科學(xué)家開發(fā)出新型傳感器，可放大遠(yuǎn)處的微弱信號

2021年5月24日，德克薩斯州奧斯汀，由德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校（UT Austin）和弗吉尼亞大學(xué)開發(fā)的光傳感器能夠以遠(yuǎn)比現(xiàn)有技術(shù)更高的精度放大遠(yuǎn)處的微弱信號，從而輔助自動(dòng)駕駛汽車更好識別道路上發(fā)生的各種復(fù)雜情況。



該檢測器能夠通過大大降低與檢測過程相關(guān)的噪聲來放大微弱的信號。過多的噪聲會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)過信號，在自動(dòng)駕駛汽車應(yīng)用中，這可能會(huì)使乘客處于危險(xiǎn)之中。



“自動(dòng)駕駛汽車發(fā)出激光信號，使物體反彈，告訴你你有多遠(yuǎn)。沒有太多的光回來，所以如果您的探測器發(fā)出的噪聲多于進(jìn)入的信號，您將一無所獲。”弗吉尼亞大學(xué)工程學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)工程教授喬·坎貝爾說。


電子沿著雪崩光電二極管的一部分向下滾動(dòng)時(shí)會(huì)倍增。由德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校提供



為了滿足這些需求，研究集中在雪崩光電二極管（APD）的開發(fā)上。然而，使該檢測器與其他工作區(qū)分開的是其階梯狀結(jié)構(gòu)，其中電子向下滾動(dòng)物理臺階，沿路徑倍增以產(chǎn)生用于光檢測的更強(qiáng)電流。



“在具有內(nèi)部增益的檢測器中，噪聲的一個(gè)來源是與增益機(jī)制相關(guān)的隨機(jī)性，這會(huì)導(dǎo)致增益隨時(shí)間變化，” UT奧斯汀電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)教授塞斯·班克斯（Seth Bank）告訴Photonics Media：“與傳統(tǒng)的APD相比，在整個(gè)乘法區(qū)域中碰撞電離基本上是隨機(jī)發(fā)生的，階梯式步驟會(huì)在特定的確定性位置推動(dòng)碰撞電離?！?br />


他指出，空間的確定性意味著時(shí)間上的確定性，這降低了噪聲。與光電倍增管（PMT）一樣，增益也出現(xiàn)在空間確定的位置（每個(gè)倍增極），與之相反，階梯APD的噪音優(yōu)勢源于以下事實(shí)：每個(gè)階梯都可以設(shè)計(jì)為對于每個(gè)電子僅引發(fā)一個(gè)碰撞電離事件。







班克說：“電子就像一塊大理石，從樓梯上滾下來。每次大理石從臺階上滾下來，它就會(huì)掉落并撞到下一個(gè)。在我們的例子中，電子做同樣的事情，但是每次碰撞都會(huì)釋放出足夠的能量以釋放另一個(gè)電子。我們可以從一個(gè)電子開始，但是每步下降都會(huì)使電子數(shù)量增加一倍：一個(gè)、兩個(gè)、四個(gè)、八個(gè)，依此類推。”



在光電倍增管中找不到這種可預(yù)測性。那里的二次電子產(chǎn)率在1-4個(gè)電子之間變化，導(dǎo)致增益從一個(gè)入射電子到另一個(gè)入射電子波動(dòng)。



班克斯說：“從數(shù)學(xué)上講，階梯臺階的碰撞電離由伯努利分布描述，而PMT倍增極的增益由泊松分布描述，伯努利的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)描述了拋硬幣等身體狀況；在這里，我們可以將樓梯臺階設(shè)計(jì)成有負(fù)載的硬幣，保證可以在90％的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)在正面，這會(huì)產(chǎn)生比Poisson分布基本上更弱的變化（因此產(chǎn)生的放大噪聲更低）。”



這項(xiàng)技術(shù)的概念并不是全新的，它已經(jīng)存在了數(shù)十年。但是，技術(shù)障礙阻礙了其實(shí)現(xiàn)。在1980年代，費(fèi)德里科·卡帕索（Federico Capasso）構(gòu)思了研究人員一直在研究的雪崩光電二極管技術(shù)。但是，創(chuàng)建設(shè)備所需的過程還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。



“當(dāng)時(shí)，AlGaAs / GaAs和InGaAs / InAlAs確實(shí)是唯一的選擇。它們不具備真正的樓梯操作所必需的所有基本材料屬性，”班克斯告訴Photonics Media：“特別是，AlInAsSb合金提供了非常大的導(dǎo)帶偏移和非常小的帶隙材料，這使我們能夠?qū)⒕哂凶銐蚋邉?dòng)能的電子注入到小的帶隙材料中（在該步驟的底部），以觸發(fā)碰撞電離。”



該設(shè)備特別適合需要高分辨率傳感器以檢測從遠(yuǎn)處物體反射的光信號的激光雷達(dá)接收器。



研究人員計(jì)劃接下來集中精力在設(shè)備上增加更多步驟，以提高其靈敏度。此外，他們還打算將多階梯樓梯設(shè)備與他們?nèi)ツ陝?chuàng)建的對NIR光敏感的雪崩光電二極管結(jié)合使用。這種配對對于光纖通信和熱成像等應(yīng)用具有潛力。



班克斯說：“這應(yīng)該使我們兩全其美：對更寬范圍的色彩做出反應(yīng)，并且對弱信號的敏感度更高，這是因?yàn)闃翘萁Y(jié)構(gòu)自然會(huì)產(chǎn)生較低的噪聲放大率?！?br />


這項(xiàng)研究發(fā)表在自然光子學(xué)上。



原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_484804.html
來源：賢集網(wǎng)

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