単一光子InGaAs光検出器

単一光子InGaAs光検出器

LiDARの急速な発展に伴い、光検出自動車両追跡画像処理技術に使用される技術と測距技術もより高い要求があり、従来の低照度検出技術で使用される検出器の感度と時間分解能では実際のニーズを満たすことができません。単一光子は光の最小エネルギー単位であり、単一光子検出能力を持つ検出器は低照度検出の最終ツールです。InGaAsと比較すると、APD光検出器InGaAs APDフォトディテクタをベースとした単一光子検出器は、応答速度、感度、効率が優れている。そのため、国内外でInGaAs APDフォトディテクタを用いた単一光子検出器に関する一連の研究が行われてきた。

イタリアのミラノ大学の研究者らは、単一光子の過渡的な挙動をシミュレートする二次元モデルを初めて開発した。雪崩光検出器1997年に、単一光子アバランシェフォトディテクタの過渡特性の数値シミュレーション結果を示した。その後、2006年に、研究者らはMOCVDを用いて平面幾何学的構造を作製した。InGaAs APDフォトディテクタ単一光子検出器は、反射層を減らし、異種界面の電界を強化することで、単一光子検出効率を10%に向上させた。2014年には、亜鉛拡散条件をさらに改善し、垂直構造を最適化することで、単一光子検出器の検出効率を最大30%まで高め、タイミングジッタを約87psに抑えた。2016年には、SANZARO Mらは、InGaAs APDフォトディテクタ単一光子検出器をモノリシック集積抵抗器と統合し、検出器をベースとした小型単一光子計数モジュールを設計し、アバランシェ電荷を大幅に低減するハイブリッドクエンチ法を提案した。これにより、パルス後および光クロストークを低減し、タイミングジッタを70psに抑えた。同時に、他の研究グループもInGaAs APDに関する研究を行っている。光検出器単一光子検出器。例えば、プリンストン・ライトウェーブ社は、平面構造のInGaAs/InPAPD単一光子検出器を設計し、商用化しました。上海技術物理研究所は、亜鉛堆積物の除去と容量平衡ゲートパルスモードを使用してAPD光検出器の単一光子性能をテストし、パルス周波数1.5MHzで暗カウント3.6×10⁻⁴/nsパルスを達成しました。Joseph Pらは、バンドギャップの広いメサ構造InGaAs APD光検出器単一光子検出器を設計し、吸収層材料としてInGaAsPを使用することで、検出効率に影響を与えることなく暗カウントを低減しました。

InGaAs APDフォトディテクタ単一光子検出器の動作モードは自由動作モードであり、すなわち、APDフォトディテクタはアバランシェが発生した後に周辺回路をクエンチし、一定時間後に回復する必要があります。クエンチ遅延時間の影響を軽減するために、大きく2つのタイプに分けられます。1つは、R Thewなどが使用するアクティブクエンチ回路のように、受動的または能動的なクエンチ回路を使用してクエンチを実現する方法です。図(a)、(b)は、電子制御および能動クエンチ回路とAPDフォトディテクタとの接続の簡略図であり、ゲートモードまたは自由動作モードで動作するように開発され、従来実現できなかったポストパルス問題を大幅に軽減しています。さらに、1550 nmでの検出効率は10%であり、ポストパルスの確率は1%未満に低減されています。2つ目は、バイアス電圧のレベルを制御することによって高速クエンチと回復を実現する方法です。アバランシェパルスのフィードバック制御に依存しないため、消光の遅延時間が大幅に短縮され、検出器の検出効率が向上します。例えば、LC Comandar らはゲートモードを使用しています。InGaAs/InPAPD に基づくゲート付き単一光子検出器が作製されました。単一光子検出効率は 1550 nm で 55% 以上、パルス後確率は 7% を達成しました。このことを基に、中国科学技術大学は、マルチモードファイバーとフリーモード InGaAs APD フォトディテクタ単一光子検出器を同時に結合した LiDAR システムを構築しました。実験装置を図 (c) および (d) に示し、1 秒の時間分解能と 15 m の空間分解能で、高さ 12 km の多層雲の検出を実現しました。