Broadcom 센서를 통한 최첨단 광자 검출

광자 검출은 장치가 일반적으로는 보이지 않는 것을 인지할 수 있도록 하여 자동차 안전, 의료 영상, 로보틱스, 산업 자동화 분야에서 혁신적인 응용을 가능하게 합니다. 개별 광자를 검출하면 매우 작은 신호도 실시간으로 감지할 수 있어 정밀 거리 측정부터 조기 질병 발견에 이르는 기능을 실현할 수 있습니다.

1930년대에 발명된 광전 증배관(PMT)은 광자 검출을 위한 최적의 표준이었지만 유리 진공관이 너무 크고 깨지기 쉬워서 자동차, 드론, 핸드헬드 장비 또는 소비자용 장치 등의 핵심 응용 분야에 통합하기가 어려웠습니다. 무접점 애벌런치 광다이오드(APD)는 더 실용적이지만 감도는 PMT에 미치지 못합니다.

제품 설계자가 PMT의 감도와 APD의 실용성을 갖춘 칩 크기 대안을 필요로 하는 경우, 실리콘 광전자 증배관(SiPM)을 사용할 수 있습니다. Broadcom의 AFBR‑S4 SiPM 제품군은 설계자가 LiDAR, 의료용 스캐너, 산업용 센서 또는 기타 고수요 응용 제품에 손쉽게 통합할 수 있는 형태로 최첨단 광자 검출 기능을 제공합니다.

혁신을 밝히는 빛

빛은 각각의 광자를 통해 거리, 모션, 화학 반응, 방사와 같은 중요한 정보를 전달할 수 있습니다. 특히 매우 적거나 순식간에 도달하는 광자를 검출하는 능력은 자율 운행 자동차의 LiDAR, 고급 의료 스캐너, 초정밀 산업용 센서와 같은 기술을 가능하게 합니다.

문제는 광자가 매우 작고 순식간에 지나가기 때문에 이를 포착하여 유효한 신호로 증폭하려면 특수 탐지기가 필요하다는 것입니다. PMT는 단일 광자를 전자로 변환하고, 이를 진공관의 전극을 통해 증폭하여 측정 가능한 전기 펄스를 생성합니다. 감도도 우수하고 잡음 수준도 낮지만 PMT는 현대의 콤팩트한 시스템에 잘 맞지 않습니다.

APD는 더 작고 빠른 솔루션을 위해 실리콘 다이오드의 내부 애벌런치 공정을 통해 광자를 증폭하는 더욱 실용적인 무접점 대안을 제공합니다. 그러나, APD는 조도가 매우 낮은 경우 단일 광자를 안정적으로 검출하기가 어려워, 빛이 약하면 그에 비례하여 약한 신호가 생성됩니다.

SiPM은 PMT처럼 단일 광자를 검출하지만 콤팩트하고 견고한 저전압 칩으로 제공되어 아무리 희미한 빛도 즉시 측정할 수 있도록 합니다. 이 제품은 아주 작은 마이크로셀 어레이로 구성되며, 각각 Geiger 모드에서 작동하여 단일 광자로 완전하고 균일한 전기 펄스를 생성할 수 있습니다.

각각의 마이크로셀은 본질적으로 디지털 스위치처럼 작동하여 광자를 잡는 순간 전환됩니다. 한 번 동작한 뒤, 셀은 리셋되며 다음 광자를 받을 준비를 합니다. 이렇게 수천 개의 셀이 동시에 작동하는 센서는 개별 광자를 계수하고 더 밝은 광 신호까지 유연하게 처리할 수 있습니다.

콤팩트한 크기의 고성능 광자 검출 솔루션

Broadcom의 AFBR‑S4 SiPM 제품군은 단일 광자 감도, 빠른 타이밍, 견고한 성능을 콤팩트하고 실용적인 패키지에 결합하여, 고급 광 검출 기능을 출시용 제품에 통합하는 과제를 간소화합니다.

