Avalanche-Photodioden-Array (APD) mit integriertem Self-Bias-Generator für den industriellen LiDAR-Einsatz

Wir, bei HAMAMATSU PHOTONICS, haben erfolgreich ein Avalanche-Photodioden-Array (APD) mit der Bezeichnung "Gain Stabilized Si APD S16430-01CR" für den industriellen LiDAR-Einsatz (*¹) entwickelt. Dieses APD-Array wurde mit einem Self-Bias-Generator (SBG) (*²) integriert, indem wir unsere einzigartige, fortschrittliche Opto-Halbleiter-Fertigungstechnologie nutzten. Da der SBG den Multiplikationsfaktor des optischen Signals stabilisiert, sind ein Mikrocontroller und ein Temperatursensor nicht mehr erforderlich, um den Multiplikationsfaktor an Temperaturänderungen anzupassen. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Transimpedanzverstärker (TIA) in der Signalverarbeitungsschaltung im selben Gehäuse untergebracht ist, um die Kosten für LiDAR-Module für fahrerlose Transportsysteme weiter zu senken. Beispiele für dieses APD-Array stehen den Herstellern von LiDAR-Modulen seit Ende Oktober zur Verfügung. Die Massenproduktion soll im April 2023 beginnen.

Produktdetails

Bei diesem Produkt handelt es sich um ein 16-Kanal-APD-Array für den industriellen LiDAR-Einsatz, das im gleichen Gehäuse mit einem SBG und einem TIA integriert ist, einem Signalverarbeitungsschaltkreis für die Umwandlung von Strom in Spannung.

Ein APD-Array besteht aus mehreren Kanälen auf demselben Chip, von denen jeder in der Lage ist, optische Signale zu multiplizieren, wenn eine Spannung angelegt wird. Im Vergleich zu gewöhnlichen Fotodioden können APDs schwaches Licht mit höherer Empfindlichkeit erkennen, um die Entfernung von weit entfernten Objekten zu messen. Damit gehören sie zu den wichtigsten optischen Sensoren für LiDAR. Ihr Multiplikationsfaktor oder ihre Verstärkung muss jedoch an Temperaturänderungen angepasst werden. Wir haben benutzerfreundliche APD-Module mit eingebautem Mikrocontroller, Temperatursensor und TIA zur Einstellung des Multiplikationsfaktors entwickelt, hergestellt und vermarktet. Um die Kosten der LiDAR-Module zu senken, haben wir außerdem ein neues APD-Array entwickelt und hergestellt, das keine Mikrocontroller oder Temperatursensoren benötigt.

Wir haben eine Technologie entwickelt, um ein SBG auf einem Halbleitersubstrat mit hoher Präzision und hoher Qualität herzustellen, indem wir unsere einzigartige, fortschrittliche Opto-Halbleiter-Fertigungstechnologie anwenden. Dies wiederum hat zur erfolgreichen Entwicklung eines neuen APD-Arrays geführt, das mit einem SBG integriert ist und den optischen Signalmultiplikationsfaktor auch bei Temperaturschwankungen stabilisiert, wodurch ein Mikrocontroller oder ein Temperatursensor überflüssig wird. Das TIA für die Signalverarbeitungsschaltung ist gleichzeitig in diesem Gehäuse untergebracht. Die Verwendung dieses APD-Arrays als optischer Sensor für LiDAR kann die Kosten für LiDAR-Module, die in fahrerlosen Fahrzeugen eingebaut werden, erheblich senken. Darüber hinaus wurde das TIA-Design so modifiziert, dass die Reaktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu konventionellen APD-Arrays mit eingebautem TIA um das Dreifache erhöht wird. Gleichzeitig werden Schwankungen im Ausgangssignal unterdrückt und der Crosstalk (*3), der zu falschen Erkennungen führen kann, minimiert.

In den kommenden Jahren werden wir den Verkauf dieses APD-Arrays ausweiten und neue Anwendungen entwickeln.

Die wichtigsten Merkmale des Produkts

1. Hat einen eingebauten TIA und benötigt keinen Mikrocontroller und Temperatursensor

Durch die Anwendung unserer einzigartigen, fortschrittlichen Opto-Halbleiter-Fertigungstechnologie haben wir eine Technologie entwickelt, mit der wir ein SBG auf einem Halbleitersubstrat mit hoher Präzision und hoher Qualität herstellen können, und wir haben das SBG mit einem APD-Array integriert. Dies ermöglicht die Stabilisierung des Multiplikationsfaktors, indem einfach eine Konstantstromquelle an den SBG angeschlossen wird, wodurch ein Mikrocontroller und ein Temperatursensor überflüssig werden. Das APD-Array enthält auch eine TIA, die die Leistung des APD-Arrays maximiert.

   2. Dreimal schnellere Reaktionszeit

Durch die Optimierung des TIA-Designs wurde die Betriebsgeschwindigkeit erhöht, um auf eine optische Pulsbreite von 1 Nanosekunde (Nano ist ein Milliardstel einer Sekunde) zu reagieren und dabei Schwankungen im Ausgangssignal zu unterdrücken. Das ist dreimal schneller als bei herkömmlichen APD-Arrays mit eingebautem TIA. Die höhere Reaktionsgeschwindigkeit verbessert den Erfassungsbereich und die Messgenauigkeit.

   3. Niedriges Crosstalk

Die Struktur des APD-Arrays und der TIA ist so konzipiert, dass die Erzeugung von Crosstalk, der falsche Erkennungen verursacht, minimiert wird.