SemicDuctors (APD)Bộ đếm link chuẩn của w88 đơn-Nguyên tắc

Tổng quan về IngaaS/INP, đếm link chuẩn của w88 dựa trên APD tại các bước sóng giao tiếp
Band O (1260-1360nm) tập trung vào khoảng 1310nm và băng tần C (1530-1565nm) tập trung vào khoảng 1550nm với độ suy giảm ít nhất của sợi
Các bộ đếm link chuẩn của w88 APD INGAAS/INP có phạm vi quang phổ từ 900nm đến 1700nm và được sử dụng cho các ứng dụng không giao tiếp
Đếm link chuẩn của w88 ở bước sóng có thể nhìn thấy (vis) là cùng một nguyên tắc, nhưng hiệu suất rất khác nhau

1 Avalanche Photodiode (APD)

Thành phần chính của bộ đếm link chuẩn của w88 là photodiode Avalanche (APD)
Trong điện tử, diode là thành phần điện tử hai đầu với các đặc tính truyền không đối xứng, có điện trở thấp với dòng chảy theo một hướng (lý tưởng là 0) và điện trở cao (lý tưởng là vô hạn) theo hướng khác
Hiện tại loại diode bán dẫn phổ biến nhất là một mảnh tinh thể của vật liệu bán dẫn có điểm giao nhau P-N được kết nối với hai đầu cuối điện
Chức năng phổ biến nhất của diode là cho phép dòng điện chảy theo một hướng (được gọi là hướng chuyển tiếp của một diode) và cắt bỏ dòng điện ngược (ngược)

Photodiode là một loại photodetector có thể chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện hoặc điện áp tùy thuộc vào chế độ hoạt động
Photodiodes giống với các điốt bán dẫn thông thường ngoại trừ chúng được tiếp xúc hoặc đóng gói với các kết nối cửa sổ hoặc sợi quang để ánh sáng đến các khu vực nhạy cảm của thiết bị
Nhiều điốt được thiết kế cụ thể để sử dụng làm photodiodes sử dụng các mối nối pin thay vì các điểm nối P-n để cải thiện tốc độ phản hồi
Photodiode được thiết kế để hoạt động với độ lệch ngược

Photodiodes Avalanche (APD) là các thiết bị điện tử bán dẫn có độ nhạy cao, chuyển đổi ánh sáng thành điện bằng hiệu ứng quang điện (Hình 1)
APD có thể được coi là một bộ quang điện với mức tăng giai đoạn đầu tiên được tích hợp từ phép nhân Avalanche
APD phát huy hiệu ứng tăng dòng điện nội bộ (hiệu ứng tuyết lở) do ion hóa tác động bằng cách áp dụng điện áp sai lệch ngược cao
Nói chung, điện áp sai lệch ngược càng cao, mức tăng càng cao Đối với APD, điện áp thiên vị ngược luôn ở dưới điện áp phân hủy và các APD không đủ nhạy để phát hiện các link chuẩn của w88 đơn
Điện áp phân hủy diode là điện áp đảo ngược tối thiểu để tạo dẫn truyền diode theo hướng ngược lại

Hình 1 Hình 1

Diode Avalanche đơn (SPAD) (còn được gọi là APD chế độ Geiger, bộ đếm link chuẩn của w88, SPAD và máy dò link chuẩn của w88 đơn) là một loại quang điện tử trạng thái rắn với các điểm nối P-N ngược
SPAD có thể phát hiện tín hiệu cường độ thấp (lên đến đơn lẻ) Sự khác biệt cơ bản giữa SPAD và APD là SPAD được thiết kế đặc biệt để hoạt động ở điện áp sai lệch ngược trên điện áp phân hủy (và ngược lại, APD hoạt động ở điện áp thiên vị bên dưới điện áp phân hủy)
Loại hành vi này cũng được gọi là chế độ Geiger trong tài liệu do sự giống nhau của nó với các quầy Geiger

