آشکارسازهای نوری و طول موج‌های قطع

ردیاب های نوریو طول موج‌های قطع

این مقاله بر مواد و اصول کار آشکارسازهای نوری (به ویژه مکانیسم پاسخ مبتنی بر نظریه باند) و همچنین پارامترهای کلیدی و سناریوهای کاربردی مواد نیمه‌هادی مختلف تمرکز دارد.
۱. اصل اساسی: آشکارساز نوری بر اساس اثر فوتوالکتریک عمل می‌کند. فوتون‌های فرودی باید انرژی کافی (بیشتر از پهنای شکاف نواری Eg ماده) را حمل کنند تا الکترون‌ها را از نوار ظرفیت به نوار رسانش تحریک کنند و یک سیگنال الکتریکی قابل تشخیص تشکیل دهند. انرژی فوتون با طول موج نسبت معکوس دارد، بنابراین آشکارساز دارای یک «طول موج قطع» (λ c) است - حداکثر طول موجی که می‌تواند پاسخ دهد، و فراتر از آن نمی‌تواند به طور موثر پاسخ دهد. طول موج قطع را می‌توان با استفاده از فرمول λ c ≈ 1240/Eg (nm) تخمین زد، که در آن Eg بر حسب eV اندازه‌گیری می‌شود.
۲. مواد نیمه‌هادی کلیدی و ویژگی‌های آنها:
سیلیکون (Si): پهنای باند حدود ۱.۱۲ eV، طول موج قطع حدود ۱۱۰۷ نانومتر. مناسب برای تشخیص طول موج کوتاه مانند ۸۵۰ نانومتر، که معمولاً برای اتصال فیبر نوری چند حالته با برد کوتاه (مانند مراکز داده) استفاده می‌شود.
گالیوم آرسنید (GaAs): پهنای باند گپ ۱.۴۲ eV، طول موج قطع تقریباً ۸۷۳ نانومتر. مناسب برای باند طول موج ۸۵۰ نانومتر، می‌تواند با منابع نوری VCSEL از همان ماده روی یک تراشه واحد ادغام شود.
ایندیوم گالیوم آرسنید (InGaAs): پهنای باند شکاف را می‌توان بین 0.36 تا 1.42 الکترون‌ولت تنظیم کرد و طول موج قطع آن 873 تا 3542 نانومتر را پوشش می‌دهد. این ماده، ماده اصلی آشکارساز برای پنجره‌های ارتباطی فیبر نوری 1310 نانومتر و 1550 نانومتر است، اما به یک زیرلایه InP نیاز دارد و ادغام آن با مدارهای مبتنی بر سیلیکون پیچیده است.
ژرمانیوم (Ge): با پهنای باند تقریباً 0.66 eV و طول موج قطع تقریباً 1879 نانومتر. این ماده می‌تواند 1550 نانومتر تا 1625 نانومتر (باند L) را پوشش دهد و با زیرلایه‌های سیلیکونی سازگار است، که آن را به یک راه حل عملی برای گسترش پاسخ به باندهای طولانی تبدیل می‌کند.
آلیاژ سیلیکون ژرمانیوم (مانند Si0.5Ge0.5): پهنای باند حدود 0.96 eV، طول موج قطع حدود 1292 نانومتر. با آلایش ژرمانیوم در سیلیکون، طول موج پاسخ را می‌توان به باندهای بلندتری روی زیرلایه سیلیکونی گسترش داد.
۳. ارتباط سناریوی برنامه:
باند ۸۵۰ نانومتر:آشکارسازهای نوری سیلیکونییا می‌توان از آشکارسازهای نوری GaAs استفاده کرد.
باند ۱۳۱۰/۱۵۵۰ نانومتر:آشکارسازهای نوری InGaAsآشکارسازهای نوری ژرمانیوم خالص یا آلیاژ ژرمانیوم سیلیکون نیز می‌توانند این محدوده را پوشش دهند و مزایای بالقوه‌ای در ادغام مبتنی بر سیلیکون داشته باشند.

به طور کلی، از طریق مفاهیم اصلی نظریه باند و طول موج قطع، ویژگی‌های کاربردی و محدوده پوشش طول موج مواد نیمه‌هادی مختلف در آشکارسازهای نوری به طور سیستماتیک بررسی شده و رابطه نزدیک بین انتخاب مواد، پنجره طول موج ارتباطی فیبر نوری و هزینه فرآیند ادغام مورد اشاره قرار گرفته است.