Broadcom의 AFBR‑S4E001 평가 키트(그림 1)는 제품 설계자가 SiPM 기반 응용 제품을 시장에 빠르게 출시할 수 있도록 합니다. 이 제품은 맞춤형 회로망을 설계할 필요 없이 AFBR‑S4 센서를 테스트, 프로토타이핑, 통합하기 위한 간편한 플랫폼을 제공합니다. 이는 개발 위험을 감소시켜 맞춤형 PCB 레이아웃 또는 생산 설계를 확정하기 전에 하드웨어 및 소프트웨어를 모두 반복할 수 있습니다.

그림 1: AFBR‑S4E001 평가 키트에는 중형 SiPM 부품과, 2개의 50Ω 출력을 지원하는 전치 증폭기 기판이 포함되어 있습니다(이미지 출처: Broadcom Limited).

이 평가 키트에는 지원 소프트웨어와 참조 설계가 포함되어 있어 엔지니어는 시스템 레벨에서의 동작을 살펴보고, 최적의 결합 전략을 검증하며, 다양한 어레이 구성을 실험해 볼 수 있습니다. 설계자는 SiPM 어레이를 표준 인터페이스에 연결하고, 바이어스 전압을 실험하며, 실제 환경에서 광자 검출 효율, 타이밍, 잡음과 같은 주요 성능 파라미터를 측정할 수 있습니다.

또한 다음을 포함한 AFBR‑S4 계열의 유연한 형식을 활용할 수도 있습니다.

AFBR-S4N22P014M(그림 2)은 매우 콤팩트한 옵션으로 2mm²의 유효 어레이 면적에서 출력 소자당 2,464개 마이크로셀을 제공하며, 핸드헬드 스캐너 또는 자동차 범퍼 모듈과 같은 공간 제약적 응용 분야에 적합합니다.

그림 2: AFBR-S4N22P014M은 공간 제약적 응용 분야를 위한 콤팩트한 SiPM 옵션을 제공하며, 더 넓은 면적을 감지하기 위해 타일 방식으로 배치할 수 있습니다(이미지 출처: Broadcom Limited).

AFBR-S4N44P014M(그림 3)은 더 높은 광자 계수 용량과 감도 향상을 위해 13.47mm²의 유효 어레이 면적에서 마이크로셀 개수를 8334개로 늘렸습니다. 이는 소형 실장 면적의 LiDAR, 의료 영상, 산업용 센서와 같은 응용 분야에 다양하게 활용할 수 있는 옵션입니다.

그림 3: AFBR-S4N44PP014M SiPM은 Broadcom 제품군의 중간급입니다. 이러한 센서 중 하나가 AFBR‑S4E001 평가 키트에 포함되어 있습니다(이미지 출처: Broadcom Limited).

AFBR-S4N66P014M(그림 4)은 규모를 더욱 확장하여 36mm²의 유효 어레이 면적에 22,428개 마이크로셀을 제공하여 광자 검출 효율과 신호 대 잡음 성능을 극대화합니다. 이 제품은 첨단 의료 영상 및 장거리 자동차 또는 3D 매핑 LiDAR과 같이 높은 감도와 더 큰 감지 표면을 모두 요구하는 응용 분야에 적합합니다.

그림 4: AFBR-S4N66P014M은 Broadcom 제품군 중 가장 큰 제품이며 장거리, 고분해능 광자 캡처를 제공합니다(이미지 출처: Broadcom Limited).

Broadcom은 이러한 장치에서 다크 카운트, 크로스토크, 애프터 펄싱을 최소화하도록 설계하여, 열악한 환경에서도 신호가 깨끗하게 유지되도록 보장합니다.

결론

Broadcom의 AFBR‑S4 SiPM을 통해 설계자는 자동차용 LiDAR 및 의료 영상과 같은 다양한 응용 분야에 고성능 광 감지 기능을 통합할 수 있습니다. AFBR‑S4 계열은 고속 프로토타입핑을 위한 AFBR‑S4E001 평가 키트와 함께 소형, 중형, 대형 변형도 제공합니다. 이로써, 설계자는 감도, 속도, 풋프린트를 최적화하여 정밀한 광 감지가 매우 중요한 시장에서 혁신을 구현할 수 있습니다.