Yksittäisen fotonin InGaAs-fotodetektori

Yksittäinen fotoniInGaAs-fotodetektori

LiDARin nopean kehityksen myötävalon havaitseminenAutomaattisessa ajoneuvojen seurannassa käytettävällä kuvantamistekniikalla ja etäisyysmittaustekniikalla on myös korkeammat vaatimukset, mutta perinteisessä hämärässä tapahtuvan havaitsemisen tekniikassa käytetyn ilmaisimen herkkyys ja aikaresoluutio eivät pysty vastaamaan todellisiin tarpeisiin. Yksittäinen fotoni on valon pienin energiayksikkö, ja yksittäisen fotonin havaitsemiseen kykenevä ilmaisin on hämärässä tapahtuvan havaitsemisen viimeinen työkalu. Verrattuna InGaAs:äänAPD-valoilmaisinInGaAs APD -fotodetektoriin perustuvilla yksifotonidetektoreilla on suurempi vasteaika, herkkyys ja tehokkuus. Siksi on tehty useita tutkimuksia IN-GAAS APD -fotodetektoreihin perustuvista yksifotonidetektoreista sekä kotimaassa että ulkomailla.

Milanon yliopiston tutkijat kehittivät ensimmäisenä kaksiulotteisen mallin yksittäisen fotonin transienttikäyttäytymisen simuloimiseksi.lumivyöryvaloilmaisinvuonna 1997 ja antoi numeerisia simulaatiotuloksia yksittäisen fotonin lumivyöryvalodetektorin transienttiominaisuuksista. Sitten vuonna 2006 tutkijat käyttivät MOCVD:tä tasomaisen geometrisenInGaAs APD -fotodetektoriyksittäisfotoni-ilmaisin, joka nosti yksittäisfotonien havaitsemistehokkuutta 10 prosenttiin pienentämällä heijastavaa kerrosta ja parantamalla sähkökenttää heterogeenisessä rajapinnassa. Vuonna 2014, parantamalla edelleen sinkin diffuusio-olosuhteita ja optimoimalla pystysuoraa rakennetta, yksittäisfotoni-ilmaisimella on jopa 30 prosentin korkeampi havaitsemistehokkuus ja se saavuttaa noin 87 ps:n ajoitusjitterin. Vuonna 2016 SANZARO M et al. integroivat InGaAs APD -fotodetektorin yksifotoni-ilmaisimen monoliittiseen integroituun vastukseen, suunnittelivat ilmaisimeen perustuvan kompaktin yksifotonien laskentamoduulin ja ehdottivat hybridi-sammutusmenetelmää, joka pienensi merkittävästi lumivyöryvarausta, mikä vähensi pulssin jälkeistä ja optista ylikuulumista ja ajoitusjitterin 70 ps:iin. Samaan aikaan muut tutkimusryhmät ovat myös tehneet tutkimusta InGaAs APD:stä.valoilmaisinyksittäisfotoni-ilmaisin. Esimerkiksi Princeton Lightwave on suunnitellut tasomaisen rakenteen omaavan InGaAs/InPAPD-yksittäisfotoni-ilmaisimen ja ottanut sen kaupalliseen käyttöön. Shanghain teknillisen fysiikan instituutti testasi APD-fotoilmaisimen yksittäisfotoni-suorituskykyä käyttämällä sinkkikerrostumien poistoa ja kapasitiivista tasapainotettua porttipulssitilaa, jossa tummaluku oli 3,6 × 10⁻⁴/ns pulssin taajuudella 1,5 MHz. Joseph P et al. suunnittelivat mesa-rakenteisen InGaAs APD-fotoilmaisimen, yksittäisfotoni-ilmaisimen, jolla oli leveämpi kaistanleveys, ja käyttivät InGaAsP:tä absorboivana kerroksena saadakseen pienemmän tummaluvun vaikuttamatta ilmaisutehokkuuteen.

InGaAs APD-fotodetektorin yksittäisfotoni-ilmaisimen toimintatila on vapaa toimintatila, eli APD-fotodetektorin on vaimennettava oheispiiri lumivyöryn tapahtumisen jälkeen ja palaututtava sammutuksen jälkeen tietyn ajanjakson ajan. Sammutusviiveen vaikutuksen vähentämiseksi se jaetaan karkeasti kahteen tyyppiin: Toinen on passiivisen tai aktiivisen sammutuspiirin käyttö sammutuksen saavuttamiseksi, kuten R Thew:n käyttämä aktiivinen sammutuspiiri jne. Kuvat (a) ja (b) ovat yksinkertaistettu kaavio elektronisesta ohjaus- ja aktiivisesta sammutuspiiristä ja sen yhteydestä APD-fotodetektoriin, joka on kehitetty toimimaan portitetussa tai vapaasti toimivassa tilassa, mikä vähentää merkittävästi aiemmin toteutumatonta jälkipulssin ongelmaa. Lisäksi havaitsemistehokkuus 1550 nm:ssä on 10 % ja jälkipulssin todennäköisyys laskee alle 1 %:iin. Toinen on nopea sammutus ja palautuminen saavutetaan ohjaamalla esijännitteen tasoa. Koska se ei ole riippuvainen lumivyörypulssin takaisinkytkentäohjauksesta, sammutuksen viiveaika lyhenee merkittävästi ja ilmaisimen havaitsemistehokkuus paranee. Esimerkiksi LC Comandar ym. käyttivät porttitilassa olevaa menetelmää. Valmistettiin InGaAs/InPAPD-pohjainen porttitilassa oleva yksifotoni-ilmaisin. Yksifotonien havaitsemistehokkuus oli yli 55 % aallonpituudella 1550 nm, ja pulssin jälkeinen todennäköisyys oli 7 %. Tämän pohjalta Kiinan tiede- ja teknologiayliopisto perusti liDAR-järjestelmän, joka käyttää monimoodikuitua samanaikaisesti kytkettynä vapaamoodiseen InGaAs APD -fotodetektoriin/yksifotoni-ilmaisimeen. Kokeelliset laitteet on esitetty kuvissa (c) ja (d), ja 12 km:n korkuisten monikerroksisten pilvien havaitseminen toteutetaan 1 sekunnin aikaresoluutiolla ja 15 metrin spatiaalisella resoluutiolla.