Используя возможности обнаружения фотонов, устройства могут воспринимать вещи, которые обычно невидимы, достигая прорывных приложений в автомобильной безопасности, медицинской визуализации, робототехнике и промышленной автоматизации. Обнаруживая отдельные фотоны, небольшие сигналы могут быть обнаружены в режиме реального времени, что обеспечивает точное измерение расстояния и раннее обнаружение заболеваний.
Фотоумножительная трубка (ФЭУ) была изобретена в 1930-х годах и является золотым стандартом для обнаружения фотонов. Однако его стеклянная вакуумная трубка хрупкая и слишком большая, чтобы ее можно было интегрировать в ключевые приложения, такие как автомобили, дроны, портативные устройства или потребительские устройства. Напротив, твердотельные лавинные фотодиоды (ЛФД) более практичны, но менее чувствительны, чем ФЭУ.
Когда разработчикам продуктов нужна альтернатива на уровне кристалла, сочетающая в себе чувствительность ФЭУ и практичность ЛФД, они могут попробовать новое поколение технологии обнаружения фотонов — кремниевые фотоумножители (SiPM). Серия SiPM AFBR-S4 от Broadcom обеспечивает самые современные возможности обнаружения фотонов, и разработчики могут легко интегрировать ее в LiDAR, медицинские сканеры, промышленные датчики или другие приложения с высоким спросом.
Озарите свет инноваций
Свет может передавать важную информацию, такую как расстояние, движение, химический состав и излучение, через каждый фотон. Обнаружение этих фотонов, особенно когда они редки или появляются мгновенно, является основой для реализации таких технологий, как LiDAR, передовые медицинские сканеры и сверхточные промышленные датчики в автономных транспортных средствах.
Проблема в том, что фотоны чрезвычайно малы и быстротечны, поэтому для их улавливания и усиления в полезные сигналы требуются специальные детекторы. ФЭУ преобразует отдельные фотоны в электроны, которые затем усиливаются электродами в вакуумной трубке для генерации измеримых электрических импульсов. Хотя они обладают высокой чувствительностью и низким уровнем шума, их непросто установить в современные компактные системы.
APD — более практичная твердотельная альтернатива, которая усиливает фотоны посредством внутреннего лавинного процесса в кремниевых диодах, становясь меньшим по размеру и более быстрым решением. Однако в условиях низкой освещенности этим устройствам трудно надежно обнаруживать одиночные фотоны, что приводит к соответственно более слабым сигналам, генерируемым при слабом освещении.
SiPM обнаруживает одиночные фотоны, как ФЭУ, но его структура чипа компактна, низковольтна и долговечна, что позволяет немедленно измерить даже самый слабый свет. Это устройство состоит из крошечных микробатарейных массивов, каждый из которых работает в режиме Гейгера, поэтому один фотон может генерировать полный и однородный электрический импульс.
Функция каждой микробатарейки по сути подобна цифровому переключателю, который размыкается в момент захвата фотона. После срабатывания батарея сбрасывается и готова принять следующий фотон, чтобы датчики, работающие вместе с тысячами батарей, могли считать отдельные фотоны и обрабатывать более сильные световые сигналы.
Компактный высокопроизводительный детектор фотонов
Серия SiPM AFBR-S4 от Broadcom сочетает в себе чувствительность к одиночным фотонам, быструю синхронизацию и высокую производительность в компактном и практичном корпусе, упрощая сложность и легко интегрируя передовые технологии обнаружения света в рыночные продукты.
Оценочный комплект AFBR-S4E001 от Broadcom (рис. 1) может помочь разработчикам продуктов быстро вывести на рынок приложения на базе SiPM. Этот комплект представляет собой готовую к использованию платформу для тестирования, создания прототипов и интеграции датчиков AFBR-S4 без необходимости разработки специализированных схем. Это снижает риски при разработке, поскольку аппаратное и программное обеспечение можно многократно тестировать, прежде чем переходить к индивидуальной компоновке печатной платы или проектированию производства.