2 Nguyên tắc đếm link chuẩn của w88

Hình 2 Hiển thị các đặc điểm I-V (điện áp hiện tại) của APD, cho thấy độ nhạy của link chuẩn của w88 đơn đạt được như thế nào
Chế độ này còn được gọi là chế độ Geiger APD bị sai lệch với điện áp sai lệch vượt quá VBR giá trị phân hủy và ở trạng thái có thể di chuyển (điểm A) Trạng thái này vẫn còn cho đến khi nhà cung cấp điện tích chính được tạo ra
Trong trường hợp này, sự khuếch đại về cơ bản là vô hạn và thậm chí sự hấp thụ link chuẩn của w88 đơn lẻ cũng gây ra một trận tuyết lở dẫn đến các xung dòng vĩ mô (chỉ ra A đến B), có thể dễ dàng phát hiện bằng các mạch điện tử phù hợp
Mạch này cũng cần giới hạn giá trị của dòng chảy qua thiết bị để ngăn chặn thiệt hại của thiết bị và làm dịu trận tuyết lở để đặt lại thiết bị (điểm B đến C) Sau một khoảng thời gian nhất định, điện áp sai lệch dư thừa được khôi phục (điểm C đến điểm A) và APD đã sẵn sàng để phát hiện một link chuẩn của w88 một lần nữa
Giá trị thực của điện áp phân hủy phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn, cấu trúc thiết bị và nhiệt độ
Ingaas/APD INP, thường là khoảng 50v Hiệu quả phát hiện và tiếng ồn của APD ở chế độ Geiger phụ thuộc vào điện áp sai lệch dư thừa

Hình 2 Điện áp thiên vị

3 Giải thích thuật ngữ

A) Hiệu quả phát hiện

Hiệu suất của APD photodiode Avalanche trong chế độ phát hiện link chuẩn của w88 đơn được đặc trưng chủ yếu bởi hiệu suất phát hiện của nó
Số tiền này tương ứng với xác suất một link chuẩn của w88 được phát hiện va chạm với photodiode
Hiệu suất phát hiện của Ingaas SPAD dựa trên hai yếu tố khác nhau

Xác suất của các link chuẩn của w88 được hấp thụ bởi lớp IngaaS
11291_11345

Trong bộ đếm link chuẩn của w88 dựa trên sợi, có thể có một số tổn thất khớp nối giữa sợi và vùng hoạt động của photodiode
Để bù cho điều này, tăng nhẹ điện áp thiên vị để đạt được hiệu quả phát hiện tương tự
Điều này sẽ tăng một chút tốc độ đếm tối Tăng điện áp phân cực dư làm tăng hiệu quả phát hiện lượng tử
Hiệu suất phát hiện cao 25% là điển hình cho các photodiodes IngaAs/INP ở 1550nm
Mô -đun đếm link chuẩn của w88 Ingaas/INP, hiệu quả phát hiện có thể điều chỉnh
Hiệu quả phát hiện, hiệu quả phát hiện lượng tử và xác suất phát hiện là từ đồng nghĩa

Hình 3 Phổ nhận ánh sáng (Typ) Ingaas / INP Photodiode

b) Đếm tối

Trong SAPD, tuyết lở có thể được tạo ngẫu nhiên bởi các nhà mạng được tạo ra bởi các quá trình nhiệt, đường hầm và bẫy diễn ra tại các điểm nối Những điều này gây ra một hiệu ứng tự chiến đấu gọi là đếm tối
Cách dễ nhất để giảm số lượng tối là làm mát máy dò Điều này làm giảm sự xuất hiện của các hãng vận tải được tạo ra nhiệt
Ở nhiệt độ thấp, do đó, số lượng tối bị chi phối bởi các nhà mạng được tạo ra bởi đường hầm giữa các dải và điện tích bị mắc kẹt (C bên dưới)
Tăng điện áp sai lệch vượt quá làm tăng sự xuất hiện của số lượng tối, cải thiện hiệu quả phát hiện và giảm thời gian jitter
Do đó, điểm hoạt động tại điểm điện áp thiên vị phải được chọn cẩn thận
Trong chế độ cổng, hiệu ứng này thường được định lượng là xác suất đếm tối trên mỗi nano giây của thời lượng cổng

