ความก้าวหน้าล่าสุดในเครื่องตรวจจับหิมะถล่มที่มีความไวสูง

ความก้าวหน้าล่าสุดในเครื่องตรวจจับหิมะถล่มที่มีความไวสูง

ความไวแสงสูงที่อุณหภูมิห้อง 1550 นาโนเมตรเครื่องตรวจจับโฟโตไดโอดหิมะถล่ม

ในแถบอินฟราเรดใกล้ (SWIR) ไดโอดอะวาแลนช์ความเร็วสูงที่มีความไวสูงถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบสื่อสารออปโตอิเล็กทรอนิกส์และแอพพลิเคชั่น liDAR อย่างไรก็ตาม ไดโอดอะวาแลนช์อินฟราเรดใกล้ (APD) ในปัจจุบันซึ่งมีไดโอดอะวาแลนช์อินเดียมแกลเลียมอาร์เซนิก (InGaAs APD) เป็นส่วนประกอบหลักนั้นมักถูกจำกัดด้วยสัญญาณรบกวนการแตกตัวของไอออนแบบการชนกันแบบสุ่มของวัสดุในบริเวณทวีคูณแบบดั้งเดิม ได้แก่ อินเดียมฟอสไฟด์ (InP) และอินเดียมอะลูมิเนียมอาร์เซนิก (InAlAs) ส่งผลให้ความไวของอุปกรณ์ลดลงอย่างมาก ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา นักวิจัยจำนวนมากพยายามค้นหาวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ใหม่ๆ ที่เข้ากันได้กับกระบวนการของแพลตฟอร์มออปโตอิเล็กทรอนิกส์ InGaAs และ InP และมีประสิทธิภาพสัญญาณรบกวนการแตกตัวของไอออนที่มีผลกระทบต่ำเป็นพิเศษซึ่งคล้ายกับวัสดุซิลิกอนจำนวนมาก

เครื่องตรวจจับโฟโตไดโอดหิมะถล่ม 1,550 นาโนเมตรที่เป็นนวัตกรรมใหม่ช่วยพัฒนาระบบ LiDAR

ทีมนักวิจัยในสหราชอาณาจักรและสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาเครื่องตรวจจับภาพ APD ที่มีความไวแสงสูงพิเศษ 1550 นาโนเมตรได้สำเร็จเป็นครั้งแรกเครื่องตรวจจับหิมะถล่ม) ซึ่งเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่จะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ LiDAR และแอพพลิเคชั่นออปโตอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ให้ดีขึ้นอย่างมาก

วัสดุใหม่มีข้อได้เปรียบสำคัญ

จุดเด่นของงานวิจัยนี้คือการใช้วัสดุอย่างสร้างสรรค์ นักวิจัยเลือก GaAsSb เป็นชั้นดูดซับและ AlGaAsSb เป็นชั้นทวีคูณ การออกแบบนี้แตกต่างจาก InGaAs/InP แบบดั้งเดิมและมีข้อดีที่สำคัญหลายประการ:

1.ชั้นการดูดซับ GaAsSb: GaAsSb มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับคล้ายกับ InGaAs และการเปลี่ยนจากชั้นการดูดซับ GaAsSb ไปเป็น AlGaAsSb (ชั้นตัวคูณ) ง่ายกว่า ลดเอฟเฟกต์กับดัก และปรับปรุงความเร็วและประสิทธิภาพการดูดซับของอุปกรณ์

2.ชั้นตัวคูณ AlGaAsSb: ชั้นตัวคูณ AlGaAsSb มีประสิทธิภาพเหนือกว่าชั้นตัวคูณ InP และ InAlAs แบบดั้งเดิม โดยจะสะท้อนให้เห็นได้อย่างชัดเจนจากค่าเกนสูงที่อุณหภูมิห้อง แบนด์วิดท์สูง และสัญญาณรบกวนส่วนเกินที่ต่ำเป็นพิเศษ

ด้วยตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม

ใหม่เครื่องตรวจจับภาพ APD(เครื่องตรวจจับโฟโตไดโอดหิมะถล่ม) ยังนำเสนอการปรับปรุงที่สำคัญในเมตริกประสิทธิภาพ:

1. อัตราขยายที่สูงเป็นพิเศษ: อัตราขยายที่สูงเป็นพิเศษถึง 278 เกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้อง และล่าสุด ดร. จิน เสี่ยว ได้ปรับปรุงโครงสร้างและกระบวนการให้เหมาะสม และอัตราขยายสูงสุดได้เพิ่มขึ้นเป็น M = 1212

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

3. ประสิทธิภาพควอนตัมสูง: ภายใต้ค่าเกนสูงสุด ประสิทธิภาพควอนตัมจะสูงถึง 5935.3% เสถียรภาพอุณหภูมิที่แข็งแกร่ง: ความไวต่อการสลายตัวที่อุณหภูมิต่ำอยู่ที่ประมาณ 11.83 mV/K

รูปที่ 1 เสียงรบกวนเกินของ APDอุปกรณ์ตรวจจับแสงเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องตรวจจับภาพ APD อื่นๆ

โอกาสในการประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย

APD ใหม่นี้มีความสำคัญต่อระบบ liDAR และแอปพลิเคชันโฟตอน:

1. อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ได้รับการปรับปรุง: คุณลักษณะของค่าเกนสูงและสัญญาณรบกวนที่ต่ำช่วยปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนได้อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีโฟตอนต่ำ เช่น การตรวจสอบก๊าซเรือนกระจก

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

3. ประสิทธิภาพการทำงานสูง: สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิห้องโดยไม่ต้องใช้กลไกการทำความเย็นที่ซับซ้อน ทำให้ง่ายต่อการนำไปใช้งานในแอปพลิเคชันปฏิบัติต่างๆ

การพัฒนาเครื่องตรวจจับภาพ APD แบบ SACM 1550 นาโนเมตร (เครื่องตรวจจับภาพหิมะถล่ม) รุ่นใหม่นี้ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในสาขานี้ โดยสามารถแก้ไขข้อจำกัดสำคัญที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณรบกวนที่มากเกินไปและผลิตภัณฑ์แบนด์วิดท์ที่เพิ่มขึ้นในเครื่องตรวจจับภาพ APD แบบดั้งเดิม (เครื่องตรวจจับภาพหิมะถล่ม) นวัตกรรมนี้คาดว่าจะช่วยเพิ่มขีดความสามารถของระบบ liDAR โดยเฉพาะในระบบ liDAR ที่ไม่มีคนควบคุม รวมถึงการสื่อสารในพื้นที่ว่าง