Ljósnemar og afmörkunarbylgjulengdir

Ljósskynjararog afskurðarbylgjulengdir

Þessi grein fjallar um efni og virkni ljósnema (sérstaklega svörunarferlið sem byggir á bandafræði), sem og lykilbreytur og notkunarsviðsmyndir mismunandi hálfleiðaraefna.
1. Meginregla: Ljósneminn starfar út frá ljósvirkni. Innfallandi ljóseindir þurfa að bera nægilega orku (meiri en bandbilsbreidd efnisins, Eg) til að örva rafeindir frá gildissviðinu yfir í leiðnisviðið og mynda þannig greinanlegt rafmerki. Orka ljóseinda er í öfugu hlutfalli við bylgjulengdina, þannig að skynjarinn hefur „mörkbylgjulengd“ (λ c) – hámarksbylgjulengd sem getur brugðist við, en utan hennar getur hann ekki brugðist á áhrifaríkan hátt. Hægt er að áætla mörkbylgjulengdina með formúlunni λ c ≈ 1240/Eg (nm), þar sem Eg er mælt í eV.
2. Helstu hálfleiðaraefni og eiginleikar þeirra:
Kísill (Si): bandbilsbreidd um 1,12 eV, afmörkunarbylgjulengd um 1107 nm. Hentar fyrir stuttbylgjulengdargreiningu eins og 850 nm, almennt notað fyrir skammdræga fjölþátta ljósleiðaratengingu (eins og gagnaver).
Gallíumarseníð (GaAs): bandbilsbreidd 1,42 eV, afmörkunarbylgjulengd um það bil 873 nm. Hentar fyrir 850 nm bylgjulengdarsviðið og er hægt að samþætta það við VCSEL ljósgjafa úr sama efni á einni flís.
Indíum gallíum arseníð (InGaAs): Hægt er að stilla bandbilsbreiddina á bilinu 0,36~1,42 eV og afmörkunarbylgjulengdin nær yfir 873~3542 nm. Það er aðal skynjaraefnið fyrir 1310 nm og 1550 nm ljósleiðarasamskiptaglugga, en krefst InP undirlags og er flókið að samþætta við sílikonrásir.
Germaníum (Ge): með bandbilsbreidd upp á um það bil 0,66 eV og afmörkunarbylgjulengd upp á um það bil 1879 nm. Það getur náð yfir svið frá 1550 nm til 1625 nm (L-band) og er samhæft við kísilundirlag, sem gerir það að mögulegri lausn til að lengja svörun við löng bönd.
Kísillgermaníummálmblanda (eins og Si0.5Ge0.5): bandbilsbreidd um 0,96 eV, afmörkunarbylgjulengd um 1292 nm. Með því að blanda germaníum í sílikon er hægt að lengja svörunarbylgjulengdina í lengri bönd á sílikonundirlaginu.
3. Tengsl við atburðarás forrits:
850 nm band:Ljósnemar úr sílikonieða hægt er að nota GaAs ljósnema.
1310/1550 nm band:InGaAs ljósnemareru aðallega notaðir. Ljósnemar úr hreinu germaníum eða kísillgermaníumblöndu geta einnig náð yfir þetta svið og hafa mögulega kosti í samþættingu með kísil.

Í heildina hefur verið kerfisbundið farið yfir eiginleika notkunar og bylgjulengdarsvið mismunandi hálfleiðaraefna í ljósnema, með því að skoða kjarnahugtökin bandkenning og bylgjulengdarmörk, og bent hefur verið á náið samband milli efnisvals, bylgjulengdarglugga ljósleiðarasamskipta og kostnaðar við samþættingarferli.