12514_12590

C) Afterpulse

Một vấn đề lớn giới hạn hiệu suất của IngaAs/APP hiện tại là tỷ lệ đếm tối tăng do cái gọi là sau đó
Hiệu ứng giả này là do mức độ bẫy của các nhà mạng điện tích trong khu vực trường cao của ngã ba nơi xảy ra ion hóa va chạm trong trận tuyết lở
Nếu sau đó được phát hành, các nhà mạng bị mắc kẹt này có thể gây ra cái gọi là hậu quả
12865_12913
Xác suất của các sự kiện này cũng tỷ lệ thuận với số lượng bẫy đầy, nhưng điều này cũng tỷ lệ thuận với điện tích vượt qua ngã ba như tuyết lở trước khi dập tắt xảy ra
Đảm bảo làm nguội nhanh các trận tuyết lở có thể giới hạn tổng số lượng điện tích
Điều quan trọng cần lưu ý là giảm nhiệt độ hoạt động của APD sẽ dẫn đến tuổi thọ dài hơn của các điện tích bị mắc kẹt
Do đó, nhiệt độ làm mát phải được lựa chọn cẩn thận để giảm thiểu tổng tốc độ đếm tối (bao gồm cả hậu quả)
Nhiệt độ tối ưu thường là khoảng 220K đối với IngaaS/INP SPAD hiện tại
Cho đến nay, kỹ thuật giảm số lượng tối tăng do hậu quả đã được sử dụng thời gian chết
Sau sự kiện phát hiện, nếu điện áp SPAD tổng thể được duy trì bên dưới điện áp phân hủy trong khoảng thời gian dài hơn tuổi thọ bẫy, mức bẫy trống rỗng và giá tuyết không thể được kích hoạt
Phạm vi thời gian bẫy điển hình trong phạm vi cho Ingaas/inp spad
Đã được chứng minh là hữu ích khi sử dụng thời gian chết (= lần khi điện áp không tăng lên trên sự cố) để triệt tiêu cổng trong một khoảng thời gian dài hơn so với thời gian tồn tại của điện tích bị mắc kẹt sau mỗi trận tuyết lở
Với tốc độ kích hoạt 100 MHz, khoảng thời gian giữa hai cổng là 10ns
Vì vậy, thời gian chết 1 người chặn 100 cổng tiếp theo và giới hạn tốc độ đếm tối đa là 1 MHz
Điều này được bật ở chế độ Gated Trong chế độ chạy miễn phí, thời gian chết cũng hạn chế tốc độ đếm
Sau khi kết thúc thời gian chết, các link chuẩn của w88 có thể được phát hiện trong một khoảng thời gian không giới hạn trước khi tạo ra vận chuyển điện tích chính được tạo ra

D) Độ phân giải thời gian

Trong nhiều ứng dụng, độ phân giải thời gian của máy dò (jitter) cũng rất quan trọng
Jitter là một độ lệch không mong muốn so với tính tuần hoàn thực của tín hiệu định kỳ dự kiến
Điều này đề cập đến sự thay đổi thời gian của tín hiệu đầu ra điện của máy dò so với tín hiệu quang theo định kỳ
Hiệu suất thời gian thường cải thiện với điện áp thiên vị quá mức
Để định lượng điều này, một xung ánh sáng ngắn, yếu được gửi đến máy dò
và giám sát sự lây lan của thế hệ xung tuyết lở với bộ chuyển đổi kỹ thuật số thời gian
Độ phân giải thời gian xấp xỉ 200ps FWHM là điển hình cho IngaAs/INP Spad

Hình 4 Đo thời gian đo INGAAS/INP (ID210)

4 Chế độ Analog và Geiger

A) Chế độ Avalanche (Chế độ tuyến tính)

Photodiodes Avalanche (APDS) hoạt động ở chế độ được gọi là chế độ tương tự
Điều này có nghĩa là điện áp thiên vị được áp dụng cho diode luôn ở dưới điện áp phân hủy
Tín hiệu đầu ra tỷ lệ thuận với cường độ của ánh sáng tới APD ở chế độ tương tự không có đủ độ nhạy để phát hiện các link chuẩn của w88 đơn

b) Chế độ Avalanche đơn (Chế độ Geiger)

14805_14880
SPADS (Diode Avalanche đơn lẻ) còn được gọi là bộ đếm link chuẩn của w88
Các mô -đun này hoạt động ở chế độ kỹ thuật số, còn được gọi là chế độ Geiger
Điều này có nghĩa là điện áp thiên vị được áp dụng cho diode lớn hơn hoặc bằng sự cố
Khi phát hiện một link chuẩn của w88, một trận tuyết lở được tạo ra và để dừng tuyết lở, điện áp thiên vị được đặt bên dưới điện áp phân hủy và một lần nữa để làm cho nó nhạy cảm hơn
Máy dò chỉ nhạy khi điện áp thiên vị vượt quá sự cố
Tín hiệu đầu ra không tỷ lệ thuận với cường độ của ánh sáng tới SPAD đủ nhạy để phát hiện các link chuẩn của w88 đơn

