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科学家开发出新型传感器,可放大远处的微弱信号

发布时间:2021-05-25
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2021年5月24日,德克萨斯州奥斯汀,由德克萨斯大学奥斯汀分校(UT Austin)和弗吉尼亚大学开发的光传感器能够以远比现有技术更高的精度放大远处的微弱信号,从而辅助自动驾驶汽车更好识别道路上发生的各种复杂情况。



该检测器能够通过大大降低与检测过程相关的噪声来放大微弱的信号。过多的噪声会导致系统错过信号,在自动驾驶汽车应用中,这可能会使乘客处于危险之中。



“自动驾驶汽车发出激光信号,使物体反弹,告诉你你有多远。没有太多的光回来,所以如果您的探测器发出的噪声多于进入的信号,您将一无所获。”弗吉尼亚大学工程学院电气和计算机工程教授乔·坎贝尔说。



电子沿着雪崩光电二极管的一部分向下滚动时会倍增。由德克萨斯大学奥斯汀分校提供



为了满足这些需求,研究集中在雪崩光电二极管(APD)的开发上。然而,使该检测器与其他工作区分开的是其阶梯状结构,其中电子向下滚动物理台阶,沿路径倍增以产生用于光检测的更强电流。



“在具有内部增益的检测器中,噪声的一个来源是与增益机制相关的随机性,这会导致增益随时间变化,” UT奥斯汀电气与计算机工程学教授塞斯·班克斯(Seth Bank)告诉Photonics Media:“与传统的APD相比,在整个乘法区域中碰撞电离基本上是随机发生的,阶梯式步骤会在特定的确定性位置推动碰撞电离。”



他指出,空间的确定性意味着时间上的确定性,这降低了噪声。与光电倍增管(PMT)一样,增益也出现在空间确定的位置(每个倍增极),与之相反,阶梯APD的噪音优势源于以下事实:每个阶梯都可以设计为对于每个电子仅引发一个碰撞电离事件。







班克说:“电子就像一块大理石,从楼梯上滚下来。每次大理石从台阶上滚下来,它就会掉落并撞到下一个。在我们的例子中,电子做同样的事情,但是每次碰撞都会释放出足够的能量以释放另一个电子。我们可以从一个电子开始,但是每步下降都会使电子数量增加一倍:一个、两个、四个、八个,依此类推。”



在光电倍增管中找不到这种可预测性。那里的二次电子产率在1-4个电子之间变化,导致增益从一个入射电子到另一个入射电子波动。



班克斯说:“从数学上讲,阶梯台阶的碰撞电离由伯努利分布描述,而PMT倍增极的增益由泊松分布描述,伯努利的统计数据描述了抛硬币等身体状况;在这里,我们可以将楼梯台阶设计成有负载的硬币,保证可以在90%的时间内出现在正面,这会产生比Poisson分布基本上更弱的变化(因此产生的放大噪声更低)。”



这项技术的概念并不是全新的,它已经存在了数十年。但是,技术障碍阻碍了其实现。在1980年代,费德里科·卡帕索(Federico Capasso)构思了研究人员一直在研究的雪崩光电二极管技术。但是,创建设备所需的过程还远远不够。



“当时,AlGaAs / GaAs和InGaAs / InAlAs确实是唯一的选择。它们不具备真正的楼梯操作所必需的所有基本材料属性,”班克斯告诉Photonics Media:“特别是,AlInAsSb合金提供了非常大的导带偏移和非常小的带隙材料,这使我们能够将具有足够高动能的电子注入到小的带隙材料中(在该步骤的底部),以触发碰撞电离。”



该设备特别适合需要高分辨率传感器以检测从远处物体反射的光信号的激光雷达接收器。



研究人员计划接下来集中精力在设备上增加更多步骤,以提高其灵敏度。此外,他们还打算将多阶梯楼梯设备与他们去年创建的对NIR光敏感的雪崩光电二极管结合使用。这种配对对于光纤通信和热成像等应用具有潜力。



班克斯说:“这应该使我们两全其美:对更宽范围的色彩做出反应,并且对弱信号的敏感度更高,这是因为楼梯结构自然会产生较低的噪声放大率。”



这项研究发表在自然光子学上。



原文链接:https://www.xianjichina.com/special/detail_484804.html
来源:贤集网


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