكترونية الأخرى. لذلك، ومع تزايد الطلب على التكامل البصري الإلكتروني، أصبحت كاشفات InGaAs الضوئية المقترنة بالموجة ذات الأداء الممتاز والمناسبة للتكامل تدريجيًا محور البحث. من بينها، تعتمد جميع وحدات كاشفات InGaAs الضوئية التجارية بترددي 70 جيجاهرتز و110 جيجاهرتز تقريبًا على هياكل اقتران الموجة. وفقًا لاختلاف مواد الركيزة، يمكن تصنيف كاشفات InGaAs الضوئية المقترنة بالموجة بشكل رئيسي إلى نوعين: قائم على INP وقائمة على Si. تتميز المادة الفوقية على ركائز InP بجودة عالية وهي أكثر ملاءمة لتصنيع الأجهزة عالية الأداء. ومع ذلك، بالنسبة لمواد مجموعة III-V المزروعة أو المرتبطة على ركائز السيليكون، بسبب عدم التوافق المتنوع بين مواد InGaAs وركائز السيليكون، فإن جودة المادة أو الواجهة رديئة نسبيًا، ولا يزال هناك مجال كبير للتحسين في أداء الأجهزة.

يُعدّ استقرار الكاشف الضوئي في بيئات تطبيقية متنوعة، وخاصةً في الظروف القاسية، أحد العوامل الرئيسية في التطبيقات العملية. في السنوات الأخيرة، لا تزال أنواع جديدة من الكواشف، مثل البيروفسكايت والمواد العضوية وثنائية الأبعاد، والتي حظيت باهتمام كبير، تواجه تحديات عديدة فيما يتعلق بالاستقرار طويل الأمد نظرًا لسهولة تأثر هذه المواد بالعوامل البيئية. في الوقت نفسه، لا تزال عملية دمج المواد الجديدة غير مكتملة، ولا تزال هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحقيق إنتاج واسع النطاق وثبات الأداء.

على الرغم من أن إدخال المحاثات يُمكن أن يزيد بشكل فعال من عرض النطاق الترددي للأجهزة حاليًا، إلا أنه لا يحظى بشعبية في أنظمة الاتصالات البصرية الرقمية. لذلك، يُعدّ تجنب الآثار السلبية لتقليل معاملات RC الطفيلية للجهاز أحد اتجاهات البحث في أجهزة الكشف الضوئي عالية السرعة. ثانيًا، مع استمرار تزايد عرض النطاق الترددي لأجهزة الكشف الضوئي المقترنة بالدليل الموجي، يبدأ القيد بين عرض النطاق الترددي والاستجابة في الظهور مجددًا. على الرغم من الإبلاغ عن أجهزة كشف ضوئي Ge/Si وأجهزة كشف ضوئي InGaAs بعرض نطاق ترددي 3 ديسيبل يتجاوز 200 جيجاهرتز، إلا أن استجابتها ليست مرضية. تُعد كيفية زيادة عرض النطاق الترددي مع الحفاظ على استجابة جيدة موضوعًا بحثيًا مهمًا، وقد يتطلب ذلك إدخال مواد جديدة متوافقة مع العمليات (عالية الحركة ومعامل امتصاص مرتفع) أو هياكل أجهزة جديدة عالية السرعة لحلها. بالإضافة إلى ذلك، مع تزايد عرض النطاق الترددي للجهاز، ستزداد تدريجيًا سيناريوهات تطبيق أجهزة الكشف في الروابط الفوتونية للموجات الدقيقة. بخلاف انخفاض معدل سقوط الطاقة الضوئية والكشف عالي الحساسية في الاتصالات الضوئية، يتطلب هذا السيناريو، بناءً على عرض النطاق الترددي العالي، طاقة تشبع عالية لتحقيق معدل سقوط طاقة عالي. ومع ذلك، عادةً ما تعتمد أجهزة عرض النطاق الترددي العالي على هياكل صغيرة الحجم، مما يجعل تصنيع كاشفات ضوئية عالية السرعة وعالية الطاقة التشبع أمرًا صعبًا، وقد تكون هناك حاجة إلى مزيد من الابتكارات في استخلاص الناقلات وتبديد الحرارة في الأجهزة. وأخيرًا، لا يزال تقليل التيار المظلم للكاشفات عالية السرعة يمثل مشكلة تحتاج الكواشف الضوئية ذات عدم تطابق الشبكة إلى حلها. يرتبط التيار المظلم بشكل أساسي بجودة البلورة وحالة سطح المادة. لذلك، تتطلب العمليات الرئيسية، مثل التماثل غير المتجانس عالي الجودة أو الترابط في أنظمة عدم تطابق الشبكة، المزيد من البحث والاستثمار.