التطورات الحديثة في أجهزة الكشف الضوئي الانهياري عالية الحساسية

التطورات الحديثة فيكاشفات ضوئية عالية الحساسية للانهيارات الثلجية

حساسية عالية عند درجة حرارة الغرفة 1550 نانومتركاشف ضوئي ثنائي الانهيار

في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (SWIR)، تُستخدم الثنائيات الانهيارية عالية الحساسية والسرعة على نطاق واسع في تطبيقات الاتصالات الكهروضوئية وتقنية الليدار. مع ذلك، لطالما عانت الثنائيات الضوئية الانهيارية الحالية العاملة بالأشعة تحت الحمراء القريبة، والتي يهيمن عليها ثنائي انهيار الانهيار من زرنيخيد الإنديوم والغاليوم (InGaAs APD)، من محدودية ضوضاء التأين الناتجة عن التصادم العشوائي لمواد منطقة المضاعف التقليدية، فوسفيد الإنديوم (InP) وزرنيخيد الإنديوم والألومنيوم (InAlAs)، مما أدى إلى انخفاض ملحوظ في حساسية الجهاز. على مر السنين، سعى العديد من الباحثين بنشاط إلى إيجاد مواد أشباه موصلات جديدة تتوافق مع عمليات منصات InGaAs وInP الكهروضوئية، وتتميز بأداء منخفض للغاية لضوضاء التأين الناتجة عن التصادم، مماثل لمواد السيليكون الصلبة.

يساعد كاشف الثنائي الضوئي الانهياري المبتكر ذو الطول الموجي 1550 نانومتر في تطوير أنظمة LiDAR

نجح فريق من الباحثين في المملكة المتحدة والولايات المتحدة لأول مرة في تطوير كاشف ضوئي جديد فائق الحساسية يعمل بتقنية APD عند طول موجي 1550 نانومتر (كاشف ضوئي للانهيارات الثلجية)، وهو إنجاز يعد بتحسين أداء أنظمة LiDAR وغيرها من التطبيقات الكهروضوئية بشكل كبير.

توفر المواد الجديدة مزايا رئيسية

يتميز هذا البحث بالاستخدام المبتكر للمواد. فقد اختار الباحثون GaAsSb كطبقة امتصاص وAlGaAsSb كطبقة مضاعفة. ويختلف هذا التصميم عن تصميم InGaAs/InP التقليدي، ويحمل مزايا هامة.

1. طبقة امتصاص GaAsSb: يتمتع GaAsSb بمعامل امتصاص مشابه لـ InGaAs، والانتقال من طبقة امتصاص GaAsSb إلى AlGaAsSb (طبقة مضاعفة) أسهل، مما يقلل من تأثير المصيدة ويحسن سرعة وكفاءة امتصاص الجهاز.

2. طبقة مضاعفة AlGaAsSb: تتفوق طبقة مضاعفة AlGaAsSb على طبقات مضاعفة InP وInAlAs التقليدية من حيث الأداء. ويتجلى ذلك بشكل أساسي في الكسب العالي عند درجة حرارة الغرفة، وعرض النطاق الترددي العالي، والضوضاء الزائدة المنخفضة للغاية.

مع مؤشرات أداء ممتازة

الجديدكاشف ضوئي APD(كاشف الثنائي الضوئي للانهيار الجليدي) يوفر أيضًا تحسينات كبيرة في مقاييس الأداء:

1. كسب فائق الارتفاع: تم تحقيق كسب فائق الارتفاع يبلغ 278 في درجة حرارة الغرفة، وقام الدكتور جين شياو مؤخرًا بتحسين تحسين الهيكل والعملية، وتم زيادة الحد الأقصى للكسب إلى M=1212.

2. ضوضاء منخفضة للغاية: يظهر ضوضاء زائدة منخفضة للغاية (F < 3، كسب M = 70؛ F<4، كسب M=100).

3. كفاءة كمية عالية: عند أقصى كسب، تصل الكفاءة الكمية إلى 5935.3%. استقرار حراري قوي: حساسية الانهيار عند درجات الحرارة المنخفضة تبلغ حوالي 11.83 ملي فولت/كلفن.

الشكل 1: الضوضاء الزائدة لثنائي الفوتون الانهياريأجهزة الكشف الضوئيبالمقارنة مع كاشفات الضوء الأخرى من نوع APD

آفاق تطبيق واسعة

لهذا الكاشف الضوئي الجديد آثار مهمة على أنظمة الليدار وتطبيقات الفوتون:

1. تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء: تعمل خصائص الكسب العالي والضوضاء المنخفضة على تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء بشكل كبير، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات في البيئات الفقيرة بالفوتونات، مثل مراقبة غازات الاحتباس الحراري.

2. توافق قوي: تم تصميم كاشف الضوء APD الجديد (كاشف الضوء الانهياري) ليكون متوافقًا مع منصات الإلكترونيات الضوئية الحالية المصنوعة من فوسفيد الإنديوم (InP)، مما يضمن التكامل السلس مع أنظمة الاتصالات التجارية الحالية.

3. كفاءة تشغيلية عالية: يمكن تشغيله بكفاءة في درجة حرارة الغرفة دون آليات تبريد معقدة، مما يبسط عملية النشر في مختلف التطبيقات العملية.

يمثل تطوير كاشف ضوئي جديد من نوع APD يعمل بتردد 1550 نانومتر بتقنية SACM إنجازًا هامًا في هذا المجال، إذ يعالج القيود الرئيسية المرتبطة بزيادة الضوضاء ونطاق التردد في تصميمات كاشفات APD التقليدية. ومن المتوقع أن يعزز هذا الابتكار قدرات أنظمة الليدار، لا سيما في أنظمة الليدار غير المأهولة، بالإضافة إلى الاتصالات اللاسلكية.