كاشف ضوئي InGaAs أحادي الفوتون

فوتون واحدكاشف ضوئي InGaAs

مع التطور السريع لتقنية LiDAR، أصبحكشف الضوءالتكنولوجيا وتقنية النطاق المستخدمة في تكنولوجيا التصوير لتتبع المركبات تلقائيًا لها أيضًا متطلبات أعلى، وحساسية ودقة الوقت للكاشف المستخدم في تكنولوجيا الكشف عن الإضاءة المنخفضة التقليدية لا يمكن أن تلبي الاحتياجات الفعلية. الفوتون الفردي هو أصغر وحدة طاقة للضوء، والكاشف الذي يتمتع بقدرة اكتشاف الفوتون الفردي هو الأداة النهائية للكشف عن الإضاءة المنخفضة. مقارنة مع InGaAsكاشف ضوئي APDتتمتع أجهزة الكشف أحادية الفوتون المستندة إلى كاشف ضوئي InGaAs APD بسرعة استجابة وحساسية وكفاءة أعلى. لذلك، تم إجراء سلسلة من الأبحاث حول أجهزة الكشف الضوئي المفردة IN-GAAS APD في الداخل والخارج.

قام باحثون من جامعة ميلانو في إيطاليا لأول مرة بتطوير نموذج ثنائي الأبعاد لمحاكاة السلوك العابر لفوتون واحدكاشف ضوئي الانهيار الجليديفي عام 1997، وأعطى نتائج محاكاة عددية للخصائص العابرة لكاشف ضوئي واحد للانهيار الجليدي للفوتون. ثم في عام 2006، استخدم الباحثون MOCVD لإعداد شكل هندسي مستوكاشف ضوئي InGaAs APDكاشف الفوتون الفردي، مما أدى إلى زيادة كفاءة الكشف عن الفوتون الفردي إلى 10٪ عن طريق تقليل الطبقة العاكسة وتعزيز المجال الكهربائي في الواجهة غير المتجانسة. في عام 2014، من خلال تحسين ظروف انتشار الزنك وتحسين الهيكل الرأسي، يتمتع كاشف الفوتون الفردي بكفاءة كشف أعلى تصل إلى 30%، ويحقق ارتعاش توقيت يبلغ حوالي 87 ps. في عام 2016، سانزارو م وآخرون. دمج كاشف الفوتون الفردي InGaAs APD مع مقاوم متكامل متجانس، وصمم وحدة عد مدمجة أحادية الفوتون تعتمد على الكاشف، واقترح طريقة إخماد هجينة قللت بشكل كبير من شحنة الانهيار الجليدي، وبالتالي تقليل الحديث المتبادل بعد النبض والبصري، و تقليل غضب التوقيت إلى 70 ps. وفي الوقت نفسه، أجرت مجموعات بحثية أخرى أيضًا أبحاثًا حول InGaAs APDphotodetectorكاشف فوتون واحد. على سبيل المثال، صممت شركة Princeton Lightwave كاشف الفوتون الفردي InGaAs/InPAPD بهيكل مستو ووضعه في الاستخدام التجاري. اختبر معهد شنغهاي للفيزياء التقنية أداء الفوتون الواحد للكاشف الضوئي APD باستخدام إزالة رواسب الزنك ووضع نبض البوابة السعوية المتوازنة مع عدد داكن يبلغ 3.6 × 10 ⁻⁴/ns نبض بتردد نبضي قدره 1.5 ميجاهرتز. جوزيف ف وآخرون. صمم هيكل الميسا InGaAs APD كاشف الفوتون الفردي مع فجوة نطاق أوسع، واستخدم InGaAsP كمادة طبقة ممتصة للحصول على عدد داكن أقل دون التأثير على كفاءة الكشف.

وضع التشغيل لكاشف الفوتون الفردي InGaAs APD هو وضع التشغيل الحر، أي أن الكاشف الضوئي APD يحتاج إلى إخماد الدائرة الطرفية بعد حدوث انهيار جليدي، والتعافي بعد التبريد لفترة من الوقت. من أجل تقليل تأثير وقت تأخير التبريد، يتم تقسيمه تقريبًا إلى نوعين: الأول هو استخدام دائرة التبريد السلبية أو النشطة لتحقيق التبريد، مثل دائرة التبريد النشطة التي يستخدمها R Thew، إلخ. الشكل (أ) ، (ب) عبارة عن رسم تخطيطي مبسط للتحكم الإلكتروني ودائرة التبريد النشطة واتصالها بكاشف ضوئي APD، والذي تم تطويره للعمل في وضع التشغيل المسور أو الحر، مما يقلل بشكل كبير من مشكلة ما بعد النبض التي لم يتم تحقيقها سابقًا. علاوة على ذلك، تبلغ كفاءة الكشف عند 1550 نانومتر 10%، ويتم تقليل احتمال النبض اللاحق إلى أقل من 1%. والثاني هو تحقيق التبريد والاسترداد السريع من خلال التحكم في مستوى جهد التحيز. نظرًا لأنه لا يعتمد على التحكم في التغذية المرتدة لنبض الانهيار الجليدي، يتم تقليل وقت تأخير التبريد بشكل كبير ويتم تحسين كفاءة الكشف للكاشف. على سبيل المثال، يستخدم LC Comandar et al الوضع المسور. تم إعداد كاشف أحادي الفوتون يعتمد على InGaAs/InPAPD. كانت كفاءة الكشف عن الفوتون الواحد أكثر من 55% عند 1550 نانومتر، وتم تحقيق احتمال ما بعد النبض بنسبة 7%. على هذا الأساس، أنشأت جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين نظام LiDAR باستخدام ألياف متعددة الأوضاع مقترنة في الوقت نفسه بكاشف ضوئي أحادي الفوتون InGaAs APD. تظهر المعدات التجريبية في الشكل (ج) و (د)، ويتم اكتشاف السحب متعددة الطبقات بارتفاع 12 كم بدقة زمنية قدرها 1 ثانية واستبانة مكانية قدرها 15 مترًا.