Broadcomセンサによる最先端の光子検出

光子検出は、通常目に見えないものを認識することを可能にし、自動車の安全性、医療画像、ロボット工学、産業オートメーションにおける画期的なアプリケーションを可能にします。個々の光子を検出することで、微小な信号をリアルタイムで検出することができ、正確な距離測定から病気の早期発見に至るまで、新たな可能性が開かれます。

1930年代に発明された光電子増倍管（PMT）は、光子を検出する上で最高水準の装置でしたが、その脆弱なガラス製真空管は大きすぎて、自動車、ドローン、携帯機器、民生機器などの主要なアプリケーションに組み込むことが困難でした。 固体アバランシェフォトダイオード（APD）はより実用的ですが、PMTの感度はありません。

製品設計者が、PMTの感度とAPDの実用性を兼ね備えたチップスケールの代替品を必要とする場合、次世代の光子検出技術であるシリコン光電子増倍管（SiPM）を検討することができます。BroadcomのAFBR-S4 SiPMファミリは、LiDAR、医療用スキャナ、産業用センサ、その他の需要の高いアプリケーションに容易に統合できる形で、最先端の光子検出を提供します。

革新を照らす光

光はそれぞれの光子を通して、距離、動き、化学、放射線といった重要な情報を伝えることができます。特に光子の数が少なかったり瞬時に到着したりする場合に、このような光子を検出することが、自動運転車のLiDAR、高度な医療用スキャナ、超高精度産業用センサなどの技術を可能にします。

課題は、光子が極めて微小で高速であるため、それらを捕捉し実用的な信号へ増幅する特殊な検出器が必要となる点です。PMTは単一光子を電子に変換し、真空管内の電極を通して増幅することで測定可能な電気パルスを生成します。感度が高く低ノイズですが、現代のコンパクトシステムへの組み込みは容易ではありません。

APDは、より実用的な固体素子の代替手段を提供し、シリコンダイオード内の内部アバランシェプロセスを通じて光子を増幅し、より小型で高速なソリューションを実現します。しかし、微弱な光では単一光子を確実に検出することが難しいため、微弱な光に比例して生成される信号も弱くなります。

SiPMはPMTのように単一光子を検出しますが、コンパクト、低電圧、頑丈なチップで、微弱な光も瞬時に測定できます。微小なマイクロセルのアレイで構成され、それぞれがガイガーモードで動作するため、単一光子が完全で均一な電気パルスを生成します。

各マイクロセルは本質的に、光子を捕捉した瞬間にオン状態になるデジタルスイッチのように機能します。その後、セルはリセットされ次の光子に対応可能となるため、数千のセルが連携するセンサは個々の光子をカウントし、より明るい光信号を扱うことができます。

コンパクトで高性能な光子検出

BroadcomのAFBR-S4 SiPMファミリは、単一光子感度、高速タイミング、堅牢な性能をコンパクトで実用的なパッケージに統合し、高度な光検出を市場対応製品に統合するという課題を簡素化します。

BroadcomのAFBR-S4E001評価キット（図1）は、製品設計者がSiPMベースのアプリケーションを迅速に市場に投入するのに役立ちます。カスタム回路を設計することなく、AFBR-S4センサのテスト、プロトタイピング、統合にすぐに使えるプラットフォームを提供します。これにより開発リスクが軽減され、カスタムPCBレイアウトや生産設計に着手する前に、ハードウェアとソフトウェアの両方で反復作業を行うことができます。

図1：AFBR-S4E001評価キットには、中型SiPMコンポーネントと、2つの50Ω出力を備えたプリアンプボードが含まれています。（画像提供：Broadcom Limited）

評価キットには、サポートソフトウェアとリファレンス設計が含まれているため、エンジニアはシステムレベルの動作検証、光カップリング戦略の検証、アレイ構成の実験を行うことができます。設計者は、SiPMアレイを標準インターフェースに接続し、バイアス電圧を実験し、実際の条件下で光子検出効率、タイミング、ノイズなどの主要性能パラメータを測定することができます。

設計者は、以下のAFBR-S4シリーズの柔軟なフォーマットを利用することもできます。

AFBR-S4N22P014M（図2）は、ハンドヘルドスキャナやカーバンパーモジュールなど、スペースに制約のあるアプリケーション向けに、アクティブアレイ面積2mm²、出力素子あたり2,464マイクロセルを備えた非常にコンパクトなオプションです。

図2：AFBR-S4N22P014Mは、スペースに制約のあるアプリケーション向けにコンパクトなSiPMオプションを提供し、タイル状に配置して広い領域をカバーできます。（画像提供：Broadcom Limited）

AFBR-S4N44P014M（図3）は、アクティブアレイ面積13.47mm²においてマイクロセル数を8334個に増加しており、より高い光子計数能力と感度向上を実現しています。小型のLiDAR、医療画像、産業用センサなどのアプリケーションに適した汎用性の高いオプションです。

図3：AFBR-S4N44PP014M SiPMはBroadcomファミリの中型製品に位置付けられます。これらのセンサの1つがAFBR-S4E001評価キットに含まれています。（画像提供：Broadcom Limited）

AFBR-S4N66P014M（図4）はさらにスケールアップし、光子検出効率とS/N性能を最大化する36mm²のアクティブアレイに22,428個のマイクロセルを搭載しています。高度な医療画像や長距離車載用・3Dマッピング用LiDARなど、高感度と広い検出面の両方が求められるアプリケーションに適しています。

図4：AFBR-S4N66P014MはBroadcomファミリの中で最大のサイズを有し、長距離、高解像度の光子捕捉を実現します。（画像提供：Broadcom Limited）

Broadcomは、ダークカウント、クロストーク、アフターパルスを最小限に抑えるようこれらのデバイスを設計し、過酷な環境下でも信号がクリーンであることを確保しています。

まとめ

BroadcomのAFBR-S4 SiPMにより、設計者は、車載用LiDARや医療画像などのさまざまなアプリケーションに高性能な光センシングを統合できます。AFBR-S4シリーズには、小型、中型、大型のバリエーションがあり、ラピッドプロトタイピング用のAFBR-S4E001評価キットもあります。これにより、設計者は感度、スピード、フットプリントを最適化し、正確な光検出が重要な市場において革新を実現できます。