Fotorilevatore InGaAs a fotone singolo

Singolo fotoneFotodiodo InGaAs

Con il rapido sviluppo del LiDAR, ilrilevamento della luceAnche la tecnologia di telemetria e la tecnologia di telemetria utilizzate per la tecnologia di imaging per il tracciamento automatico dei veicoli presentano requisiti più elevati; la sensibilità e la risoluzione temporale del rilevatore utilizzato nella tradizionale tecnologia di rilevamento in condizioni di scarsa illuminazione non possono soddisfare le esigenze effettive. Il singolo fotone è la più piccola unità energetica della luce e un rilevatore con la capacità di rilevare un singolo fotone è lo strumento definitivo per il rilevamento in condizioni di scarsa illuminazione. Rispetto all'InGaAsFotorilevatore APDI rivelatori a singolo fotone basati sul fotodiodo APD in InGaAs presentano una maggiore velocità di risposta, sensibilità ed efficienza. Per questo motivo, sono state condotte una serie di ricerche sui rivelatori a singolo fotone basati sul fotodiodo APD in IN-GAAS, sia in patria che all'estero.

I ricercatori dell'Università di Milano in Italia hanno sviluppato per primi un modello bidimensionale per simulare il comportamento transitorio di un singolo fotonefotodetector per valanghenel 1997, e hanno fornito risultati di simulazione numerica delle caratteristiche transitorie di un fotorilevatore a valanga a singolo fotone. Poi, nel 2006, i ricercatori hanno utilizzato MOCVD per preparare una geometria planareFotodiodo APD InGaAsRilevatore di fotoni singoli, che ha aumentato l'efficienza di rilevamento dei singoli fotoni al 10% riducendo lo strato riflettente e potenziando il campo elettrico all'interfaccia eterogenea. Nel 2014, migliorando ulteriormente le condizioni di diffusione dello zinco e ottimizzando la struttura verticale, il rilevatore di fotoni singoli ha raggiunto un'efficienza di rilevamento maggiore, fino al 30%, e raggiunge un jitter temporale di circa 87 ps. Nel 2016, SANZARO M et al. hanno integrato il rilevatore di fotoni singoli del fotorivelatore APD in InGaAs con un resistore integrato monolitico, hanno progettato un modulo compatto di conteggio dei singoli fotoni basato sul rilevatore e hanno proposto un metodo di quench ibrido che ha ridotto significativamente la carica a valanga, riducendo così il post-impulso e la diafonia ottica e riducendo il jitter temporale a 70 ps. Contemporaneamente, anche altri gruppi di ricerca hanno condotto ricerche sull'APD in InGaAs.fotodiodoRilevatore di fotoni singoli. Ad esempio, Princeton Lightwave ha progettato un rilevatore di fotoni singoli InGaAs/InPAPD con struttura planare e lo ha introdotto sul mercato. Lo Shanghai Institute of Technical Physics ha testato le prestazioni a fotoni singoli del fotorilevatore APD utilizzando la rimozione dei depositi di zinco e la modalità di impulso a gate bilanciato capacitivo con un conteggio di buio di 3,6 × 10 ⁻⁴/ns a una frequenza di impulso di 1,5 MHz. Joseph P et al. hanno progettato il rilevatore di fotoni singoli del fotorilevatore APD InGaAs con struttura mesa e bandgap più ampio, utilizzando InGaAsP come materiale per lo strato assorbente per ottenere un conteggio di buio inferiore senza compromettere l'efficienza di rilevamento.

La modalità operativa del fotorilevatore a singolo fotone APD in InGaAs è la modalità di funzionamento libero, ovvero il fotorilevatore APD deve spegnere il circuito periferico dopo il verificarsi di una valanga e recuperare dopo un periodo di spegnimento prolungato. Per ridurre l'impatto del ritardo di spegnimento, si può suddividere in due tipologie: una consiste nell'utilizzare un circuito di spegnimento passivo o attivo per ottenere lo spegnimento, come il circuito di spegnimento attivo utilizzato da R Thew, ecc. Le Figure (a) e (b) mostrano uno schema semplificato del controllo elettronico e del circuito di spegnimento attivo e della sua connessione con il fotorilevatore APD, che è stato sviluppato per funzionare in modalità gated o free running, riducendo significativamente il problema del post-impulso precedentemente non risolto. Inoltre, l'efficienza di rilevamento a 1550 nm è del 10% e la probabilità di post-impulso è ridotta a meno dell'1%. La seconda modalità consiste nel realizzare uno spegnimento e un recupero rapidi controllando il livello della tensione di polarizzazione. Poiché non dipende dal controllo di feedback dell'impulso a valanga, il tempo di ritardo del quenching è significativamente ridotto e l'efficienza di rilevamento del rivelatore è migliorata. Ad esempio, LC Comandar et al. utilizzano la modalità gated. È stato preparato un rivelatore a singolo fotone gated basato su InGaAs/InPAPD. L'efficienza di rilevamento del singolo fotone è stata superiore al 55% a 1550 nm e la probabilità post-impulso è stata raggiunta del 7%. Su questa base, l'Università di Scienza e Tecnologia della Cina ha realizzato un sistema liDAR utilizzando una fibra multimodale accoppiata simultaneamente con un rivelatore a singolo fotone con fotorivelatore APD in InGaAs a modo libero. L'apparecchiatura sperimentale è mostrata nelle Figure (c) e (d) e il rilevamento di nubi multistrato con un'altezza di 12 km è realizzato con una risoluzione temporale di 1 s e una risoluzione spaziale di 15 m.