آشکارساز نوری تک فوتونی InGaAs

فوتون منفردآشکارساز نوری InGaAs

با توسعه سریع لیدار،تشخیص نورفناوری و فناوری مسافت‌یابی مورد استفاده برای فناوری تصویربرداری ردیابی خودکار خودرو نیز الزامات بالاتری دارند، حساسیت و وضوح زمانی آشکارساز مورد استفاده در فناوری سنتی تشخیص نور کم نمی‌تواند نیازهای واقعی را برآورده کند. فوتون منفرد کوچکترین واحد انرژی نور است و آشکارساز با قابلیت تشخیص فوتون منفرد، ابزار نهایی تشخیص نور کم است. در مقایسه با InGaAsآشکارساز نوری APDآشکارسازهای تک فوتونی مبتنی بر آشکارساز نوری InGaAs APD سرعت پاسخ، حساسیت و کارایی بالاتری دارند. بنابراین، مجموعه‌ای از تحقیقات در مورد آشکارسازهای تک فوتونی آشکارساز نوری IN-GAAS APD در داخل و خارج از کشور انجام شده است.

محققان دانشگاه میلان در ایتالیا ابتدا یک مدل دوبعدی برای شبیه‌سازی رفتار گذرای یک فوتون واحد توسعه دادند.آشکارساز نوری بهمندر سال ۱۹۹۷، و نتایج شبیه‌سازی عددی از ویژگی‌های گذرای یک آشکارساز نوری بهمن تک فوتونی را ارائه داد. سپس در سال ۲۰۰۶، محققان از MOCVD برای تهیه یک هندسه مسطح استفاده کردند.آشکارساز نوری InGaAs APDآشکارساز تک فوتون، که با کاهش لایه بازتابنده و افزایش میدان الکتریکی در سطح مشترک ناهمگن، راندمان تشخیص تک فوتون را به 10٪ افزایش داد. در سال 2014، با بهبود بیشتر شرایط انتشار روی و بهینه‌سازی ساختار عمودی، آشکارساز تک فوتون راندمان تشخیص بالاتری، تا 30٪، دارد و به لرزش زمانی حدود 87 پیکوثانیه دست می‌یابد. در سال 2016، SANZARO M و همکارانش آشکارساز تک فوتون InGaAs APD را با یک مقاومت یکپارچه یکپارچه ادغام کردند، یک ماژول شمارش تک فوتون فشرده بر اساس آشکارساز طراحی کردند و یک روش خاموش‌سازی ترکیبی را پیشنهاد کردند که بار بهمنی را به طور قابل توجهی کاهش داد، در نتیجه تداخل پس از پالس و نوری را کاهش داد و لرزش زمانی را به 70 پیکوثانیه کاهش داد. در همان زمان، گروه‌های تحقیقاتی دیگری نیز تحقیقاتی در مورد APD InGaAs انجام داده‌اند.آشکارساز نوریآشکارساز تک فوتون. به عنوان مثال، پرینستون لایت‌ویو آشکارساز تک فوتون InGaAs/InPAPD را با ساختار مسطح طراحی کرده و آن را به صورت تجاری به کار گرفته است. موسسه فیزیک فنی شانگهای عملکرد تک فوتون آشکارساز APD را با استفاده از حذف رسوبات روی و حالت پالس گیت متعادل خازنی با شمارش تاریک 3.6 × 10⁻⁴/ns در فرکانس پالس 1.5 مگاهرتز آزمایش کرد. جوزف پی و همکارانش آشکارساز تک فوتون InGaAs APD با ساختار مزا را با شکاف باند وسیع‌تر طراحی کردند و از InGaAsP به عنوان ماده لایه جاذب برای دستیابی به شمارش تاریک کمتر بدون تأثیر بر راندمان تشخیص استفاده کردند.

حالت عملیاتی آشکارساز تک فوتونی InGaAs APD، حالت عملکرد آزاد است، یعنی آشکارساز APD پس از وقوع بهمن، باید مدار جانبی را خاموش کند و پس از خاموش شدن برای مدتی بهبود یابد. به منظور کاهش تأثیر زمان تأخیر خاموش شدن، تقریباً به دو نوع تقسیم می‌شود: یکی استفاده از مدار خاموش شدن غیرفعال یا فعال برای دستیابی به خاموش شدن، مانند مدار خاموش شدن فعال مورد استفاده توسط R Thew و غیره. شکل (الف) و (ب) نمودار ساده‌ای از کنترل الکترونیکی و مدار خاموش شدن فعال و ارتباط آن با آشکارساز APD است که برای کار در حالت گیت‌دار یا آزاد توسعه داده شده است و مشکل پس‌پالس که قبلاً تحقق نیافته بود را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد. علاوه بر این، راندمان تشخیص در 1550 نانومتر 10٪ است و احتمال پس‌پالس به کمتر از 1٪ کاهش می‌یابد. حالت دوم، تحقق خاموش شدن و بازیابی سریع با کنترل سطح ولتاژ بایاس است. از آنجایی که به کنترل بازخورد پالس بهمن وابسته نیست، زمان تأخیر خاموش شدن به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و راندمان تشخیص آشکارساز بهبود می‌یابد. به عنوان مثال، LC Comandar و همکارانش از حالت دروازه‌ای استفاده می‌کنند. یک آشکارساز تک فوتون دروازه‌ای مبتنی بر InGaAs/InPAPD تهیه شد. راندمان تشخیص تک فوتون در طول موج 1550 نانومتر بیش از 55٪ بود و احتمال پس از پالس 7٪ حاصل شد. بر این اساس، دانشگاه علم و فناوری چین یک سیستم لیدار با استفاده از فیبر چند حالته که به طور همزمان با یک آشکارساز تک فوتون InGaAs حالت آزاد جفت شده است، ایجاد کرد. تجهیزات آزمایشگاهی در شکل (c) و (d) نشان داده شده است و تشخیص ابرهای چند لایه با ارتفاع 12 کیلومتر با وضوح زمانی 1 ثانیه و وضوح مکانی 15 متر انجام می‌شود.