Selles blogipostituses tutvume laviinfotodioodide põhimõtte ja olulisusega, mis võimendavad optilises sides nõrku valgussignaale tõhusalt.
Optiline side kasutab valgust, mis võimaldab infot väga kiiresti edastada. Optilise sidekaabli pikkuse suurenedes aga valguse intensiivsus väheneb, mistõttu pikamaasides vastuvõetud optiline signaal võib muutuda väga nõrgaks. See on füüsikaline omadus: kuna valgus edastatakse footonite kaudu, tähendab nõrk valguse intensiivsus seda, et vastuvõtjani jõuab ajaühikus vähem footoneid. Seetõttu on optilises sides hädavajalikud seadmed, mis tuvastavad vähenenud arvu footoneid, ja laviinfotodioode kasutatakse laialdaselt pooljuhtseadmetena, mis muudavad nõrgad optilised signaalid mõõdetavateks elektrilisteks signaalideks.
Optiliste kiudude kvaliteet ja paigaldusmeetodid on olulised ka optiliste sidesüsteemide efektiivsuse ja töökindluse parandamiseks. Kvaliteetsed optilised kiud minimeerivad signaali kadu ja vähendavad keskkonnateguritest tingitud kahjustusi. Lisaks võivad isegi väikesed kahjustused või painutamine optiliste kiudude paigaldamise ajal põhjustada signaali kadu, seega on vaja täpseid paigaldustehnikaid.
Näiteks on allveelaevade optilised kaablid tuhandeid kilomeetreid pikad ning need on projekteeritud ja paigaldatud nii, et need taluksid süvamererõhku ja ookeanihoovusi. Need optilised kaablid mängivad rahvusvahelises andmesides keskset rolli ja moodustavad märkimisväärse osa ülemaailmsest internetiliiklusest. Laviinifotodioodid koosnevad peamiselt neeldumiskihist, laviinipiirkonnast ja elektroodidest.
Kui piisava energiaga footonid sisenevad neeldumiskihti, saavad tekkida elektron-(-) ja auk-(+) paarid. Tekkinud elektron-auk paaride arvu ja sisenevate footonite arvu suhet nimetatakse kvantefektiivsuseks. Kvantefektiivsus, mille määravad seadme omadused ja langeva valguse lainepikkus, on üks olulisi tegureid, mis mõjutavad laviinfotodioodide jõudlust.
Neeldumiskihis tekkivad elektronid ja augud liiguvad vastavalt positiivsele ja negatiivsele elektroodile ning selle protsessi käigus läbivad elektronid laviinipiirkonna. Selles piirkonnas eksisteerib seadme elektroodidele rakendatud vastupinge tõttu tugev elektriväli ja see elektriväli suureneb vastupinge suurenedes. Selles piirkonnas kiirendab tugev elektriväli elektrone kiiresti ja nad saavutavad suure kiiruse. Pärast piisava kiiruse saavutamist põrkavad elektronid laviinipiirkonnas kokku pooljuhtmaterjali moodustavate aatomitega, aeglustudes ja luues uusi elektron-auk paare. Seda nähtust nimetatakse kokkupõrkeionisatsiooniks. Uued ja olemasolevad elektronid kiirendatakse laviinipiirkonnas uuesti, kuni nad jõuavad elektroodini, korrates kokkupõrkeionisatsiooni. Sellest tulenevat suurt elektronide arvu suurenemist nimetatakse laviinikorrutumiseks ja elektronide arvu suurenemise astet, st elektroodist kiirguvate elektronide arvu laviinipiirkonda siseneva elektroni kohta, nimetatakse korrutusteguriks. Korrutustegur suureneb laviinipiirkonna elektrivälja tugevuse suurenedes ja töötemperatuuri langedes. Voolu suurus on proportsionaalne ajaühikus voolavate elektronide arvuga. Selle protsesside seeria abil muundatakse valgussignaali intensiivsus voolu suuruseks.
Teisest küljest erineb laviinifotodioodide poolt tuvastatava valguse lainepikkuste vahemik sõltuvalt neeldumiskihti moodustavast pooljuhtmaterjalist ja laviinipiirkonnast. Näiteks räni suudab tuvastada valgust lainepikkuste vahemikus 300–1,100 nm, mis vastab peamiselt nähtavale ja lähiinfrapunakiirgusele. Germaanium suudab tuvastada valgust lainepikkuste vahemikus 800–1,600 nm, mis vastab peamiselt lähiinfrapuna- ja keskmisele infrapunakiirgusele. Erinevate pooljuhtmaterjalide abil saab laviinifotodioode kujundada laiaulatuslikuks kasutamiseks. Näiteks kommunikatsiooniks mõeldud laviinifotodioodid on peamiselt valmistatud ränist, samas kui pooljuhtmaterjale, nagu germaanium, kasutatakse sõjanduses ja kosmoseuuringute valdkonnas. Need fotodioodid on loodud optimaalse jõudluse tagamiseks vastavalt nende vastavatele omadustele.
Viimasel ajal käib aktiivne uurimistöö tõhusamate ja tundlikumate laviinfotodioodide väljatöötamiseks. Näideteks on uute materjalide väljatöötamine nanostruktuuride abil ja uute sulamite kasutuselevõtt, mis ületavad olemasolevate pooljuhtmaterjalide piirangud. Sellised tehnoloogilised edusammud parandavad oluliselt optilise side jõudlust ja parandavad veelgi pikamaaside kvaliteeti. Need tehnoloogiad muutuvad üha olulisemaks, kuna neid saab lisaks optilisele sidele kasutada erinevates valdkondades, näiteks meditsiinis, sõjanduses ja kosmoseuuringutes.
Praegu toodetakse ja kasutatakse erinevat tüüpi laviinfotodioode, et rahuldada kasutajate mitmekesiseid vajadusi ja nõudeid. Eelkõige on suure efektiivsusega laviinfotodioodid olulised valdkondades, mis vajavad optilise side arengu tõttu kiiret andmeedastust. Tulevaste tehnoloogia arenguga peaks laviinfotodioodide jõudlus veelgi paranema. Näiteks eeldatakse, et järgmise põlvkonna laviinfotodioodidel koos nanotehnoloogiaga on suurem kvanttõhusus ja korrutustegurid kui olemasolevatel. See toob kaasa uuenduslikke muutusi erinevates valdkondades, nagu pikamaaside, optilised andurid, meditsiiniline pildistamine ja täppismõõtmine.
Optilise sidetehnoloogia arenguga muutub laviinfotodioodide roll üha olulisemaks ning need seadmed mängivad tuleviku infoühiskonnas võtmerolli. Koos täiustatud tehnoloogiaga toovad laviinfotodioodid kaasa suuri muutusi meie igapäevaelus ja lisaks revolutsiooniliselt muudavad teabe edastamist kogu maailmas.
