Tóm tắt: Cấu trúc cơ bản và nguyên lý hoạt động của bộ tách sóng quang tuyết lở (Bộ tách sóng quang APD) được giới thiệu, quá trình phát triển của cấu trúc thiết bị được phân tích, tình trạng nghiên cứu hiện tại được tóm tắt và sự phát triển trong tương lai của APD được nghiên cứu triển vọng.
1. Giới thiệu
Bộ tách sóng quang là thiết bị chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện. trong mộtbộ tách sóng quang bán dẫn, chất mang tạo ra ảnh bị kích thích bởi photon tới đi vào mạch ngoài dưới điện áp phân cực đặt vào và tạo thành dòng quang có thể đo được. Ngay cả ở mức phản hồi tối đa, photodiode PIN chỉ có thể tạo ra nhiều nhất một cặp cặp electron-lỗ trống, đây là một thiết bị không có mức khuếch đại bên trong. Để có khả năng phản hồi cao hơn, có thể sử dụng photodiode tuyết lở (APD). Hiệu ứng khuếch đại của APD đối với dòng quang dựa trên hiệu ứng va chạm ion hóa. Trong những điều kiện nhất định, các electron và lỗ trống được gia tốc có thể thu đủ năng lượng để va chạm với mạng nhằm tạo ra một cặp electron-lỗ trống mới. Quá trình này là một phản ứng dây chuyền, do đó cặp electron-lỗ trống được tạo ra bởi sự hấp thụ ánh sáng có thể tạo ra một số lượng lớn các cặp electron-lỗ trống và tạo thành dòng quang thứ cấp lớn. Do đó, APD có khả năng phản hồi và độ lợi bên trong cao, giúp cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm của thiết bị. APD chủ yếu sẽ được sử dụng trong các hệ thống thông tin cáp quang có khoảng cách xa hoặc nhỏ hơn với những hạn chế khác về công suất quang nhận được. Hiện tại, nhiều chuyên gia về thiết bị quang học rất lạc quan về triển vọng của APD và tin rằng việc nghiên cứu APD là cần thiết để nâng cao khả năng cạnh tranh quốc tế của các lĩnh vực liên quan.
2. Phát triển kỹ thuậtmáy dò quang tuyết lở(Bộ tách sóng quang APD)
2.1 Vật liệu
(1)bộ tách sóng quang Si
Công nghệ vật liệu Si là công nghệ trưởng thành được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực vi điện tử, nhưng nó không phù hợp để chế tạo các thiết bị có bước sóng 1,31mm và 1,55mm thường được chấp nhận trong lĩnh vực truyền thông quang học.
(2)Ge
Mặc dù đáp ứng phổ của Ge APD phù hợp với yêu cầu tổn thất thấp và độ phân tán thấp trong truyền dẫn cáp quang nhưng vẫn gặp khó khăn lớn trong quá trình chuẩn bị. Ngoài ra, tỷ lệ tốc độ ion hóa electron và lỗ trống của Ge gần bằng () 1 nên rất khó chế tạo các thiết bị APD hiệu suất cao.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Đây là một phương pháp hiệu quả để chọn In0.53Ga0.47A làm lớp hấp thụ ánh sáng của APD và InP làm lớp nhân. Đỉnh hấp thụ của vật liệu In0.53Ga0.47As là bước sóng 1,65mm, 1,31mm,1,55mm, hệ số hấp thụ cao khoảng 104cm-1, hiện nay là vật liệu được ưa chuộng cho lớp hấp thụ của máy dò ánh sáng.
(4)Bộ tách sóng quang InGaAs/TRONGmáy tách sóng quang
Bằng cách chọn InGaAsP làm lớp hấp thụ ánh sáng và InP làm lớp nhân, có thể chuẩn bị được APD có bước sóng đáp ứng 1-1,4 mm, hiệu suất lượng tử cao, dòng điện tối thấp và mức tăng tuyết lở cao. Bằng cách chọn các thành phần hợp kim khác nhau, sẽ đạt được hiệu suất tốt nhất cho các bước sóng cụ thể.
(5)InGaAs/InAlAs
Vật liệu In0.52Al0.48As có độ rộng dải (1,47eV) và không hấp thụ ở dải bước sóng 1,55mm. Có bằng chứng cho thấy lớp epiticular In0.52Al0.48As mỏng có thể thu được các đặc tính khuếch đại tốt hơn InP dưới dạng lớp nhân trong điều kiện phun electron nguyên chất.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs và InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Tốc độ ion hóa tác động của vật liệu là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của APD. Kết quả cho thấy tốc độ ion hóa va chạm của lớp nhân có thể được cải thiện bằng cách đưa vào các cấu trúc siêu mạng InGaAs (P) /InAlAs và In (Al) GaAs/InAlAs. Bằng cách sử dụng cấu trúc siêu mạng, kỹ thuật dải có thể kiểm soát một cách nhân tạo sự gián đoạn cạnh dải không đối xứng giữa các giá trị dải dẫn và dải hóa trị, đồng thời đảm bảo rằng mức gián đoạn của dải dẫn lớn hơn nhiều so với mức gián đoạn của dải hóa trị (ΔEc>>ΔEv). So với vật liệu khối InGaAs, tốc độ ion hóa electron giếng lượng tử InGaAs/InAlAs (a) tăng lên đáng kể, đồng thời các electron và lỗ trống thu được thêm năng lượng. Do ΔEc>>ΔEv, có thể dự đoán rằng năng lượng mà các electron thu được sẽ làm tăng tốc độ ion hóa electron nhiều hơn sự đóng góp của năng lượng lỗ trống vào tốc độ ion hóa lỗ trống (b). Tỷ số (k) của tốc độ ion hóa electron và tốc độ ion hóa lỗ trống tăng lên. Do đó, có thể thu được sản phẩm băng thông khuếch đại cao (GBW) và hiệu suất nhiễu thấp bằng cách áp dụng các cấu trúc siêu mạng. Tuy nhiên, APD cấu trúc giếng lượng tử InGaAs/InAlAs này, có thể làm tăng giá trị k, rất khó áp dụng cho các máy thu quang. Điều này là do hệ số nhân ảnh hưởng đến khả năng phản hồi tối đa bị giới hạn bởi dòng điện tối chứ không phải nhiễu nhân. Trong cấu trúc này, dòng điện tối chủ yếu được gây ra bởi hiệu ứng đường hầm của lớp giếng InGaAs với khoảng cách dải hẹp, do đó, việc đưa ra hợp kim bậc bốn có khoảng cách dải rộng, chẳng hạn như InGaAsP hoặc InAlGaAs, thay vì InGaAs như lớp giếng của cấu trúc giếng lượng tử có thể triệt tiêu dòng điện tối.
Thời gian đăng: 13-11-2023