Hình 5 Chế độ Avalanche (tuyến tính) và Chế độ Avalanche link chuẩn của w88 đơn

5 So sánh chế độ Freerun và Gate

Chế độ chạy miễn phí:

Chế độ chạy miễn phí: Chế độ này được gọi là thời gian chết, được sử dụng để làm dịu trận tuyết lở chỉ sau khi Avalanche xảy ra, trong một thời gian rất ngắn trước khi điện áp thiên vị giảm xuống dưới sự cố
Đối với các thời điểm khác, SPAD được bật khi điện áp thiên vị lớn hơn hoặc bằng sự cố
Nếu Avalanche xảy ra trong SPAD sau khi phát hiện các link chuẩn của w88 hoặc số lượng tối, nó sẽ được phát hiện bởi các thiết bị điện tử bắt giữ
Một xung được tạo ra ở đầu ra phát hiện của thiết bị và thiết bị điện tử làm giảm Avalanche
Để giới hạn hậu quả, điện áp thiên vị Spad được duy trì dưới sự cố (trạng thái SPAD bị tắt) cho đến khi thời gian chết kết thúc
Chế độ tự do rất hữu ích cho các ứng dụng không rõ thời gian đến của link chuẩn của w88

Hình 6 Chế độ chạy miễn phí

Chế độ Gated (Chế độ kích hoạt):

SPAD hỗ trợ có thể bị sai lệch trên điện áp phân hủy trong một khoảng thời gian ngắn
Lần này được gọi là cổng và có thể được điều chỉnh theo chiều rộng và tần số thời gian với trình kích hoạt bên ngoài hoặc bên trong
Máy dò chỉ có thể nhận được ánh sáng khi cổng mở
Vì vậy, chế độ cổng được sử dụng cho các ứng dụng có thời gian đến link chuẩn của w88 đã biết
Chế độ này làm giảm đáng kể tốc độ đếm tối
Không có link chuẩn của w88 nào được phát hiện nếu cổng không mở hoặc nếu thời gian chết được áp dụng (sau lần phát hiện cuối cùng)
Nếu Avalanche xảy ra trong cổng do phát hiện link chuẩn của w88 hoặc phát hiện đếm tối, một xung là đầu ra cho đầu nối phát hiện
Điện tử làm nguội có thể đóng cổng và áp dụng thời gian chết để tạo ra một hoặc nhiều xung trống

Hình 7 Chế độ cổng

Hình 8 Chế độ chạy miễn phí, chế độ cổng

6 Giảm sau khi sử dụng thời gian chết

Thời gian chết được áp dụng sau mỗi lần phát hiện (thực hoặc tối)
SPAD Nếu điện áp tổng thể được duy trì bên dưới điện áp phân hủy trong một khoảng thời gian đủ dài, tức là dài hơn tuổi thọ bẫy, mức bẫy trống và giá tuyết không thể được kích hoạt
Phạm vi thời gian bẫy điển hình trong phạm vi cho Ingaas/inp spad

Hình 9 Hình 9

Nếu một link chuẩn của w88 đạt đến một photodiode IngaAs/INP và tạo ra một trận tuyết lở, thời gian chết (thời gian không áp dụng điện áp cho photodiode) phải được cung cấp sau khi dập tắt (dừng tuyết lở)
18002_18086
Nếu có quá nhiều nhà mạng bị giới hạn trong photodiode, một trận tuyết lở mới có thể xảy ra khi cổng tiếp theo được mở hoặc thời gian chết kết thúc và được tính là sau đó (= "nhiễu")

Một thời gian chết ngắn (hoặc không có thời gian chết) dẫn đến số lượng hậu quả cao hơn
Nếu bạn làm điều đó, bạn có thể nhận được ấn tượng rằng tốc độ đếm cao và hiệu suất lượng tử cao, nhưng đây chỉ là tiếng ồn
XEM DOWN hình dạng của đường cong "Tốc độ đếm so với tốc độ kích hoạt" khi thời gian chết được thay đổi

Hình 10 Tần số Rigger cho số lần chết là tham số (chế độ cổng ID210) Hình 10 Tần số kích hoạt cho số đếm thời gian chết được sử dụng làm tham số (chế độ cổng ID210)

Bạn có thể thấy rõ thời gian chết ảnh hưởng đến tỷ lệ hậu quả như thế nào
Ví dụ: nếu tốc độ kích hoạt cao hơn 1 MHz, thời gian chết 5 có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ sau khi tạo ra
Xin lưu ý rằng thời gian chết làm giảm tỷ lệ hậu quả, nhưng cũng làm giảm số lượng phát hiện từ ánh sáng

