Valodetektorit ja raja-aallonpituudet

Valoilmaisimetja raja-aallonpituudet

Tämä artikkeli keskittyy fotodetektorien materiaaleihin ja toimintaperiaatteisiin (erityisesti kaistateoriaan perustuvaan vastemekanismiin) sekä eri puolijohdemateriaalien keskeisiin parametreihin ja sovellusskenaarioihin.
1. Ydinperiaate: Fotodetektori toimii fotoelektrisen ilmiön perusteella. Tulevien fotonien on kuljetettava riittävästi energiaa (suurempaa kuin materiaalin energia-aukon leveys Eg) elektronien virittämiseksi valenssivyöltä johtavuusvyöhykkeelle, muodostaen havaittavan sähköisen signaalin. Fotonien energia on kääntäen verrannollinen aallonpituuteen, joten detektorilla on "raja-aallonpituus" (λ c) – suurin aallonpituus, joka voi reagoida, ja jonka ulkopuolella se ei voi reagoida tehokkaasti. Raja-aallonpituus voidaan arvioida kaavalla λ c ≈ 1240/Eg (nm), jossa Eg mitataan eV:eina.
2. Keskeiset puolijohdemateriaalit ja niiden ominaisuudet:
Pii (Si): kaistanleveys noin 1,12 eV, raja-aallonpituus noin 1107 nm. Sopii lyhyiden aallonpituuksien, kuten 850 nm, havaitsemiseen, käytetään yleisesti lyhyen kantaman monimuotokuituoptisten yhteenliitäntöjen yhteydessä (kuten datakeskuksissa).
Galliumarsenidi (GaAs): energia-aukon leveys 1,42 eV, raja-aallonpituus noin 873 nm. Soveltuu 850 nm:n aallonpituusalueelle ja voidaan integroida samasta materiaalista valmistettujen VCSEL-valonlähteiden kanssa yhdelle sirulle.
Indiumgallium-arsenidi (InGaAs): Energia-aukon leveyttä voidaan säätää välillä 0,36–1,42 eV, ja raja-aallonpituus kattaa 873–3542 nm. Se on yleisin ilmaisinmateriaali 1310 nm:n ja 1550 nm:n kuitutiedonsiirtoikkunoille, mutta se vaatii InP-substraatin ja on monimutkainen integroida piipohjaisiin piireihin.
Germanium (Ge): energia-aukon leveys on noin 0,66 eV ja raja-aallonpituus noin 1879 nm. Se voi kattaa 1550 nm - 1625 nm (L-kaista) ja on yhteensopiva piisubstraattien kanssa, mikä tekee siitä käyttökelpoisen ratkaisun pitkien kaistojen vasteen laajentamiseksi.
Pii-germaniumseos (kuten Si0.5Ge0.5): energia-aukon leveys noin 0,96 eV, katkaisuaallonpituus noin 1292 nm. Lisäämällä germaniumia piihin voidaan pidentää vasteaallonpituutta piisubstraatin vyöhykkeillä.
3. Sovellusskenaarioiden yhdistäminen:
850 nm:n kaista:Piifotodetektorittai GaAs-fotodetektoreita voidaan käyttää.
1310/1550 nm:n kaista:InGaAs-fotodetektoritkäytetään pääasiassa. Puhtaasta germaniumista tai piigermaniumseoksesta valmistetut fotodetektorit voivat myös kattaa tämän alueen ja niillä on potentiaalisia etuja piipohjaisessa integroinnissa.

Kaiken kaikkiaan on tarkasteltu systemaattisesti eri puolijohdemateriaalien sovellusominaisuuksia ja aallonpituuden peittoaluetta fotodetektoreissa kaistateorian ja raja-aallonpituuden ydinkäsitteiden kautta ja tuotu esiin materiaalivalinnan, kuituoptisen tiedonsiirron aallonpituusikkunan ja integrointiprosessikustannusten välinen läheinen suhde.