Những tiến bộ gần đây trong các máy dò quang tuyết lở có độ nhạy cao

Những tiến bộ gần đây trongmáy dò quang tuyết lở có độ nhạy cao

Độ nhạy cao ở nhiệt độ phòng 1550 nmmáy dò quang điện lở tuyết

Trong dải hồng ngoại gần (SWIR), các diode avalanche tốc độ cao độ nhạy cao được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng truyền thông quang điện tử và LiDAR. Tuy nhiên, diode quang avalanche (APD) gần hồng ngoại hiện tại, chủ yếu là diode đánh thủng avalanche Indium gallium arsenic (InGaAs APD), luôn bị hạn chế bởi nhiễu ion hóa va chạm ngẫu nhiên của các vật liệu vùng nhân truyền thống, indium phosphide (InP) và indium aluminum arsenic (InAlAs), dẫn đến độ nhạy của thiết bị giảm đáng kể. Trong những năm qua, nhiều nhà nghiên cứu đang tích cực tìm kiếm các vật liệu bán dẫn mới tương thích với các quy trình nền tảng quang điện tử InGaAs và InP và có hiệu suất nhiễu ion hóa tác động cực thấp tương tự như vật liệu silicon khối.

Máy dò quang điện tuyết lở 1550 nm cải tiến giúp phát triển các hệ thống LiDAR

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Vương quốc Anh và Hoa Kỳ lần đầu tiên đã phát triển thành công một bộ tách sóng quang APD 1550 nm có độ nhạy cực cao mới (máy dò quang tuyết lở), một bước đột phá hứa hẹn sẽ cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống LiDAR và các ứng dụng quang điện tử khác.

Vật liệu mới mang lại những lợi thế quan trọng

Điểm nổi bật của nghiên cứu này là việc sử dụng vật liệu tiên tiến. Các nhà nghiên cứu đã chọn GaAsSb làm lớp hấp thụ và AlGaAsSb làm lớp nhân. Thiết kế này khác với InGaAs/InP truyền thống và mang lại những ưu điểm đáng kể:

1. Lớp hấp thụ GaAsSb: GaAsSb có hệ số hấp thụ tương tự như InGaAs và quá trình chuyển đổi từ lớp hấp thụ GaAsSb sang AlGaAsSb (lớp nhân) dễ dàng hơn, giúp giảm hiệu ứng bẫy và cải thiện tốc độ cũng như hiệu quả hấp thụ của thiết bị.

2. Lớp nhân AlGaAsSb: Lớp nhân AlGaAsSb có hiệu suất vượt trội hơn so với lớp nhân InP và InAlAs truyền thống. Điều này chủ yếu thể hiện ở độ khuếch đại cao ở nhiệt độ phòng, băng thông rộng và nhiễu dư cực thấp.

Với các chỉ số hiệu suất tuyệt vời

Cái mớiBộ tách sóng quang APD(máy dò quang điện lở tuyết) cũng mang lại những cải tiến đáng kể về số liệu hiệu suất:

1. Độ khuếch đại cực cao: Độ khuếch đại cực cao 278 đạt được ở nhiệt độ phòng và gần đây Tiến sĩ Jin Xiao đã cải thiện quá trình và tối ưu hóa cấu trúc, độ khuếch đại tối đa đã tăng lên M=1212.

2. Độ nhiễu rất thấp: cho thấy độ nhiễu dư thừa rất thấp (F < 3, độ khuếch đại M = 70; F < 4, độ khuếch đại M = 100).

3. Hiệu suất lượng tử cao: ở mức tăng tối đa, hiệu suất lượng tử cao tới 5935,3%. Độ ổn định nhiệt độ cao: độ nhạy đánh thủng ở nhiệt độ thấp là khoảng 11,83 mV/K.

Hình 1 Tiếng ồn dư thừa của APDthiết bị dò quangso với các bộ tách sóng quang APD khác

Triển vọng ứng dụng rộng rãi

APD mới này có ý nghĩa quan trọng đối với các hệ thống liDAR và ứng dụng photon:

1. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu được cải thiện: Đặc tính khuếch đại cao và nhiễu thấp cải thiện đáng kể tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu, điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng trong môi trường ít photon, chẳng hạn như giám sát khí nhà kính.

2. Khả năng tương thích mạnh mẽ: Bộ tách sóng quang APD (bộ tách sóng quang tuyết lở) mới được thiết kế để tương thích với các nền tảng quang điện tử indium phosphide (InP) hiện tại, đảm bảo tích hợp liền mạch với các hệ thống truyền thông thương mại hiện có.

3. Hiệu suất hoạt động cao: Có thể hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ phòng mà không cần cơ chế làm mát phức tạp, giúp đơn giản hóa việc triển khai trong nhiều ứng dụng thực tế khác nhau.

Sự phát triển của bộ tách sóng quang APD SACM (bộ tách sóng quang tuyết lở) 1550 nm mới này là một bước đột phá lớn trong lĩnh vực này. Nó giải quyết những hạn chế chính liên quan đến nhiễu dư thừa và các sản phẩm băng thông tăng ích trong các thiết kế bộ tách sóng quang APD (bộ tách sóng quang tuyết lở) truyền thống. Sự đổi mới này được kỳ vọng sẽ nâng cao khả năng của các hệ thống LiDAR, đặc biệt là trong các hệ thống LiDAR không người lái, cũng như trong truyền thông không gian tự do.