Tóm tắt: Cấu trúc cơ bản và nguyên lý hoạt động của máy dò 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 một cách có triển vọng.
1. Giới thiệu
Một bộ tách sóng quang là một thiết bị chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện. Trong mộtmáy dò quang bán dẫn, hạt mang quang sinh ra được kích thích bởi photon tới đi vào mạch ngoài dưới điện áp phân cực được áp dụng và tạo thành một dòng quang có thể đo được. Ngay cả ở độ nhạy tối đa, một điốt quang PIN chỉ có thể tạo ra nhiều nhất một cặp cặp electron-lỗ trống, đây là một thiết bị không có độ lợi nội. Để có độ nhạy cao hơn, có thể sử dụng một điốt quang tuyết lở (APD). Hiệu ứng khuếch đại của APD lên dòng quang dựa trên hiệu ứng va chạm ion hóa. Trong một số điều kiện nhất định, các electron và lỗ trống được gia tốc có thể thu được đủ năng lượng để va chạm với mạng tinh thể để tạo ra một cặp cặp electron-lỗ trống mới. Quá trình này là một phản ứng dây chuyền, do đó cặp 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 một dòng quang thứ cấp lớn. Do đó, APD có độ nhạy cao và độ lợi nội tại, giúp cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của thiết bị. APD sẽ chủ yếu được sử dụng trong các hệ thống thông tin sợi quang đường dài hoặc nhỏ hơn với những hạn chế khác về công suất quang thu được. Hiện nay, 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 thuật củamáy dò quang tuyết lở(Máy dò quang APD)
2.1 Vật liệu
(1)Bộ tách sóng quang Si
Công nghệ vật liệu Si là một công nghệ đã hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực vi điện tử, nhưng không phù hợp để chế tạo các thiết bị có bước sóng từ 1,31mm đến 1,55mm thường được chấp nhận trong lĩnh vực truyền thông quang học.
(2)Ge
Mặc dù đáp ứng phổ của APD Ge phù hợp với yêu cầu suy hao thấp và độ tán sắc thấp trong truyền dẫn sợi quang, nhưng quá trình chế tạo vẫn còn nhiều khó khăn. Hơn nữa, tỷ lệ ion hóa electron và lỗ trống của Ge gần bằng ()1, nên việc chế tạo các thiết bị APD hiệu suất cao gặp nhiều khó khăn.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
Phương pháp hiệu quả là chọn In0.53Ga0.47As làm lớp hấp thụ ánh sáng của APD và InP làm lớp nhân. Đỉnh hấp thụ của vật liệu In0.53Ga0.47As là 1.65mm, 1.31mm, 1.55mm, bước sóng khoảng 104cm-1, đây là vật liệu được ưa chuộng làm lớp hấp thụ của đầu dò ánh sáng hiện nay.
(4)Bộ tách sóng quang InGaAs/TRONGmáy dò quang
Bằng cách chọn InGaAsP làm lớp hấp thụ ánh sáng và InP làm lớp nhân, có thể tạo ra APD với bước sóng đáp ứng 1-1,4 mm, hiệu suất lượng tử cao, dòng tối thấp và độ khuếch đại tuyết lở cao. Bằng cách lựa chọn các thành phần hợp kim khác nhau, hiệu suất tốt nhất cho từng bước sóng cụ thể sẽ đạt được.
(5)InGaAs/InAlAs
Vật liệu In0,52Al0,48As có khoảng cách dải (1,47eV) và không hấp thụ ở dải bước sóng 1,55mm. Có bằng chứng cho thấy lớp epitaxy In0,52Al0,48As mỏng có thể đạt được đặc tính khuếch đại tốt hơn InP khi sử dụng làm lớp nhân trong điều kiện tiêm electron thuần túy.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs và InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Tốc độ ion hóa va chạm của vật liệu là một 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 nhân tạo sự gián đoạn cạnh dải bất đối xứng giữa các giá trị dải dẫn và dải hóa trị, và đảm bảo rằng sự gián đoạn của dải dẫn lớn hơn nhiều so với sự gián đoạn của dải hóa trị (ΔEc>>ΔEv). So với vật liệu khối InGaAs, tốc độ ion hóa điện tử giếng lượng tử InGaAs/InAlAs (a) tăng lên đáng kể và các electron và lỗ trống thu được thêm năng lượng. Do ΔEc>>ΔEv, có thể mong đợi rằng năng lượng mà electron thu được làm tăng tốc độ ion hóa điện tử nhiều hơn nhiều so với sự đóng góp của năng lượng lỗ trống vào tốc độ ion hóa lỗ trống (b). Tỷ số (k) của tốc độ ion hóa điện tử so với tốc độ ion hóa lỗ trống tăng lên. Do đó, có thể đạt được hiệu suất tích băng thông khuếch đại (GBW) cao và nhiễu thấp bằng cách áp dụng cấu trúc siêu mạng. Tuy nhiên, APD cấu trúc giếng lượng tử InGaAs/InAlAs này, vốn có thể làm tăng giá trị k, lại khó áp dụng cho bộ thu quang. Điều này là do hệ số nhân ảnh hưởng đến độ đáp ứng tối đa bị giới hạn bởi dòng tối, chứ không phải nhiễu nhân. Trong cấu trúc này, dòng tối chủ yếu do hiệu ứng đường hầm của lớp giếng InGaAs có khoảng cách dải hẹp, do đó, việc đưa vào hợp kim bậc bốn có khoảng cách dải rộng, chẳng hạn như InGaAsP hoặc InAlGaAs, thay vì InGaAs làm lớp giếng của cấu trúc giếng lượng tử, có thể triệt tiêu dòng tối.
Thời gian đăng: 13-11-2023