はじめに、光子計数型線形アバランシェフォトディテクタ

はじめに、光子計数タイプ線形アバランシェフォトディテクタ

光子計数技術は、光子信号を十分に増幅して電子機器の読み出しノイズを克服し、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、一定期間に検出器から出力される光子の数を記録し、光子計の値に基づいて測定対象の情報を計算します。極めて微弱な光検出を実現するために、各国で光子検出機能を備えたさまざまな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、暗電流、消費電力、体積、磁場感度などで明らかな利点があります。科学者たちは、固体APD光子計数イメージング技術に基づいて研究を行ってきました。

APD光検出器デバイスAPDにはガイガーモード（GM）とリニアモード（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では主にガイガーモードAPDデバイスが使用されています。ガイガーモードAPDデバイスは、単一光子レベルの高感度と数十ナノ秒の高速応答速度により、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警報率の間の矛盾を最適化することは困難です。ほぼ無雑音の高利得HgCdTe APDデバイスに基づく光子カウンターは、リニアモードで動作し、デッドタイムや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、広帯域で調整可能なスペクトル応答範囲を持ち、検出効率と誤カウント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するものであり、光子計数装置の重要な開発方向であり、天体観測、自由空間通信、能動・受動イメージング、干渉縞追跡などにおいて幅広い応用が期待される。

HgCdTe APDデバイスにおける光子計数の原理

HgCdTe材料をベースとしたAPD光検出器デバイスは、広範囲の波長をカバーでき、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）。カットオフ波長1.3～11 µmの範囲内で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（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、理想的な赤外線検出器です。雪崩光検出器.

図1 (a) 水銀カドミウムテルル材料の衝撃電離係数比とCdの成分xとの関係；(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、光検出器単一光子を受信後、低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。この微弱光の特性に基づき、極めて微弱な光を検出するために、パルス増幅、パルス弁別、デジタル計数技術が一般的に使用されます。最新の光子計数技術は、高い信号対雑音比、高い弁別力、高い測定精度、優れたドリフト耐性、優れた時間安定性など多くの利点を持ち、後続の分析と処理のためにデータをデジタル信号の形でコンピュータに出力できるため、他の検出方法にはない利点があります。現在、光子計数システムは、微弱光信号の取得と検出に関連する非線形光学、分子生物学、超高分解能分光法、天体測光、大気汚染測定など、産業計測および低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アバランシェフォトディテクタは、余分なノイズがほとんどなく、ゲインが増加しても信号対雑音比が低下しず、ガイガーアバランシェデバイスに関連するデッドタイムやパルス後制限もないため、光子計数への応用に非常に適しており、将来の光子計数デバイスの重要な開発方向である。