Uusi fotodiodiratkaisu integroituun fotoniikkaan

Ohjelmoitavat fotoniikkalaitteet ovat nousemassa keskeiseksi alueeksi integroidun fotoniikan tutkimuksessa.

Suuri haaste aiheessa on optisen signaalin voimakkuuden seuranta ja ohjaus. Nykyiset ratkaisut joko heikentävät itse signaalin laatua tai niiltä puuttuu tarvittava herkkyys ilman lisävahvistimia.

Hongkongin tiede- ja teknologiayliopiston Yue Niu ja Andrew W. Poon vastasivat tähän haasteeseen kehittämällä germaniumilla istutetun piipohjaisen aaltojohdevalodiodin.

Aaltojohteen fotodiodi on pieni valoilmaisin, joka voidaan integroida suoraan optiseen aaltojohteeseen. Sen tarkoituksena on muuntaa mahdollisimman pieni osa aaltojohteen läpi kulkevasta valosta sähköiseksi signaaliksi, jota voidaan mitata perinteisemmällä elektroniikalla.

Yksi tapa tehostaa tätä muunnosta on ioni-istutus, prosessi, jossa fotodiodin piirakenteeseen tuodaan hallittuja virheitä pommittamalla sitä ioneilla. Oikein toteutettuna nämä virheet voivat absorboida fotoneja, joiden energiat ovat liian pieniä puhtaalle piille, jolloin fotodiodi pystyy havaitsemaan valoa laajemmalla aallonpituusalueella.

Aiemmissa yrityksissä rakentaa tällaisia ilmaisimia käytettiin boori-, fosfori- tai argonioneja. Vaikka nämä lähestymistavat paransivat suorituskykyä joiltakin osin, ne myös toivat piihilaan paljon vapaita varauksenkuljettajia, mikä taas heikensi optista suorituskykyä.

Nyt tämä ryhmä istutti germaniumioneja. Germanium, piin tavoin IV-ryhmän alkuaine, voi korvata piiatomit kiderakenteessa ilman merkittävää määrää vapaita varauksenkuljettajia. Tämä korvaaminen mahdollistaa laitteen herkkyyden parantamisen vaarantamatta signaalin laatua.

Tutkijat suorittivat useita vertailukokeita testatakseen uutta rakennetta asiaankuuluvissa olosuhteissa. Germaniumilla istutettu fotodiodi osoitti korkeaa herkkyyttä sekä 1310 nanometrillä (O-kaista) että 1550 nanometrillä (C-kaista), kahdella kriittisellä aallonpituudella, joita käytetään televiestinnässä.

Se osoitti myös erittäin matalaa pimeävirtaa, mikä tarkoittaa vähäistä ei-toivottua säteilyä, kun valoa ei ollut läsnä, sekä erittäin pientä optista absorptiohäviötä. Tämä yhdistelmä tekee laitteesta sopivan integroitavaksi fotonipiireihin häiritsemättä ensisijaista signaalivirtaa.

Tutkijoiden mukaan tutkimus on kaiken kaikkiaan merkittävä askel kohti käytännöllisiä, laajamittaisia ohjelmoitavia fotoniikkajärjestelmiä.

”Äärimmäisen alhaisen pimeävirran ja alhaisen esijännitteen yhdistelmä asettaa laitteemme ihanteelliseksi ehdokkaaksi myös energiatehokkaille ja erittäin herkille biosensorialustoille, joissa heikkojen optisten signaalien vähäkohinainen havaitseminen on ensiarvoisen tärkeää”, Poon selittää. ”Tämä mahdollistaisi suoran integroinnin mikrofluidistisiin järjestelmiin lab-on-chip-järjestelmissä.”

Aiheesta aiemmin:

Synteettiset magneettikentät ohjaamaan valoa sirulla

Infrapunasensoreista aiempaa herkempiä

Kaksiulotteinen aaltojohde valolle