فوتون واحدكاشف ضوئي InGaAs
مع التطور السريع لـ LiDAR،كشف الضوءتتطلب تقنيات وتقنيات تحديد المدى المستخدمة في تقنيات التصوير لتتبع المركبات تلقائيًا متطلبات أعلى، إذ لا تلبي حساسية ودقة الكاشف المستخدم في تقنيات الكشف التقليدية في الإضاءة المنخفضة الاحتياجات الفعلية. الفوتون الواحد هو أصغر وحدة طاقة للضوء، والكاشف الذي يمكنه الكشف عن الفوتون الواحد هو الأداة النهائية للكشف عن الإضاءة المنخفضة. بالمقارنة مع InGaAsكاشف ضوئي APDتتميز كواشف الفوتون المفرد المعتمدة على كاشف InGaAs APD الضوئي بسرعة استجابة وحساسية وكفاءة أعلى. لذلك، أُجريت سلسلة من الأبحاث على كواشف الفوتون المفرد المعتمدة على كاشف IN-GAAS APD الضوئي داخل وخارج البلاد.
قام باحثون من جامعة ميلانو في إيطاليا أولاً بتطوير نموذج ثنائي الأبعاد لمحاكاة السلوك العابر لفوتون واحدكاشف ضوئي للانهيارات الجليديةفي عام ١٩٩٧، وقدّم نتائج محاكاة عددية للخصائص العابرة لكاشف ضوئي لانهيار فوتون واحد. ثم في عام ٢٠٠٦، استخدم الباحثون MOCVD لإعداد نموذج هندسي مستوٍكاشف ضوئي APD من InGaAsكاشف فوتون واحد، مما زاد من كفاءة كشف الفوتون الواحد إلى 10% عن طريق تقليل الطبقة العاكسة وتعزيز المجال الكهربائي عند السطح البيني غير المتجانس. في عام 2014، ومن خلال تحسين ظروف انتشار الزنك وتحسين الهيكل الرأسي، أصبح لكاشف الفوتون الواحد كفاءة كشف أعلى تصل إلى 30%، ويحقق تذبذبًا توقيتيًا يبلغ حوالي 87 بيكو ثانية. في عام 2016، قام SANZARO M وآخرون بدمج كاشف الفوتون الواحد الضوئي InGaAs APD مع مقاوم متكامل أحادي، وصمموا وحدة عد فوتون واحد مدمجة تعتمد على الكاشف، واقترحوا طريقة إخماد هجينة قللت بشكل كبير من شحنة الانهيار الجليدي، مما قلل من التداخل الضوئي اللاحق للنبضة والتداخل الضوئي، وخفض تذبذب التوقيت إلى 70 بيكو ثانية. في الوقت نفسه، أجرت مجموعات بحثية أخرى أبحاثًا على InGaAs APD.كاشف ضوئيكاشف فوتون واحد. على سبيل المثال، صممت شركة برينستون لايت ويف كاشف فوتون واحد من InGaAs/InPAPD بهيكل مستوٍ، ودخلته حيز الاستخدام التجاري. اختبر معهد شنغهاي للفيزياء التقنية أداء كاشف APD الضوئي للفوتون الواحد باستخدام إزالة رواسب الزنك ووضع نبضة البوابة المتوازنة السعوية مع عدد مظلم يبلغ 3.6 × 10⁻⁴/ns عند تردد نبضي يبلغ 1.5 ميجاهرتز. صمم جوزيف ب. وآخرون كاشف فوتون واحد من InGaAs APD الضوئي بهيكل ميسا مع فجوة نطاق أوسع، واستخدموا InGaAsP كمادة طبقة ماصة للحصول على عدد مظلم أقل دون التأثير على كفاءة الكشف.
وضع التشغيل لكاشف الفوتون الفردي APD من InGaAs هو وضع التشغيل الحر، أي أن كاشف APD الضوئي يحتاج إلى إخماد الدائرة الطرفية بعد حدوث انهيار جليدي، والتعافي بعد الإخماد لفترة من الوقت. من أجل تقليل تأثير وقت تأخير الإخماد، يتم تقسيمه تقريبًا إلى نوعين: الأول هو استخدام دائرة إخماد سلبية أو نشطة لتحقيق الإخماد، مثل دائرة الإخماد النشطة التي يستخدمها R Thew، إلخ. الشكل (أ)، (ب) هو مخطط مبسط للتحكم الإلكتروني ودائرة الإخماد النشطة واتصالها بكاشف APD الضوئي، والذي تم تطويره للعمل في وضع التشغيل المغلق أو الحر، مما يقلل بشكل كبير من مشكلة النبضة اللاحقة غير المحققة سابقًا. علاوة على ذلك، فإن كفاءة الكشف عند 1550 نانومتر هي 10٪، وينخفض احتمال النبضة اللاحقة إلى أقل من 1٪. والثاني هو تحقيق إخماد واسترداد سريع من خلال التحكم في مستوى جهد التحيز. نظرًا لأنه لا يعتمد على التحكم في ردود الفعل لنبضة الانهيار، يتم تقليل وقت تأخير الإخماد بشكل كبير وتحسين كفاءة الكشف للكاشف. على سبيل المثال، يستخدم LC Comandar وآخرون الوضع البوابة. تم إعداد كاشف فوتون واحد بوابة يعتمد على InGaAs / InPAPD. كانت كفاءة الكشف عن الفوتون الواحد أكثر من 55٪ عند 1550 نانومتر، وتم تحقيق احتمال ما بعد النبضة بنسبة 7٪. على هذا الأساس، أنشأت جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين نظام ليدار باستخدام ألياف متعددة الأوضاع مقترنة في وقت واحد مع كاشف ضوئي InGaAs APD للفوتون الواحد في الوضع الحر. تظهر المعدات التجريبية في الشكلين (ج) و (د)، ويتم تحقيق الكشف عن السحب متعددة الطبقات التي يبلغ ارتفاعها 12 كم بدقة زمنية تبلغ 1 ثانية ودقة مكانية تبلغ 15 مترًا.
وقت النشر: ٧ مايو ٢٠٢٤