7 Chiều rộng cổng danh nghĩa so với hiệu quả

Sơ đồ thời gian dưới đây cho thấy một tờ niên đồng thực tế có tính đến tốc độ xoay của các giai đoạn electron khác nhau (giả sử rằng thời gian vận chuyển của các giai đoạn electron là không đáng kể)
Lưu ý rằng chiều rộng của tín hiệu điều khiển cổng khác với chiều rộng của tín hiệu đầu ra cổng
Quan trọng hơn, chiều rộng tín hiệu điều khiển cổng (chiều rộng được áp dụng bởi người dùng) lớn hơn chiều rộng cổng hiệu quả
Tăng điện áp vượt quá, tức là hiệu quả, sự khác biệt giữa chiều rộng cổng ứng dụng và chiều rộng cổng thực tế trở nên nhỏ hơn
Lưu ý rằng hiệu ứng này cũng có thể được nhìn thấy bằng cách tạo một biểu đồ nhớ các số tối bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi theo thời gian sang kỹ thuật số Từ lời giải thích đơn giản này, chúng ta có thể kết luận rằng:

Có một sự khác biệt giữa chiều rộng cổng được áp dụng bởi người dùng và chiều rộng cổng hợp lệ
Cài đặt chiều rộng cổng nhỏ có thể dẫn đến hiệu suất cực đại thấp hơn mức thiết lập hiện tại hoặc không có hiệu quả nào (có thể là điện áp quá mức thấp)
ID210 đã được đánh giá một cách công bằng với chiều rộng cổng hiệu quả FWHM đo được là 1Ns
Cần lưu ý rằng tốc độ đếm tối, được biểu thị trên mỗi ns chiều rộng tín hiệu điều khiển cổng, được đánh giá thấp đáng kể nếu chiều rộng tín hiệu điều khiển cổng lớn hơn nhiều so với chiều rộng cổng hiệu quả

Cuối cùng, lưu ý rằng việc giảm chiều rộng cổng hiệu quả cũng là do thời gian tích lũy hiện tại của trận tuyết lở

Hình 11 Giá trị cài đặt chiều rộng cổng và giá trị hiệu quả

8 Tính tuyến tính của xác suất tiếp nhận ánh sáng

Hình 12 Tính tuyến tính của xác suất tiếp nhận ánh sáng

A) Chế độ Gated

Khi sử dụng bộ đếm link chuẩn của w88, bạn có thể dễ dàng bão hòa thiết bị
Sử dụng nguồn laser gửi trung bình 2 link chuẩn của w88 trên mỗi xung, tốc độ đếm cao gấp đôi so với gửi trung bình 1 link chuẩn của w88 trên mỗi xung
Nếu không có tín hiệu quang được truyền với SPAD, tốc độ phát hiện sẽ là tốc độ đếm tối
Giữa các vùng bão hòa và tốc độ đếm tối, máy dò là "tuyến tính" và tốc độ đếm của máy dò tỷ lệ thuận với số lượng link chuẩn của w88 đến SPAD
Lưu ý: Điều này chỉ hợp lệ khi áp dụng thời gian chết (xem 6 Giảm sau khi xảy ra sau khi chết)

b) Chế độ chạy miễn phí

Điều này rất giống với chế độ Gated, ngoại trừ vùng bão hòa được xác định theo thời gian chết
5us のデッドタイムの場合、最大カウントレートは 1/5us = 200kHz =>bão hòa

9 link chuẩn của w88 đếm trong ánh sáng nhìn thấy

Thiết bị silicon (bước sóng nhìn thấy 350-900nm) thường không thể điều chỉnh hiệu suất lượng tử
Bộ đếm link chuẩn của w88 Silicon ID100 có thời gian chết là 45ns
Đối với các thiết bị silicon, thời gian bẫy là khoảng hàng chục nano giây và xác suất của một hậu trường được tạo ra là thấp
Thiết bị Silicon có độ jitter thấp, đặc biệt là tại ID100, là giá trị nhỏ 45PS Thông thường nó chỉ hoạt động ở chế độ chạy miễn phí

Hình 13 Hiệu quả tiếp nhận ánh sáng của bộ đếm link chuẩn của w88 silicon

Danh sách thông tin kỹ thuật