Fotorivelatore a singolo fotone InGaAs

singolo fotoneFotorivelatore InGaAs

Con il rapido sviluppo del LiDAR, ililluminazioneLa tecnologia e la tecnologia di misurazione della distanza utilizzate per il tracciamento automatico dei veicoli hanno anche requisiti più elevati, la sensibilità e la risoluzione temporale del rivelatore utilizzato nella tradizionale tecnologia di rilevamento a bassa luminosità non possono soddisfare le esigenze reali. Il singolo fotone è la più piccola unità di energia della luce e il rivelatore con la capacità di rilevamento di singoli fotoni è lo strumento finale per il rilevamento a bassa luminosità. Rispetto a InGaAsFotorivelatore APDI rivelatori di singolo fotone basati su fotorivelatori APD InGaAs presentano una maggiore velocità di risposta, sensibilità ed efficienza. Pertanto, sono state condotte numerose ricerche sui rivelatori di singolo fotone basati su fotorivelatori APD InGaAs, sia in patria che all'estero.

I ricercatori dell'Università di Milano hanno sviluppato per primi un modello bidimensionale per simulare il comportamento transitorio di un singolo fotonefotorivelatore di 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 una geometria planareFotorivelatore APD InGaAsrivelatore di singolo fotone, che ha aumentato l'efficienza di rilevamento 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 di singolo fotone ha ottenuto un'efficienza di rilevamento più elevata, fino al 30%, e ha raggiunto un jitter temporale di circa 87 ps. Nel 2016, SANZARO M et al. hanno integrato il fotorivelatore APD InGaAs con un resistore integrato monolitico, hanno progettato un modulo compatto di conteggio di 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. Allo stesso tempo, anche altri gruppi di ricerca hanno condotto ricerche sull'APD InGaAs.fotorivelatoreRivelatore di singolo fotone. Ad esempio, Princeton Lightwave ha progettato un rivelatore di singolo fotone InGaAs/InPAPD con struttura planare e lo ha commercializzato. L'Istituto di Fisica Tecnica di Shanghai ha testato le prestazioni di singolo fotone del fotorivelatore APD utilizzando la rimozione dei depositi di zinco e la modalità a impulsi di gate bilanciato capacitivo con un conteggio di buio di 3,6 × 10⁻⁴/ns impulso a una frequenza di impulsi di 1,5 MHz. Joseph P et al. hanno progettato un fotorivelatore di singolo fotone InGaAs APD con struttura a mesa e bandgap più ampio, e hanno utilizzato InGaAsP come materiale dello strato assorbente per ottenere un conteggio di buio inferiore senza compromettere l'efficienza di rilevamento.

La modalità operativa del fotorivelatore a singolo fotone InGaAs APD è la modalità a funzionamento libero, ovvero il fotorivelatore APD deve spegnere il circuito periferico dopo che si verifica una valanga e ripristinarsi dopo lo spegnimento per un certo periodo di tempo. Per ridurre l'impatto del tempo di ritardo di spegnimento, si distinguono approssimativamente due tipologie: la prima 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. La figura (a), (b) mostra uno schema semplificato del circuito di controllo elettronico e di spegnimento attivo e del suo collegamento con il fotorivelatore APD, che è stato sviluppato per funzionare in modalità a gate o a funzionamento libero, 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 tipologia 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 dello spegnimento 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 di singolo fotone gated basato su InGaAs/InPAPD. L'efficienza di rilevamento del singolo fotone era superiore al 55% a 1550 nm e si è ottenuta una probabilità post-impulso 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 fotorivelatore APD InGaAs in modalità libera. L'apparecchiatura sperimentale è mostrata nelle figure (c) e (d), e il rilevamento di nuvole multistrato con un'altezza di 12 km è realizzato con una risoluzione temporale di 1 s e una risoluzione spaziale di 15 m.