Modernste Photonendetektion mit Broadcom-Sensoren

Die Photonendetektion ermöglicht es Geräten, das wahrzunehmen, was normalerweise unsichtbar ist, und ermöglicht so bahnbrechende Anwendungen in den Bereichen Automobilsicherheit, medizinische Bildgebung, Robotik und industrielle Automatisierung. Die Detektion einzelner Photonen ermöglicht die Erkennung winziger Signale in Echtzeit und eröffnet Möglichkeiten von der präzisen Entfernungsmessung bis hin zur Früherkennung von Krankheiten.

Die in den 1930er Jahren erfundenen Photovervielfacher-Röhren (PMTs) waren der Goldstandard für die Erkennung von Photonen, aber ihre zerbrechlichen Glas-Vakuumröhren waren zu groß und zu kompliziert, um sie in wichtige Anwendungen wie Autos, Drohnen, Handgeräte oder Verbraucherelektronik zu integrieren.  Avalanche-Photodioden (APDs) sind Halbleiter und praktischer, haben aber nicht die Empfindlichkeit von PMTs.

Wenn Produktentwickler eine Alternative im Chipmaßstab benötigen, die der Empfindlichkeit einer PMT und der Praktikabilität einer APD entspricht, können sie Silizium-Photovervielfacher (SiPMs) verwenden, die nächste Generation der Photonenerfassung. Die SiPM-Familie AFBR-S4 von Broadcom bietet hochmoderne Photonendetektion in einer Form, die Entwickler problemlos in LiDAR, medizinische Scanner, Industriesensoren oder andere gefragte Anwendungen integrieren können.

Licht für Innovation

Licht kann durch jedes Photon wichtige Informationen wie Entfernung, Bewegung, Chemie und Strahlung vermitteln. Die Erkennung dieser Photonen, insbesondere wenn sie rar sind oder sofort eintreffen, ermöglicht Technologien wie LiDAR in selbstfahrenden Autos, fortschrittliche medizinische Scanner und ultrapräzise Industriesensoren.

Die Herausforderung besteht darin, dass Photonen unglaublich klein und schnell sind, so dass spezielle Detektoren erforderlich sind, um sie einzufangen und in ein verwertbares Signal zu verstärken. PMTs wandeln ein einzelnes Photon in ein Elektron um und verstärken es durch Elektroden in einer Vakuumröhre, um einen messbaren elektrischen Impuls zu erzeugen. Sie sind zwar empfindlich und rauscharm, passen aber nicht ohne weiteres in moderne Kompaktsysteme.

APDs bieten eine praktischere Halbleiter-Alternative, die Photonen durch einen internen Avalanche-Prozess in einer Siliziumdiode verstärkt und so eine kleinere und schnellere Lösung darstellt. Sie haben jedoch Schwierigkeiten, einzelne Photonen bei sehr schwachem Licht zuverlässig zu erkennen, so dass schwaches Licht ein entsprechend schwaches Signal erzeugt.

SiPMs detektieren einzelne Photonen wie ein PMT, aber in einem kompakten, spannungsarmen und robusten Chip, der selbst schwächstes Licht sofort messbar macht. Sie bestehen aus Arrays winziger Mikrozellen, die jeweils im Geiger-Modus arbeiten, so dass ein einziges Photon einen vollständigen, gleichmäßigen elektrischen Impuls erzeugt.

Jede Mikrozelle funktioniert im Wesentlichen wie ein digitaler Schalter, der sich in dem Moment einschaltet, in dem er ein Photon auffängt. Nach der Triggerung wird die Zelle zurückgesetzt und ist bereit für das nächste Photon. So kann ein Sensor mit Tausenden von Zellen, die zusammenarbeiten, einzelne Photonen zählen und hellere Lichtsignale verarbeiten.

Kompakte, leistungsstarke Photonendetektion

Die SiPM-Familie AFBR-S4 von Broadcom kombiniert Einzelphotonen-Empfindlichkeit, schnelles Timing und robuste Performance in einem kompakten, praktischen Gehäuse, um die Herausforderung der Integration fortschrittlicher Lichterkennung in marktreife Produkte zu vereinfachen.

