はじめに、光子計数型線形アバランシェ光検出器
光子計数技術は、電子デバイスの読み出しノイズを克服するために光子信号を十分に増幅し、微弱光照射下での検出器出力電気信号の自然な離散特性を利用して、一定時間内に検出器から出力される光子数を記録し、光子計の値に基づいて測定対象の情報を計算します。極微弱光検出を実現するために、世界各国で光子検出機能を備えた様々な種類の機器が研究されてきました。固体アバランシェフォトダイオード（APD光検出器）は、内部の光電効果を利用して光信号を検出するデバイスです。真空デバイスと比較して、固体デバイスは応答速度、暗カウント、消費電力、体積、磁場感度などにおいて明らかな利点を有しています。科学者たちは、固体APD光子計数イメージング技術に基づく研究を行ってきました。
APD光検出装置ガイガーモード（GM）と線形モード（LM）の2つの動作モードがあり、現在のAPD光子計数イメージング技術は主にガイガーモードAPDデバイスを使用しています。ガイガーモードAPDデバイスは、単一光子レベルの高い感度と数十ナノ秒の高速応答速度を備え、高い時間精度を実現します。しかし、ガイガーモードAPDには、検出器のデッドタイム、低い検出効率、大きな光学クロスワード、低い空間分解能などの問題があり、高い検出率と低い誤報率の矛盾を最適化することが困難です。ほぼノイズのない高利得HgCdTe APDデバイスに基づく光子カウンタは、線形モードで動作し、デッドタイムとクロストークの制限がなく、ガイガーモードに関連するポストパルスがなく、クエンチ回路を必要とせず、超高ダイナミックレンジ、広く調整可能なスペクトル応答範囲を持ち、検出効率と誤計数率を個別に最適化できます。これは、赤外線光子計数イメージングの新たな応用分野を開拓し、光子計数デバイスの重要な開発方向であり、天文観測、自由宇宙通信、能動および受動イメージング、縞追跡などの幅広い応用展望を持っています。
HgCdTe APDデバイスにおける光子計数原理
HgCdTe材料をベースとしたAPD光検出器デバイスは、広い波長範囲をカバーでき、電子と正孔のイオン化係数が大きく異なります（図1（a）参照）。1.3～11µmのカットオフ波長内では、単一キャリア増倍機構を示します。過剰ノイズはほとんどなく（Si APDデバイスの過剰ノイズ係数FSi～2～3、III-V族デバイスのFIII-V～4～5と比較して（図1（b）参照）、ゲインの増加に伴ってデバイスの信号対雑音比がほとんど低下しないため、理想的な赤外線デバイスとなっています。アバランシェ光検出器.
図1 (a) 水銀カドミウムテルル化物材料の衝突イオン化係数比とCdの成分xの関係。(b) 異なる材料系を用いたAPDデバイスの過剰雑音係数Fの比較
光子計数技術は、熱雑音から光信号をデジタル的に抽出できる新しい技術であり、光検出器微弱光信号は時間領域でより分散しているため、検出器から出力される電気信号も自然で離散的です。微弱光のこの特性に応じて、通常、パルス増幅、パルス弁別、およびデジタルカウント技術が極微弱光の検出に使用されます。現代の光子計数技術は、高い信号対雑音比、高い弁別性、高い測定精度、優れたアンチドリフト、優れた時間安定性など、多くの利点があり、後続の分析および処理のためにデジタル信号の形式でコンピューターにデータを出力できるため、他の検出方法の追随を許しません。現在、光子計数システムは、非線形光学、分子生物学、超高解像度分光法、天文測光、大気汚染測定など、微弱光信号の取得と検出に関連する産業計測および微弱光検出の分野で広く使用されています。水銀カドミウムテルル化物アバランシェ光検出器は、過剰ノイズがほとんどなく、ゲインが増加しても信号対ノイズ比が低下しず、ガイガーアバランシェ装置に関連するデッドタイムやポストパルス制限がないため、光子計数への応用に非常に適しており、将来の光子計数装置の重要な開発方向です。
投稿日時: 2025年1月14日