Fóton únicoFotodetector InGaAs
Com o rápido desenvolvimento do LiDAR, odetecção de luzA tecnologia de rastreamento e medição de distância usada para rastreamento automático de veículos e a tecnologia de imagem também têm requisitos mais elevados; a sensibilidade e a resolução temporal dos detectores usados na tecnologia tradicional de detecção em baixa luminosidade não atendem às necessidades reais. O fóton único é a menor unidade de energia da luz, e o detector com capacidade de detecção de fóton único é a ferramenta definitiva para detecção em baixa luminosidade. Comparado com o InGaAsFotodetector APDDetectores de fóton único baseados em fotodetectores APD de InGaAs apresentam maior velocidade de resposta, sensibilidade e eficiência. Portanto, uma série de pesquisas sobre detectores de fóton único com fotodetectores APD de InGaAs têm sido realizadas no país e no exterior.
Pesquisadores da Universidade de Milão, na Itália, desenvolveram inicialmente um modelo bidimensional para simular o comportamento transitório de um único fóton.fotodetector de avalancheEm 1997, os pesquisadores apresentaram resultados de simulação numérica das características transientes de um fotodetector de avalanche de fóton único. Em 2006, utilizaram a técnica MOCVD para preparar um dispositivo geométrico planar.Fotodetector APD InGaAsDetector de fóton único, que aumentou a eficiência de detecção de fóton único para 10% reduzindo a camada refletora e intensificando o campo elétrico na interface heterogênea. Em 2014, com o aprimoramento das condições de difusão de zinco e a otimização da estrutura vertical, o detector de fóton único atingiu uma eficiência de detecção ainda maior, de até 30%, e uma variação temporal (jitter) de aproximadamente 87 ps. Em 2016, Sanzaro M et al. integraram o fotodetector APD de InGaAs com um resistor integrado monolítico, projetaram um módulo compacto de contagem de fótons únicos baseado no detector e propuseram um método de extinção híbrido que reduziu significativamente a carga de avalanche, diminuindo assim a diafonia pós-pulso e óptica, e reduzindo o jitter temporal para 70 ps. Simultaneamente, outros grupos de pesquisa também realizaram estudos sobre o APD de InGaAs.fotodetectorDetector de fóton único. Por exemplo, a Princeton Lightwave projetou um detector de fóton único InGaAs/InPAPD com estrutura planar e o colocou em uso comercial. O Instituto de Física Técnica de Xangai testou o desempenho de fóton único de um fotodetector APD usando a remoção de depósitos de zinco e o modo de pulso de porta balanceada capacitivamente, com uma contagem escura de 3,6 × 10⁻⁴/ns por pulso a uma frequência de pulso de 1,5 MHz. Joseph P et al. projetaram um fotodetector de fóton único InGaAs APD com estrutura de mesa e bandgap mais amplo, e usaram InGaAsP como material da camada absorvente para obter uma contagem escura menor sem afetar a eficiência de detecção.
O modo de operação do fotodetector APD InGaAs para detecção de fótons únicos é o modo de operação livre, ou seja, o fotodetector APD precisa extinguir o circuito periférico após a ocorrência de uma avalanche e se recuperar após um período de extinção. Para reduzir o impacto do tempo de atraso da extinção, existem dois tipos principais: o primeiro utiliza um circuito de extinção passivo ou ativo, como o circuito de extinção ativa usado por R Thew, etc. As figuras (a) e (b) mostram um diagrama simplificado do circuito de controle eletrônico e extinção ativa e sua conexão com o fotodetector APD, que foi desenvolvido para operar em modo controlado ou em modo de operação livre, reduzindo significativamente o problema de pós-pulso anteriormente não resolvido. Além disso, a eficiência de detecção em 1550 nm é de 10% e a probabilidade de pós-pulso é reduzida para menos de 1%. O segundo método consiste em realizar extinção e recuperação rápidas controlando o nível da tensão de polarização. Como não depende do controle de feedback do pulso de avalanche, o tempo de atraso do quenching é significativamente reduzido e a eficiência de detecção do detector é aprimorada. Por exemplo, LC Comandar et al. utilizaram o modo gated. Um detector de fóton único gated baseado em InGaAs/InPAPD foi preparado. A eficiência de detecção de fóton único foi superior a 55% em 1550 nm, e uma probabilidade pós-pulso de 7% foi alcançada. Com base nisso, a Universidade de Ciência e Tecnologia da China estabeleceu um sistema LiDAR utilizando fibra multimodo acoplada simultaneamente a um detector de fóton único com fotodetector APD InGaAs de modo livre. O equipamento experimental é mostrado nas Figuras (c) e (d), e a detecção de nuvens multicamadas com altura de 12 km foi realizada com resolução temporal de 1 s e resolução espacial de 15 m.
Data da publicação: 07/05/2024