ความก้าวหน้าล่าสุดในเครื่องตรวจจับหิมะถล่มที่มีความไวสูง

ความก้าวหน้าล่าสุดในเครื่องตรวจจับหิมะถล่มที่มีความไวสูง

ความไวสูงที่อุณหภูมิห้อง 1550 นาโนเมตรเครื่องตรวจจับโฟโตไดโอดหิมะถล่ม

ในย่านความถี่ใกล้อินฟราเรด (SWIR) ไดโอดหิมะถล่มความเร็วสูงความไวสูงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการสื่อสารด้วยออปโตอิเล็กทรอนิกส์และการประยุกต์ใช้ LiDAR อย่างไรก็ตาม โฟโตไดโอดหิมะถล่มอินฟราเรดใกล้ (APD) ในปัจจุบัน ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ไดโอดสลายหิมะถล่มอินเดียมแกลเลียมอาร์เซนิก (InGaAs APD) มักถูกจำกัดด้วยสัญญาณรบกวนการชนกันแบบสุ่มของวัสดุบริเวณทวีคูณแบบดั้งเดิม ได้แก่ อินเดียมฟอสไฟด์ (InP) และอินเดียมอะลูมิเนียมอาร์เซนิก (InAlAs) ส่งผลให้ความไวของอุปกรณ์ลดลงอย่างมาก ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา นักวิจัยจำนวนมากกำลังมองหาวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ใหม่ๆ ที่เข้ากันได้กับกระบวนการแพลตฟอร์มออปโตอิเล็กทรอนิกส์ InGaAs และ InP และมีประสิทธิภาพสัญญาณรบกวนการชนกันที่ต่ำมากเทียบเท่ากับวัสดุซิลิคอนจำนวนมาก

เครื่องตรวจจับโฟโตไดโอดหิมะถล่ม 1550 นาโนเมตรที่เป็นนวัตกรรมใหม่ช่วยพัฒนาระบบ LiDAR

ทีมนักวิจัยในสหราชอาณาจักรและสหรัฐอเมริกาประสบความสำเร็จในการพัฒนาเครื่องตรวจจับภาพ APD ที่มีความไวแสงสูงพิเศษ 1550 นาโนเมตรเป็นครั้งแรกเครื่องตรวจจับหิมะถล่ม) ซึ่งเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่จะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ LiDAR และแอพพลิเคชั่นออปโตอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ได้อย่างมาก

วัสดุใหม่มีข้อได้เปรียบที่สำคัญ

จุดเด่นของงานวิจัยนี้คือการใช้วัสดุอย่างสร้างสรรค์ นักวิจัยเลือก GaAsSb เป็นชั้นดูดซับ และ AlGaAsSb เป็นชั้นทวีคูณ การออกแบบนี้แตกต่างจาก InGaAs/InP แบบดั้งเดิม และมีข้อได้เปรียบที่สำคัญดังนี้

1.ชั้นการดูดซับ GaAsSb: GaAsSb มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับคล้ายกับ InGaAs และการเปลี่ยนผ่านจากชั้นการดูดซับ GaAsSb ไปเป็น AlGaAsSb (ชั้นทวีคูณ) ง่ายกว่า ช่วยลดเอฟเฟกต์การดักจับ และปรับปรุงความเร็วและประสิทธิภาพการดูดซับของอุปกรณ์

2. ชั้นตัวคูณ AlGaAsSb: ชั้นตัวคูณ AlGaAsSb มีประสิทธิภาพเหนือกว่าชั้นตัวคูณ InP และ InAlAs แบบดั้งเดิม เห็นได้ชัดจากค่าเกนสูงที่อุณหภูมิห้อง แบนด์วิดท์สูง และสัญญาณรบกวนส่วนเกินต่ำเป็นพิเศษ

ด้วยตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม

ใหม่เครื่องตรวจจับภาพ APD(เครื่องตรวจจับโฟโตไดโอดหิมะถล่ม) ยังนำเสนอการปรับปรุงที่สำคัญในตัวชี้วัดประสิทธิภาพ:

1. อัตราขยายที่สูงเป็นพิเศษ: อัตราขยายที่สูงเป็นพิเศษถึง 278 เกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้อง และล่าสุด ดร. จินเสี่ยว ได้ปรับปรุงโครงสร้างและกระบวนการให้เหมาะสมยิ่งขึ้น และเพิ่มอัตราขยายสูงสุดเป็น M=1212

2. เสียงรบกวนต่ำมาก: แสดงเสียงรบกวนส่วนเกินที่ต่ำมาก (F < 3, ค่าเกน M = 70; F<4, ค่าเกน M=100)

3. ประสิทธิภาพควอนตัมสูง: ภายใต้อัตราขยายสูงสุด ประสิทธิภาพควอนตัมสูงถึง 5935.3% มีเสถียรภาพอุณหภูมิสูง: ความไวต่อการสลายที่อุณหภูมิต่ำอยู่ที่ประมาณ 11.83 mV/K

รูปที่ 1 เสียงรบกวนส่วนเกินของ APDอุปกรณ์ตรวจจับแสงเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องตรวจจับภาพ APD อื่นๆ

โอกาสในการประยุกต์ใช้ที่กว้างขวาง

APD ใหม่นี้มีความสำคัญต่อระบบ liDAR และแอปพลิเคชันโฟตอน:

1. อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ได้รับการปรับปรุง: คุณลักษณะของเกนสูงและสัญญาณรบกวนที่ต่ำช่วยปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนได้อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีโฟตอนต่ำ เช่น การตรวจสอบก๊าซเรือนกระจก

2. ความเข้ากันได้ที่แข็งแกร่ง: เครื่องตรวจจับภาพ APD ใหม่ (เครื่องตรวจจับภาพหิมะถล่ม) ได้รับการออกแบบมาให้เข้ากันได้กับแพลตฟอร์มออปโตอิเล็กทรอนิกส์อินเดียมฟอสไฟด์ (InP) ในปัจจุบัน ช่วยให้สามารถบูรณาการกับระบบการสื่อสารเชิงพาณิชย์ที่มีอยู่ได้อย่างราบรื่น

3. ประสิทธิภาพการทำงานสูง: สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิห้องโดยไม่ต้องใช้กลไกการทำความเย็นที่ซับซ้อน ทำให้การปรับใช้ในงานปฏิบัติจริงต่างๆ ง่ายขึ้น

การพัฒนาเครื่องตรวจจับภาพ SACM APD ขนาด 1550 นาโนเมตรรุ่นใหม่นี้ (เครื่องตรวจจับภาพหิมะถล่ม) ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในวงการนี้ โดยช่วยแก้ไขข้อจำกัดสำคัญที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณรบกวนส่วนเกินและผลิตภัณฑ์แบนด์วิดท์เกนในการออกแบบเครื่องตรวจจับภาพ APD (เครื่องตรวจจับภาพหิมะถล่ม) แบบดั้งเดิม นวัตกรรมนี้คาดว่าจะช่วยเพิ่มขีดความสามารถของระบบ liDAR โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบ liDAR ไร้คนขับ รวมถึงการสื่อสารในอวกาศ