Detección de fotones de última generación con sensores Broadcom

La detección de fotones permite a los dispositivos percibir lo que normalmente es invisible, facilitando aplicaciones innovadoras en seguridad automovilística, imagen médica, robótica y automatización industrial. Detectar fotones individuales permite la detección en tiempo real de señales diminutas, desbloqueando capacidades desde mediciones precisas de distancia hasta la detección temprana de enfermedades.

Los tubos fotomultiplicadores (PMT) se inventaron en la década de 1930 y eran el estándar de oro para detectar fotones, pero sus frágiles tubos de vidrio de vacío eran demasiado grandes y difíciles de integrar en aplicaciones clave como automóviles, drones, equipos portátiles o dispositivos de consumo.  Los fotodiodos de avalancha de estado sólido (APD) son más prácticos, pero no tienen la sensibilidad de los PMT.

Cuando los diseñadores de producto necesitan una alternativa a escala de chip que iguale la sensibilidad de un PMT y la practicidad de un APD, pueden recurrir a fotomultiplicadores de silicio (SiPM), la siguiente generación en detección de fotones. La familia SiPM AFBR-S4 de Broadcom ofrece detección de fotones de vanguardia en una forma que los diseñadores pueden integrar fácilmente en LiDAR, escáneres médicos, sensores industriales u otras aplicaciones demandadas.

Impulsar la innovación

La luz puede transmitir información crucial como distancia, movimiento, química y radiación a través de cada fotón. Detectar estos fotones, especialmente cuando son escasos o llegan instantáneamente, es lo que permite tecnologías como el LiDAR en coches autónomos, escáneres médicos avanzados y sensores industriales ultra precisos.

El desafío es que los fotones son increíblemente pequeños y fugaces, por lo que se necesitan detectores especializados para capturarlos y amplificarlos en una señal utilizable. Las PMT convierten un solo fotón en un electrón, amplificándolo mediante electrodos en un tubo de vacío para producir un pulso eléctrico medible. Aunque son sensibles y de bajo ruido, no encajan fácilmente en sistemas compactos modernos.

Los APD ofrecen una alternativa más práctica y de estado sólido que amplifica los fotones mediante un proceso interno de avalancha en un diodo de silicio para una solución más pequeña y rápida. Sin embargo, les cuesta detectar de forma fiable fotones individuales en condiciones de muy poca luz, por lo que la luz débil produce una señal proporcionalmente débil.

Los SiPM detectan fotones individuales como un PMT, pero en un chip compacto, de bajo voltaje y robusto que hace que incluso la luz más tenue sea medible al instante. Están construidas a partir de matrices de diminutas microcélulas, cada una funcionando en modo Geiger de modo que un solo fotón produce un pulso eléctrico completo y uniforme.

Cada microcélula funciona esencialmente como un interruptor digital que se activa en el momento en que detecta un fotón. Tras el disparo, la célula se reinicia y está lista para el siguiente fotón, permitiendo que un sensor con miles de células trabajando juntas cuente fotones individuales y gestione señales de luz más brillantes.

Detección compacta y de fotones de alto rendimiento

La familia SiPM AFBR-S4 de Broadcom combina sensibilidad a un solo fotón, sincronización rápida y rendimiento robusto en un paquete compacto y práctico para simplificar el reto de integrar la detección avanzada de luz en productos listos para el mercado.

El kit de evaluación AFBR-S4E001 de Broadcom (Figura 1) puede ayudar a los diseñadores de producto a llevar rápidamente al mercado aplicaciones basadas en SiPM. Proporciona una plataforma lista para usar, probar, prototipar e integrar sensores AFBR-S4 sin necesidad de diseñar circuitos personalizados. Esto reduce el riesgo de desarrollo, permitiendo iteraciones tanto en hardware como en software antes de comprometerse con diseños personalizados de la placa CI o diseños de producción.

Figura 1: El kit de evaluación AFBR-S4E001 incluye un componente SiPM de gama media y una placa preamplificadora con dos salidas de 50 Ω. (Fuente de la imagen: Broadcom Limited)

El kit de evaluación incluye software de soporte y diseños de referencia, para que los ingenieros puedan explorar el comportamiento a nivel de sistema, validar estrategias de acoplamiento óptico y experimentar con configuraciones de matrices. Los diseñadores pueden conectar la matriz SiPM a interfaces estándar, experimentar con el voltaje de polarización y medir parámetros clave de rendimiento como la eficiencia de detección de fotones, el temporización y el ruido en condiciones reales.

Los diseñadores también pueden aprovechar los formatos flexibles de la serie AFBR-S4, incluyendo:

El AFBR-S4N22P014M (Figura 2) es una opción muy compacta con 2464 microceldas por elemento de salida en un área de matriz activa de 2 mm² para aplicaciones con espacio limitado, como escáneres portátiles o módulos parachoques de automóviles.

Figura 2: El AFBR-S4N22P014M proporciona una opción SiPM compacta para aplicaciones con espacio limitado y puede ser revestido en mosaico para cubrir áreas mayores. (Fuente de la imagen: Broadcom Limited)

El AFBR-S4N44P014M (Figura 3) aumenta el número de microcélulas a 8334 en un área de matriz activa de 13.47 mm² para una mayor capacidad de conteo de fotones y una mayor sensibilidad. Es una opción versátil para aplicaciones como LiDAR de pequeño espacio, imagen médica y sensores industriales.

Figura 3: El AFBR-S4N44PP014M SiPM se sitúa en la gama media de la familia Broadcom. Uno de estos sensores está incluido en el kit de evaluación AFBR-S4E001. (Fuente de la imagen: Broadcom Limited)

El AFBR-S4N66P014M (Figura 4) escala aún más, con 22,428 microceldas en una matriz activa de 36 mm² que maximiza la eficiencia de detección de fotones y el rendimiento señal-ruido. Es adecuado para aplicaciones que requieren tanto alta sensibilidad como una superficie de detección más grande, como imágenes médicas avanzadas y LiDAR de automoción o mapeo 3D de largo alcance.

Figura 4: El AFBR-S4N66P014M es el miembro más grande de la familia Broadcom y proporciona captura de fotones de alta resolución y largo alcance. (Fuente de la imagen: Broadcom Limited)

Broadcom diseñó estos dispositivos para minimizar los conteos en oscuridad, la diafonía y los postpulsos, asegurando que las señales permanezcan limpias incluso en entornos difíciles.

Conclusión

Los SiPM AFBR-S4 de Broadcom permiten a los diseñadores integrar la detección de luz de alto rendimiento en diversas aplicaciones, como el LiDAR automotriz y la imagen médica. La serie AFBR-S4 ofrece variantes pequeñas, medias y grandes, junto con el kit de evaluación AFBR-S4E001 para prototipado rápido. Por ello, los diseñadores pueden optimizar la sensibilidad, la velocidad y el espacio para innovar en mercados donde la detección precisa de la luz es crucial.