使用 Broadcom 感測器達到尖端光子偵測

光子偵測能讓裝置感知一般看不到的東西，能在汽車安全、醫療造影、機器人和工業自動化等領域促成突破性應用。偵測個別光子就可即時偵測微小訊號，進而達成眾多能力，包括從精確的距離測量到疾病早期偵測等。

發明於 1930 年代的光電倍增管 (PMT) 是偵測光子的黃金標竿，但其易碎的玻璃真空管體積太大，難以整合到汽車、無人機、手持設備或消費性裝置等關鍵應用中。固態突崩光電二極體 (APD) 更為實用，但靈敏度不如 PMT。

若產品設計人員需要晶片規模的替代方案，不僅要媲美 PMT 的靈敏度，又要具有 APD 的實用性，就可轉用採用新一代光子偵測技術的矽光電倍增管 (SiPM)。Broadcom 的 AFBR-S4 SiPM 系列提供尖端的光子偵測功能，設計人員可輕鬆將其整合至 LiDAR、醫療掃描器、工業感測器或其他有需求的應用中。

點亮創新

光可以透過每個光子傳遞距離、運動、化學和輻射等重要資訊。這些光子的偵測，尤其是在光子稀少或瞬間到達的情況下，正是促成自駕車的 LiDAR、先進醫療掃描儀和超精密工業感測器等技術的幕後功臣。

困難之處在於光子非常微小且轉瞬即逝，因此需要專門的偵測器來捕捉光子並將其放大成可用的訊號。PMT 會將單一光子轉換為電子，透過真空管中的電極將其放大，產生可量測的電脈衝。雖然靈敏且低雜訊，但卻不容易融入現代化緊湊型系統中。

APD 提供了一種更實用的固態替代方案，可透過矽二極體的內部突崩過程來放大光子，因此是更小且更快的解決方案。然而，此方案難以在超低光照條件下可靠地偵測到單一光子，因此若只有微光，就只會產生相對微弱的訊號。

SiPM 能像 PMT 一樣偵測單一光子，但其晶片小巧、低電壓且堅固耐用，即使最微弱的光線也能立即量測。由小巧的微細胞陣列所構成，每個微細胞都以蓋革模式運作，因此單一光子就能產生完整、一致的電脈衝。

每個微細胞的功能基本上就像數位開關，捕捉到光子時就會開啟。觸發後，細胞就會重設，並備妥迎接下一個光子，因此有數千個細胞共同運作的感測器可以計算個別光子的數量，並處理更明亮的光訊號。

緊湊型高效能光子偵測

Broadcom 的 AFBR-S4 SiPM 系列兼具單光子靈敏度、快速計時和穩健的效能，並採用緊湊的實用封裝，可簡化將先進光偵測功能整合到可上市產品的難題。

Broadcom 的 AFBR-S4E001 評估套件 (圖 1) 可協助產品設計人員快速將 SiPM 架構應用推向市場。能提供一個立即可用的平台，以便進行 AFBR-S4 感測器的測試、原型設計和整合，無需設計客製化電路。如此便可降低開發風險，並可在確定客製化 PCB 佈局或生產設計之前，先對硬體和軟體進行迭代。

圖 1：AFBR-S4E001 評估套件含有一個中階 SiPM 元件和一個具有兩個 50 Ω 輸出的前級放大器板。(圖片來源：Broadcom Limited)

評估套件含有支援軟體和參考設計，能讓工程師探索系統層級行為、驗證光學耦合策略，並針對陣列配置進行實驗。設計人員可以將 SiPM 陣列連接到標準介面，進行偏壓實驗，並在現實條件下測量光子偵測效率、計時和雜訊等關鍵效能參數。

設計人員也可享受 AFBR-S4 系列彈性格式的優勢，包括：

AFBR-S4N22P014M (圖 2) 是非常緊湊的品項，每個輸出元件有 2,464 個微細胞，且主動陣列面積僅有 2^mm2，適用於空間受限的應用，例如手持式掃描器或汽車保險桿模組。

圖 2：AFBR-S4N22P014M 能為空間受限的應用提供緊湊的 SiPM 選項，並可堆疊以覆蓋更大的區域。(圖片來源：Broadcom Limited)

AFBR-S4N44P014M (圖 3) 在 13.47 mm² 的主動陣列面積中將微細胞數量增加到 8334 個，可提供更高的光子計數能力，並提高靈敏度。對於小尺寸 LiDAR、醫療造影和工業感測器等應用來說，是更多功能的選擇。

圖 3：AFBR-S4N44PP014M SiPM 屬於 Broadcom 系列的中階產品。其中一個感測器就包含在 AFBR-S4E001 評估套件中。(圖片來源：Broadcom Limited)

AFBR-S4N66P014M (圖 4) 更擴大規模，在 36 mm² 的主動陣列中容納 22,428 個微細胞，可將光子偵測效率和訊噪比效能發揮到極致。適用於需要高靈敏度和更大感測面的應用，例如先進的醫療造影，以及車用遠距或 3D 繪圖用的 LiDAR。

圖 4：AFBR-S4N66P014M 是 Broadcom 系列中最大的元件，可提供遠距離、高解析度的光子擷取。(圖片來源：Broadcom Limited)

Broadcom 設計的這些裝置可將暗計數、串音和寄生脈衝降至最低，確保訊號即使在嚴峻的環境中也能保持乾淨。

結論

Broadcom 的 AFBR-S4 SiPM 能讓設計人員將高效能光感測整合至各種應用，例如車用 LiDAR 和醫療造影。AFBR-S4 系列提供小型、中型和大型款式，並有 AFBR-S4E001 評估套件可快速進行原型設計。設計人員可藉此將靈敏度、速度和覆蓋區達到最佳化，在講究精確光偵測的市場中提供創新。