Das Evaluierungskit AFBR-S4E001 von Broadcom (Abbildung 1) kann Produktentwicklern helfen, SiPM-basierte Anwendungen schnell auf den Markt zu bringen. Es bietet eine gebrauchsfertige Plattform für das Testen, Prototyping und die Integration von AFBR-S4-Sensoren, ohne dass eine eigene Schaltung entwickelt werden muss. Dies verringert das Entwicklungsrisiko und ermöglicht Iterationen sowohl bei der Hardware als auch bei der Software, bevor kundenspezifische Platinenlayouts oder Produktionsdesigns festgelegt werden.

Abbildung 1: Das Evaluierungskit AFBR-S4E001 enthält eine SiPM-Komponente der mittleren Leistungsklasse und eine Vorverstärkerplatine mit zwei 50Ω-Ausgängen. (Bildquelle: Broadcom Limited)

Das Evaluierungskit enthält unterstützende Software und Referenzdesigns, so dass Ingenieure das Verhalten auf Systemebene untersuchen, optische Kopplungsstrategien validieren und mit Array-Konfigurationen experimentieren können. Entwickler können das SiPM-Array an Standardschnittstellen anschließen, mit der Bias-Spannung experimentieren und wichtige Leistungsparameter wie Photonendetektionseffizienz, Timing und Rauschen unter realen Bedingungen messen.

Sie können auch die Vorteile der flexiblen Formate der AFBR-S4-Serie nutzen, darunter:

Der AFBR-S4N22P014M (Abbildung 2) ist eine sehr kompakte Option mit 2464 Mikrozellen pro Ausgangselement auf einer aktiven Array-Fläche von 2 mm² für platzbeschränkte Anwendungen wie Handscanner oder Stoßstangenmodule.

Abbildung 2: Der AFBR-S4N22P014M ist eine kompakte SiPM-Option für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot und kann zur Abdeckung größerer Bereiche in Kacheln angeordnet werden. (Bildquelle: Broadcom Limited)

Der AFBR-S4N44P014M (Abbildung 3) erhöht die Anzahl der Mikrozellen auf 8334 in einer aktiven Array-Fläche von 13,47 mm² für eine höhere Photonenzählkapazität und verbesserte Empfindlichkeit. Er ist eine vielseitige Option für Anwendungen wie LiDAR mit geringem Platzbedarf, medizinische Bildgebung und industrielle Sensoren.

Abbildung 3: Der SiPM AFBR-S4N44PP014M liegt im mittleren Bereich der Broadcom-Familie. Einer dieser Sensoren ist im Evaluierungskit AFBR-S4E001 enthalten. (Bildquelle: Broadcom Limited)

Der AFBR-S4N66P014M (Abbildung 4) skaliert noch weiter und verfügt über 22.428 Mikrozellen in einem 36 mm² großen aktiven Array, das die Effizienz der Photonendetektion und das Signal-Rausch-Verhältnis maximiert. Er eignet sich für Anwendungen, die sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch eine größere Erfassungsfläche erfordern, wie z. B. fortschrittliche medizinische Bildgebung und für die Fernerfassung in Fahrzeugen oder die 3D-Kartierung für LiDAR.

Abbildung 4: Der AFBR-S4N66P014M ist das größte Mitglied der Broadcom-Familie und bietet hochauflösende Photonenerfassung mit großer Reichweite. (Bildquelle: Broadcom Limited)

Broadcom hat diese Komponenten so entwickelt, dass Dunkelzählungen, Nebensprechen und Folgeimpulse minimiert werden, um sicherzustellen, dass die Signale auch in schwierigen Umgebungen sauber bleiben.

Fazit

Die SiPMs AFBR-S4 von Broadcom ermöglichen Entwicklern die Integration von Hochleistungs-Lichtsensoren in verschiedene Anwendungen, wie z.B. LiDAR in Fahrzeugen und medizinische Bildgebung. Die AFBR-S4-Serie bietet kleine, mittlere und große Varianten sowie das Evaluierungskit AFBR-S4E001 für das Rapid Prototyping. Auf diese Weise können Entwickler die Empfindlichkeit, die Geschwindigkeit und den Platzbedarf optimieren, um Innovationen in Märkten zu schaffen, in denen eine präzise Lichterkennung entscheidend ist.