Fotodiodo InGaAs a fotone singolo

Singolo fotoneFotodiodo InGaAs

Con il rapido sviluppo del LiDAR,rilevamento della luceLa tecnologia 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 luminosità non sono sufficienti a 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 luminosità. Rispetto all'InGaAsFotodiodo APDI rivelatori a singolo fotone basati sul fotodiodo APD in InGaAs offrono maggiore velocità di risposta, sensibilità ed efficienza. Pertanto, 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 fotorivelatore a valanga a singolo fotone. Poi, nel 2006, i ricercatori hanno utilizzato MOCVD per preparare un modello geometrico planareFotodiodo APD InGaAsRivelatore a singolo fotone, che ha aumentato l'efficienza di rivelazione del singolo fotone 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 rivelatore a singolo fotone ha raggiunto un'efficienza di rivelazione superiore, fino al 30%, e raggiunge un jitter temporale di circa 87 ps. Nel 2016, SANZARO M et al. hanno integrato il fotorivelatore a singolo fotone APD in InGaAs con un resistore integrato monolitico, hanno progettato un modulo compatto di conteggio dei singoli fotoni basato sul rivelatore 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 singoli fotoni. Ad esempio, Princeton Lightwave ha progettato un rilevatore di singoli fotoni in InGaAs/InPAPD con struttura planare e lo ha introdotto sul mercato. Lo Shanghai Institute of Technical Physics ha testato le prestazioni a singolo fotone del fotorilevatore APD utilizzando la rimozione dei depositi di zinco e la modalità a impulsi con 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 singoli fotoni del fotorilevatore APD in InGaAs con struttura a 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 rivelazione.

La modalità operativa del fotorivelatore APD a InGaAs è la modalità di funzionamento libero, ovvero il fotorivelatore APD deve spegnere il circuito periferico dopo il verificarsi di una valanga e ripristinare dopo un periodo di spegnimento prolungato. Per ridurre l'impatto del ritardo di spegnimento, si può suddividere approssimativamente in due tipologie: la prima prevede l'utilizzo di 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 circuito di controllo elettronico e di spegnimento attivo e della sua connessione con il fotorivelatore 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 consiste nel realizzare uno spegnimento e un ripristino 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 a 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.