ومن خلال استخدام قدرات الكشف عن الفوتون، يمكن للأجهزة إدراك الأشياء التي عادة ما تكون غير مرئية، مما يحقق تطبيقات متقدمة في سلامة السيارات، والتصوير الطبي، والروبوتات، والأتمتة الصناعية. ومن خلال اكتشاف الفوتونات الفردية، يمكن اكتشاف الإشارات الصغيرة في الوقت الفعلي، مما يتيح قياس المسافة بدقة والكشف المبكر عن الأمراض.
تم اختراع أنبوب المضاعف الضوئي (PMT) في ثلاثينيات القرن العشرين وهو المعيار الذهبي للكشف عن الفوتونات. ومع ذلك، فإن أنبوبها المفرغ الزجاجي هش وكبير جدًا بحيث لا يمكن دمجه في التطبيقات الرئيسية مثل السيارات أو الطائرات بدون طيار أو الأجهزة المحمولة أو الأجهزة الاستهلاكية. في المقابل، تعد الثنائيات الضوئية الانهيارية ذات الحالة الصلبة (APDs) أكثر عملية ولكنها أقل حساسية من PMT.
عندما يحتاج مصممو المنتجات إلى بديل على مستوى الشريحة يجمع بين حساسية PMT والتطبيق العملي لـ APD، يمكنهم تجربة جيل جديد من تقنية الكشف عن الفوتون - أنابيب المضاعف الضوئي السيليكونية (SiPM). تحقق سلسلة AFBR-S4 SiPM من Broadcom أحدث إمكانات الكشف عن الفوتون، ويمكن للمصممين دمجها بسهولة في LiDAR، أو الماسحات الضوئية الطبية، أو أجهزة الاستشعار الصناعية، أو التطبيقات الأخرى ذات الطلب المرتفع.
إلقاء الضوء على ضوء الابتكار
يمكن للضوء أن ينقل معلومات مهمة مثل المسافة والحركة والكيمياء والإشعاع عبر كل فوتون. إن اكتشاف هذه الفوتونات، خاصة عندما تكون نادرة أو تصل بشكل فوري، هو الأساس لتحقيق تقنيات مثل LiDAR والماسحات الضوئية الطبية المتقدمة وأجهزة الاستشعار الصناعية فائقة الدقة في المركبات ذاتية القيادة.
ويكمن التحدي في أن الفوتونات صغيرة للغاية وعابرة، وتتطلب أجهزة كشف متخصصة لالتقاطها وتضخيمها إلى إشارات قابلة للاستخدام. يقوم PMT بتحويل الفوتونات الفردية إلى إلكترونات، والتي يتم بعد ذلك تضخيمها بواسطة أقطاب كهربائية في أنبوب مفرغ لتوليد نبضات كهربائية قابلة للقياس. على الرغم من أنها تتمتع بحساسية عالية وضوضاء منخفضة، إلا أنه ليس من السهل تركيبها في الأنظمة المدمجة الحديثة.
APD هو بديل عملي أكثر للحالة الصلبة يعمل على تضخيم الفوتونات من خلال عملية الانهيار الداخلي في ثنائيات السيليكون، ليصبح حلاً أصغر وأسرع. ومع ذلك، في ظل ظروف الإضاءة المنخفضة، تجد هذه الأجهزة صعوبة في اكتشاف الفوتونات المفردة بشكل موثوق، مما يؤدي إلى إشارات أضعف تولدها الإضاءة المنخفضة.
يكتشف SiPM الفوتونات المفردة مثل PMT، لكن هيكل الرقاقة الخاص به صغير الحجم، ومنخفض الجهد، ومتين، مما يسمح بقياس حتى الضوء الخافت على الفور. يتكون هذا الجهاز من مصفوفات بطاريات صغيرة جدًا، كل واحدة منها تعمل في وضع جيجر، بحيث يمكن لفوتون واحد توليد نبضة كهربائية كاملة وموحدة.
تشبه وظيفة كل بطارية صغيرة بشكل أساسي المفتاح الرقمي الذي يفتح في اللحظة التي تلتقط فيها الفوتون. بعد التشغيل، تتم إعادة ضبط البطارية وتصبح جاهزة لاستقبال الفوتون التالي، بحيث تتمكن أجهزة الاستشعار التي تعمل مع آلاف البطاريات من حساب الفوتونات الفردية ومعالجة الإشارات الضوئية الأقوى.
كاشف الفوتون المدمج عالي الأداء
تدمج سلسلة AFBR-S4 SiPM من Broadcom حساسية الفوتون الفردي، والتوقيت السريع، والأداء القوي في حزمة مدمجة وعملية، مما يبسط التعقيد ويدمج بسهولة تكنولوجيا الكشف عن الضوء المتقدمة في المنتجات القابلة للتسويق.
يمكن لمجموعة التقييم AFBR-S4E001 من Broadcom (الشكل 1) أن تساعد مصممي المنتجات على تقديم التطبيقات المستندة إلى SiPM إلى السوق بسرعة. توفر هذه المجموعة منصة جاهزة للاستخدام للاختبار والنماذج الأولية وتكامل أجهزة الاستشعار AFBR-S4، دون الحاجة إلى تصميم دوائر متخصصة. وهذا يقلل من مخاطر التطوير، حيث يمكن اختبار الأجهزة والبرامج بشكل متكرر قبل الالتزام بتخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور المخصص أو تصميم الإنتاج.