التطورات الحديثة في أجهزة الكشف الضوئي عالية الحساسية للانهيارات الجليدية

التطورات الأخيرة فيأجهزة كشف الانهيارات الجليدية عالية الحساسية

حساسية عالية لدرجة حرارة الغرفة 1550 نانومتركاشف الصمام الضوئي للانهيار الجليدي

في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (SWIR)، تُستخدم ثنائيات الانهيار عالية الحساسية والسرعة على نطاق واسع في الاتصالات البصرية الإلكترونية وتطبيقات الليدار. ومع ذلك، فإن ثنائي الانهيار الضوئي الحالي للأشعة تحت الحمراء القريبة (APD)، والذي يهيمن عليه ثنائي الانهيار الانهياري المصنوع من إنديوم غاليوم زرنيخ (InGaAs APD)، كان دائمًا محدودًا بضوضاء التأين العشوائية الناتجة عن التصادم لمواد منطقة المضاعف التقليدية، فوسفيد الإنديوم (InP) وزرنيخ إنديوم ألومنيوم (InAlAs)، مما أدى إلى انخفاض كبير في حساسية الجهاز. على مر السنين، يبحث العديد من الباحثين بنشاط عن مواد أشباه موصلات جديدة متوافقة مع عمليات منصات الالكتروبصرية التي تحتوي على InGaAs وInP، وتتميز بأداء منخفض للغاية في ضوضاء التأين الصدمية، على غرار مواد السيليكون السائبة.

يساعد كاشف الانهيار الضوئي المبتكر 1550 نانومتر في تطوير أنظمة LiDAR

نجح فريق من الباحثين في المملكة المتحدة والولايات المتحدة لأول مرة في تطوير كاشف ضوئي APD جديد عالي الحساسية للغاية بطول موجة 1550 نانومتر (كاشف ضوئي للانهيارات الجليدية), وهو إنجاز من شأنه أن يؤدي إلى تحسين أداء أنظمة LiDAR والتطبيقات البصرية الإلكترونية الأخرى بشكل كبير.

المواد الجديدة تقدم مزايا رئيسية

أبرز ما يميز هذا البحث هو الاستخدام المبتكر للمواد. اختار الباحثون GaAsSb كطبقة امتصاص، وAlGaAsSb كطبقة مضاعفة. يختلف هذا التصميم عن InGaAs/InP التقليدي، ويحقق مزايا مهمة:

1. طبقة امتصاص GaAsSb: تتمتع GaAsSb بمعامل امتصاص مماثل لـ InGaAs، والانتقال من طبقة امتصاص GaAsSb إلى AlGaAsSb (طبقة المضاعف) أسهل، مما يقلل من تأثير الفخ ويحسن سرعة وكفاءة امتصاص الجهاز.

٢. طبقة مضاعفة AlGaAsSb: تتفوق طبقة مضاعفة AlGaAsSb على طبقة مضاعفة InP وInAlAs التقليدية من حيث الأداء. ويتجلى ذلك بشكل رئيسي في تحقيق مكاسب عالية في درجة حرارة الغرفة، وعرض نطاق ترددي عالٍ، وانخفاض كبير في الضوضاء الزائدة.

مع مؤشرات أداء ممتازة

الجديدكاشف ضوئي APDيوفر (كاشف الصمام الضوئي الانهياري) أيضًا تحسينات كبيرة في مقاييس الأداء:

1. مكسب عالي للغاية: تم تحقيق مكسب عالي للغاية قدره 278 في درجة حرارة الغرفة، ومؤخرًا قام الدكتور جين شياو بتحسين تحسين الهيكل والعملية، وتم زيادة الحد الأقصى للمكسب إلى M=1212.

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

٣. كفاءة كمية عالية: عند أقصى كسب، تصل الكفاءة الكمية إلى ٥٩٣٥.٣٪. استقرار حراري قوي: تبلغ حساسية الانهيار عند درجات الحرارة المنخفضة حوالي ١١.٨٣ ملي فولت/ك.

الشكل 1 الضوضاء الزائدة لـ APDأجهزة الكشف الضوئيمقارنة مع أجهزة الكشف الضوئي APD الأخرى

آفاق تطبيق واسعة

إن هذا APD الجديد له تأثيرات مهمة على أنظمة LiDAR 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 الغازات المسببة للاحتباس الحراري.

2. توافق قوي: تم تصميم جهاز الكشف الضوئي APD الجديد (جهاز الكشف الضوئي للانهيارات الجليدية) ليكون متوافقًا مع منصات الإلكترونيات البصرية الحالية لفوسفيد الإنديوم (InP)، مما يضمن التكامل السلس مع أنظمة الاتصالات التجارية الحالية.

3. كفاءة تشغيلية عالية: يمكنها العمل بكفاءة في درجة حرارة الغرفة دون آليات تبريد معقدة، مما يسهل نشرها في تطبيقات عملية مختلفة.

يُمثل تطوير كاشف ضوئي جديد بتقنية SACM APD بطول موجة 1550 نانومتر (كاشف ضوئي للانهيارات الجليدية) إنجازًا كبيرًا في هذا المجال، إذ يُعالج القيود الرئيسية المرتبطة بالضوضاء الزائدة ونطاق تردد الكسب في تصميمات كاشفات ضوئية APD التقليدية (كاشف ضوئي للانهيارات الجليدية). ومن المتوقع أن يُعزز هذا الابتكار قدرات أنظمة الليدار، وخاصةً في أنظمة الليدار غير المأهولة، بالإضافة إلى اتصالات الفضاء الحر.