كاشف ضوئي أحادي الفوتون من نوع InGaAs

فوتون واحدكاشف ضوئي من إنديوم غاليوم أرسينيد

مع التطور السريع لتقنية الليدار،كشف الضوءتتطلب تقنيات التصوير المستخدمة في تتبع المركبات الآلية وتقنيات تحديد المدى متطلبات أعلى، حيث لا تستطيع حساسية ودقة الكشف المستخدمة في تقنيات الكشف التقليدية في الإضاءة المنخفضة تلبية الاحتياجات الفعلية. الفوتون الواحد هو أصغر وحدة طاقة للضوء، والكاشف القادر على كشف الفوتون الواحد هو الأداة النهائية للكشف في الإضاءة المنخفضة. بالمقارنة مع InGaAsكاشف ضوئي APDتتميز كاشفات الفوتونات المفردة القائمة على كاشف ضوئي من نوع InGaAs APD بسرعة استجابة وحساسية وكفاءة أعلى. ولذلك، أُجريت سلسلة من الأبحاث حول كاشفات الفوتونات المفردة القائمة على كاشف ضوئي من نوع InGaAs APD محليًا ودوليًا.

قام باحثون من جامعة ميلانو في إيطاليا بتطوير نموذج ثنائي الأبعاد لمحاكاة السلوك العابر لفوتون واحدكاشف ضوئي للانهيارات الثلجيةفي عام 1997، قدم الباحثون نتائج محاكاة عددية للخصائص العابرة لكاشف ضوئي انهياري أحادي الفوتون. ثم في عام 2006، استخدم الباحثون تقنية الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD) لإعداد شكل هندسي مستوٍكاشف ضوئي من نوع InGaAs APDتم تطوير كاشف الفوتون الأحادي، الذي زادت كفاءته إلى 10% عن طريق تقليل الطبقة العاكسة وتعزيز المجال الكهربائي عند السطح البيني غير المتجانس. وفي عام 2014، من خلال تحسين ظروف انتشار الزنك وتطوير البنية الرأسية، حقق كاشف الفوتون الأحادي كفاءة أعلى تصل إلى 30%، مع تذبذب زمني يبلغ حوالي 87 بيكو ثانية. وفي عام 2016، قام سانزارو وآخرون بدمج كاشف الفوتون الأحادي المصنوع من InGaAs APD مع مقاوم متكامل متجانس، وصمموا وحدة عد فوتونات أحادية مدمجة تعتمد على هذا الكاشف، واقترحوا طريقة إخماد هجينة قللت بشكل كبير من شحنة الانهيار، مما قلل من التشويش اللاحق للنبضة والتشويش البصري، وخفض التذبذب الزمني إلى 70 بيكو ثانية. وفي الوقت نفسه، أجرت مجموعات بحثية أخرى أبحاثًا على InGaAs APD.كاشف ضوئيكاشف الفوتون الأحادي. على سبيل المثال، صممت شركة برينستون لايتويف كاشف فوتون أحادي من نوع InGaAs/InPAPD ذو بنية مستوية، وطرحته للاستخدام التجاري. اختبر معهد شنغهاي للفيزياء التقنية أداء كاشف الفوتون الأحادي من نوع APD باستخدام إزالة رواسب الزنك ونمط نبضة البوابة المتوازنة السعوية، حيث بلغ عدد الفوتونات المظلمة 3.6 × 10⁻⁴/نانو ثانية لكل نبضة عند تردد نبضي 1.5 ميجاهرتز. صمم جوزيف ب وآخرون كاشف فوتون أحادي من نوع InGaAs APD ذو بنية ميزا وفجوة نطاق أوسع، واستخدموا InGaAsP كمادة للطبقة الماصة للحصول على عدد فوتونات مظلمة أقل دون التأثير على كفاءة الكشف.

يعمل كاشف الفوتون الأحادي الضوئي المصنوع من InGaAs APD في وضع التشغيل الحر، أي أنه يحتاج إلى إخماد الدائرة الطرفية بعد حدوث انهيار ضوئي، ثم يستعيد نشاطه بعد فترة من الإخماد. ولتقليل تأثير زمن تأخير الإخماد، يُقسم إلى نوعين رئيسيين: الأول هو استخدام دائرة إخماد سلبية أو فعالة، مثل دائرة الإخماد الفعالة المستخدمة في R Thew، وغيرها. يوضح الشكلان (أ) و(ب) مخططًا مبسطًا لدائرة التحكم الإلكتروني ودائرة الإخماد الفعالة وارتباطها بكاشف APD الضوئي، والتي طُوّرت للعمل في وضع التشغيل المُتحكم به أو الحر، مما يقلل بشكل كبير من مشكلة النبضة اللاحقة التي لم تكن مُعالجة سابقًا. علاوة على ذلك، تبلغ كفاءة الكشف عند 1550 نانومتر 10%، وينخفض ​​احتمال حدوث النبضة اللاحقة إلى أقل من 1%. أما النوع الثاني فهو تحقيق إخماد واستعادة سريعين من خلال التحكم في مستوى جهد الانحياز. بما أن هذه التقنية لا تعتمد على التحكم التلقائي لنبضة الانهيار، فإن زمن تأخير الإخماد ينخفض ​​بشكل ملحوظ، مما يحسن كفاءة الكشف. على سبيل المثال، استخدم LC Comandar وزملاؤه الوضع المُبَوَّب. وقد تم تحضير كاشف أحادي الفوتون مُبَوَّب يعتمد على InGaAs/InPAPD. بلغت كفاءة الكشف عن الفوتون الواحد أكثر من 55% عند 1550 نانومتر، وحُققت احتمالية ما بعد النبضة بنسبة 7%. بناءً على ذلك، أنشأت جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين نظام ليدار باستخدام ألياف متعددة الأنماط مقترنة في آنٍ واحد بكاشف ضوئي أحادي الفوتون من نوع InGaAs APD ذي الوضع الحر. يظهر الجهاز التجريبي في الشكلين (ج) و(د)، وقد تم الكشف عن السحب متعددة الطبقات بارتفاع 12 كيلومترًا بدقة زمنية قدرها ثانية واحدة ودقة مكانية قدرها 15 مترًا.