Tóm tắt: Cấu trúc cơ bản và nguyên lý hoạt động của bộ tách sóng quang thác lũ (bộ tách sóng quang APDBài viết giới thiệu các yếu tố cấu thành thiết bị, phân tích quá trình tiến hóa của cấu trúc thiết bị, tóm tắt tình trạng nghiên cứu hiện tại và nghiên cứu triển vọng phát triển của APD trong tương lai.
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 dẫnCác hạt tải điện được tạo ra do photon tới sẽ đi vào mạch ngoài dưới điện áp phân cực và tạo thành dòng quang điện có thể đo được. Ngay cả ở độ nhạy tối đa, một điốt quang PIN chỉ có thể tạo ra tối đa một cặp electron-lỗ trống, đây là một thiết bị không có độ khuếch đại bên trong. Để có độ nhạy cao hơn, có thể sử dụng điốt quang thác (APD). Hiệu ứng khuếch đại dòng quang điện của APD 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 được đủ năng lượng để va chạm với mạng tinh thể 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 do hấp thụ ánh sáng có thể tạo ra một lượng lớn cặp electron-lỗ trống và tạo thành một dòng quang điện thứ cấp lớn. Vì vậy, APD có độ nhạy cao và độ khuếch đại bên trong, giúp cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của thiết bị. APD chủ yếu sẽ được sử dụng trong các hệ thống truyền thông cáp quang đường dài hoặc nhỏ hơn với các hạn chế khác về công suất quang nhận được. Hiện nay, nhiều chuyên gia về thiết bị quang học rất lạc quan về triển vọng của APD và tin rằng nghiên cứu về 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 điện thác lũ(Bộ tách sóng quang APD)
2.1 Vật liệu
(1)Bộ tách sóng quang Si
Công nghệ vật liệu Si là một công nghệ đã trưởng thành và được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực vi điện tử, nhưng nó không phù hợp để chế tạo các thiết bị trong dải bước sóng 1,31mm và 1,55mm, vốn thường được chấp nhận trong lĩnh vực truyền thông quang học.
(2)Ge
Mặc dù đáp ứng quang phổ của Ge APD phù hợp với yêu cầu về tổn hao thấp và tán xạ thấp trong truyền dẫn quang học, nhưng quá trình chế tạo lại gặp nhiều khó khăn. Ngoài ra, tỷ lệ ion hóa electron và lỗ trống của Ge gần bằng () 1, do đó rất khó để chế tạo các thiết bị APD hiệu suất cao.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Việc lựa chọn In0.53Ga0.47As làm lớp hấp thụ ánh sáng của APD và InP làm lớp nhân là một phương pháp hiệu quả. Đỉnh hấp thụ của vật liệu In0.53Ga0.47As nằm ở bước sóng 1,65mm, 1,31mm, 1,55mm với hệ số hấp thụ cao khoảng 104cm-1, đây là vật liệu được ưu tiên sử dụng cho lớp hấp thụ của bộ детектор ánh sáng hiện nay.
(4)Bộ tách sóng quang InGaAs/TRONGbộ tách sóng quang
Bằng cách chọn InGaAsP làm lớp hấp thụ ánh sáng và InP làm lớp nhân, có thể chế tạo được APD với bước sóng đáp ứng từ 1-1,4mm, hiệu suất lượng tử cao, dòng điện tối thấp và độ khuếch đại thác lũ cao. Bằng cách lựa chọn các thành phần hợp kim khác nhau, hiệu suất tốt nhất cho các bước sóng cụ thể sẽ đạt được.
(5)InGaAs/InAlAs
Vật liệu In0.52Al0.48As có khe năng lượng (1,47eV) và không hấp thụ ở dải bước sóng 1,55mm. Có bằng chứng cho thấy lớp màng mỏng In0.52Al0.48As kết tinh có thể đạt được đặc tính khuếch đại tốt hơn so với InP khi được 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 do 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 do va chạm của lớp nhân có thể được cải thiện bằng cách đưa vào cấu trúc siêu mạng InGaAs(P)/InAlAs và In(Al)GaAs/InAlAs. Bằng cách sử dụng cấu trúc siêu mạng, kỹ thuật điều chỉnh dải năng lượng có thể kiểm soát một cách nhân tạo sự gián đoạn biên dải năng lượng bất đối xứng giữa các giá trị dải dẫn và dải hóa trị, và đảm bảo rằng sự gián đoạn dải dẫn lớn hơn nhiều so với sự gián đoạn dải hóa trị (ΔEc>>ΔEv). So với vật liệu khối InGaAs, tốc độ ion hóa electron của giếng lượng tử InGaAs/InAlAs (a) tăng lên đáng kể, và electron và lỗ trống thu được thêm năng lượng. Do ΔEc>>ΔEv, có thể dự đoán rằng năng lượng mà electron thu được làm tăng tốc độ ion hóa electron nhiều hơn đáng kể so với sự đóng góp của năng lượng lỗ trống vào tốc độ ion hóa lỗ trống (b). Tỷ lệ (k) giữa tốc độ ion hóa electron và tốc độ ion hóa lỗ trống tăng lên. Do đó, có thể đạt được tích số băng thông khuếch đại (GBW) cao và hiệu suất nhiễu thấp bằng cách áp dụng cấu trúc siêu mạng. Tuy nhiên, cấu trúc APD giếng lượng tử InGaAs/InAlAs này, có thể làm tăng giá trị k, lại khó áp dụng cho các bộ thu quang. Điều này là do hệ số nhân ảnh hưởng đến độ nhạy tối đa bị giới hạn bởi dòng điện tối, chứ không phải nhiễu nhân. Trong cấu trúc này, dòng điện tối chủ yếu do hiệu ứng xuyên hầm của lớp giếng InGaAs có khe năng lượng hẹp gây ra, vì vậy việc đưa vào hợp kim tứ cấp có khe năng lượng rộng, chẳng hạn như InGaAsP hoặc InAlGaAs, thay thế InGaAs làm lớp giếng của cấu trúc giếng lượng tử có thể triệt tiêu dòng điện tối.
Thời gian đăng bài: 13/11/2023