科學(xué)家開發(fā)出新型傳感器，可放大遠處的微弱信號

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比現(xiàn)有技術(shù)更高的精度放大遠處的微弱信號，從而輔助自動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。過多的噪聲會導(dǎo)致系統(tǒng)錯過信號，在自動駕駛汽車應(yīng)用中，這可能會使乘客處于危險之中。



“自動駕駛汽車發(fā)出激光信號，使物體反彈，告訴你你有多遠。沒有太多的光回來，所以如果您的探測器發(fā)出的噪聲多于進入的信號，您將一無所獲?！备ゼ醽喆髮W(xué)工程學(xué)院電氣和計算機工程教授喬·坎貝爾說。


電子沿著雪崩光電二極管的一部分向下滾動時會倍增。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)，其中電子向下滾動物理臺階，沿路徑倍增以產(chǎn)生用于光檢測的更強電流。



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


他指出，空間的確定性意味著時間上的確定性，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（每個倍增極），與之相反，階梯APD的噪音優(yōu)勢源于以下事實：每個階梯都可以設(shè)計為對于每個電子僅引發(fā)一個碰撞電離事件。







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，它就會掉落并撞到下一個。在我們的例子中，電子做同樣的事情，但是每次碰撞都會釋放出足夠的能量以釋放另一個電子。我們可以從一個電子開始，但是每步下降都會使電子數(shù)量增加一倍：一個、兩個、四個、八個，依此類推?！?br />


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個電子之間變化，導(dǎo)致增益從一個入射電子到另一個入射電子波動。



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)計成有負載的硬幣，保證可以在90％的時間內(nèi)出現(xiàn)在正面，這會產(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）?！?br />


這項技術(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)障礙阻礙了其實現(xiàn)。在1980年代，費德里科·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)備所需的過程還遠遠不夠。



“當(dāng)時，AlGaAs / GaAs和InGaAs / InAlAs確實是唯一的選擇。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哂凶銐蚋邉幽艿碾娮幼⑷氲叫〉膸恫牧现校ㄔ谠摬襟E的底部），以觸發(fā)碰撞電離?！?br />


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



研究人員計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，這是因為樓梯結(jié)構(gòu)自然會產(chǎn)生較低的噪聲放大率?！?br />


這項研究發(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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