גלאי פוטו InGaAs של פוטון יחיד

פוטון בודדגלאי פוטו InGaAs

עם ההתפתחות המהירה של LiDAR, ה-זיהוי אורלטכנולוגיה ולטכנולוגיית מרחק המשמשות לטכנולוגיית דימות מעקב אוטומטי לרכב יש גם דרישות גבוהות יותר, הרגישות ורזולוציית הזמן של הגלאי המשמש בטכנולוגיית גילוי אור נמוך המסורתית אינן יכולות לענות על הצרכים בפועל. פוטון בודד הוא יחידת האנרגיה הקטנה ביותר של אור, וגלאי בעל יכולת גילוי פוטון בודד הוא הכלי הסופי לגילוי אור נמוך. בהשוואה ל-InGaAsגלאי פוטו APD, גלאי פוטון יחיד המבוססים על גלאי פוטו InGaAs APD הם בעלי מהירות תגובה, רגישות ויעילות גבוהות יותר. לכן, סדרת מחקרים על גלאי פוטון יחיד IN-GAAS APD בוצעה בארץ ובחו"ל.

חוקרים מאוניברסיטת מילאנו באיטליה פיתחו לראשונה מודל דו-ממדי כדי לדמות את ההתנהגות החולפת של פוטון בודד.גלאי פוטו של מפולת שלגיםבשנת 1997, וסיפקו תוצאות סימולציה נומריות של המאפיינים החולפים של גלאי פוטו מפולת שלגים עם פוטון בודד. לאחר מכן, בשנת 2006, החוקרים השתמשו ב-MOCVD כדי להכין גיאומטרי מישוריגלאי פוטו InGaAs APDגלאי פוטון יחיד, אשר הגביר את יעילות גילוי הפוטון היחיד ל-10% על ידי הפחתת השכבה המחזירה אור ושיפור השדה החשמלי בממשק ההטרוגני. בשנת 2014, על ידי שיפור נוסף של תנאי דיפוזיה של אבץ ואופטימיזציה של המבנה האנכי, לגלאי הפוטון היחיד יש יעילות גילוי גבוהה יותר, עד 30%, והוא משיג ריצוד תזמון של כ-87 פיקו-שניות. בשנת 2016, SANZARO M ועמיתיו שילבו את גלאי הפוטון היחיד InGaAs APD עם נגד משולב מונוליטי, תכננו מודול ספירה קומפקטי של פוטון יחיד המבוסס על הגלאי, והציעו שיטת כיבוי היברידית שהפחיתה משמעותית את מטען המפולת, ובכך הפחיתה את מעבר הדיבור לאחר הפולס והאופטי, והפחיתה את ריצוד התזמון ל-70 פיקו-שניות. במקביל, קבוצות מחקר אחרות ביצעו גם מחקר על InGaAs APD.גלאי אורגלאי פוטון יחיד. לדוגמה, חברת Princeton Lightwave תכננה גלאי פוטון יחיד InGaAs/InPAPD בעל מבנה מישורי והכניסה אותו לשימוש מסחרי. המכון לפיזיקה טכנית של שנגחאי בדק את ביצועי הפוטון היחיד של גלאי הפוטו APD באמצעות הסרת משקעי אבץ ומצב פולסים קיבולי מאוזן בשער עם ספירת חושך של 3.6 × 10⁻⁴/ns בתדר פולסים של 1.5 מגה-הרץ. ג'וזף פ. ועמיתיו תכננו את גלאי הפוטון היחיד InGaAs APD בעל מבנה המסה עם פער פס רחב רחב יותר, והשתמשו ב-InGaAsP כחומר שכבה סופגת כדי להשיג ספירת חושך נמוכה יותר מבלי להשפיע על יעילות הגילוי.

מצב הפעולה של גלאי הפוטון הבודד InGaAs APD הוא מצב פעולה חופשי, כלומר, גלאי הפוטו APD צריך לכבות את המעגל ההיקפי לאחר התרחשות מפולת שלגים, ולהתאושש לאחר הכיבוי למשך זמן מסוים. על מנת להפחית את ההשפעה של זמן עיכוב הכיבוי, הוא מחולק באופן גס לשני סוגים: האחד הוא שימוש במעגל כיבוי פסיבי או אקטיבי כדי להשיג כיבוי, כגון מעגל הכיבוי האקטיבי המשמש את R Thew וכו'. איור (א'), (ב') הוא תרשים פשוט של הבקרה האלקטרונית ומעגל הכיבוי האקטיבי והחיבור שלו עם גלאי הפוטו APD, שפותח לעבוד במצב גיבוי או ריצה חופשית, מה שמפחית משמעותית את בעיית הפוסט-פולס שלא מומשה בעבר. יתר על כן, יעילות הגילוי ב-1550 ננומטר היא 10%, וההסתברות לפוסט-פולס מצטמצמת לפחות מ-1%. השני הוא להשיג כיבוי והתאוששות מהירים על ידי שליטה ברמת מתח ההטיה. מכיוון שהוא אינו תלוי בבקרת המשוב של פולס המפולס, זמן העיכוב של הכיבוי מצטמצם משמעותית ויעילות הגילוי של הגלאי משתפרת. לדוגמה, LC Comandar ועמיתיו משתמשים במצב מגודרת. הוכן גלאי פוטון יחיד מגודר המבוסס על InGaAs/InPAPD. יעילות גילוי הפוטון היחיד הייתה מעל 55% ב-1550 ננומטר, והושגה הסתברות שלאחר הפעימה של 7%. על בסיס זה, אוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין הקימה מערכת liDAR המשתמשת בסיב רב-מצבי המחובר בו זמנית לגלאי פוטון יחיד מסוג InGaAs APD במצב חופשי. הציוד הניסויי מוצג באיור (ג) ו-(ד), וגילוי עננים רב-שכבתיים בגובה 12 ק"מ מתבצע ברזולוציית זמן של שנייה אחת ורזולוציה מרחבית של 15 מטר.