Одиночный фотонФотодетектор на основе InGaAs
В связи с быстрым развитием технологии LiDAR,обнаружение светаТехнологии и методы измерения расстояния, используемые в технологиях автоматического отслеживания транспортных средств и получения изображений, предъявляют более высокие требования. Чувствительность и временное разрешение детекторов, используемых в традиционных технологиях обнаружения в условиях низкой освещенности, не соответствуют реальным потребностям. Одиночный фотон — это наименьшая единица энергии света, и детектор, способный обнаруживать одиночные фотоны, является конечным инструментом обнаружения в условиях низкой освещенности. По сравнению с InGaAsФотодетектор APDДетекторы одиночных фотонов на основе фотодетекторов InGaAs APD обладают более высокой скоростью отклика, чувствительностью и эффективностью. Поэтому в стране и за рубежом был проведен ряд исследований детекторов одиночных фотонов на основе фотодетекторов InGaAs APD.
Исследователи из Миланского университета в Италии впервые разработали двухмерную модель для моделирования переходного поведения одиночного фотона.лавинный фотодетекторВ 1997 году они представили результаты численного моделирования переходных характеристик лавинного фотодетектора одиночных фотонов. Затем в 2006 году исследователи использовали метод MOCVD для получения планарной геометрической структуры.Фотодетектор на основе InGaAs APDДетектор одиночных фотонов, в котором эффективность обнаружения одиночных фотонов была повышена до 10% за счет уменьшения отражающего слоя и усиления электрического поля на гетерогенном интерфейсе. В 2014 году, благодаря дальнейшему улучшению условий диффузии цинка и оптимизации вертикальной структуры, детектор одиночных фотонов достиг более высокой эффективности обнаружения, до 30%, и обеспечил временной джиттер около 87 пс. В 2016 году SANZARO M и др. интегрировали фотодетектор одиночных фотонов на основе InGaAs APD с монолитным интегрированным резистором, разработали компактный модуль подсчета одиночных фотонов на основе этого детектора и предложили гибридный метод гашения, который значительно уменьшил лавинный заряд, тем самым уменьшив пост-импульсные и оптические перекрестные помехи и снизив временной джиттер до 70 пс. В то же время другие исследовательские группы также проводили исследования на основе InGaAs APD.фотодетекторДетектор одиночных фотонов. Например, компания Princeton Lightwave разработала детектор одиночных фотонов InGaAs/InPAPD с планарной структурой и внедрила его в коммерческое использование. Шанхайский институт технической физики протестировал характеристики фотодетектора APD для обнаружения одиночных фотонов, используя удаление цинковых отложений и емкостной сбалансированный импульсный режим с уровнем фонового шума 3,6 × 10⁻⁴/нс при частоте импульсов 1,5 МГц. Джозеф П. и др. разработали фотодетектор одиночных фотонов InGaAs APD с мезаструктурой и более широкой запрещенной зоной, используя InGaAsP в качестве поглощающего слоя для получения более низкого уровня фонового шума без влияния на эффективность обнаружения.
Режим работы фотодетектора одиночных фотонов на основе InGaAs APD — это режим свободной работы, то есть фотодетектор APD должен гасить периферийную цепь после возникновения лавины и восстанавливаться после периода гашения. Для уменьшения влияния задержки гашения, этот метод условно делится на два типа: первый — использование пассивной или активной схемы гашения для достижения гашения, например, активной схемы гашения, используемой в R Thew и др. На рисунках (a) и (b) представлена упрощенная схема электронного управления и активной схемы гашения, а также ее связь с фотодетектором APD, разработанным для работы в стробированном или свободном режиме, что значительно уменьшает ранее нереализуемую проблему пост-импульсного эффекта. Кроме того, эффективность обнаружения на длине волны 1550 нм составляет 10%, а вероятность пост-импульсного эффекта снижена до менее чем 1%. Второй способ — реализация быстрого гашения и восстановления путем управления уровнем напряжения смещения. Поскольку это не зависит от обратной связи управления лавинным импульсом, время задержки гашения значительно сокращается, а эффективность обнаружения детектора повышается. Например, LC Comandar и др. используют стробированный режим. Был изготовлен стробированный детектор одиночных фотонов на основе InGaAs/InPAPD. Эффективность обнаружения одиночных фотонов составила более 55% на длине волны 1550 нм, а вероятность послеимпульсного сигнала достигла 7%. На этой основе Китайский университет науки и технологий создал систему лидара, использующую многомодовое волокно, одновременно соединенное с фотодетектором одиночных фотонов InGaAs APD в режиме свободной моды. Экспериментальное оборудование показано на рисунках (c) и (d), и было реализовано обнаружение многослойных облаков высотой 12 км с временным разрешением 1 с и пространственным разрешением 15 м.
Дата публикации: 07 мая 2024 г.