EinzelphotonInGaAs-Photodetektor
Mit der rasanten Entwicklung von LiDAR,LichtdetektionDie für die automatische Fahrzeugortung eingesetzte Bildgebungstechnologie und Entfernungsmessung stellen ebenfalls höhere Anforderungen. Die Empfindlichkeit und zeitliche Auflösung der in der herkömmlichen Schwachlichtdetektionstechnologie verwendeten Detektoren genügen diesen Anforderungen nicht. Ein einzelnes Photon ist die kleinste Energieeinheit des Lichts, und der Detektor mit der Fähigkeit zur Einzelphotonendetektion ist das entscheidende Werkzeug für die Schwachlichtdetektion. Im Vergleich zu InGaAsAPD-FotodetektorEinzelphotonendetektoren auf Basis von InGaAs-APD-Photodetektoren zeichnen sich durch höhere Ansprechgeschwindigkeit, Empfindlichkeit und Effizienz aus. Daher wurden im In- und Ausland zahlreiche Forschungsarbeiten zu InGaAs-APD-Photodetektoren für Einzelphotonen durchgeführt.
Forscher der Universität Mailand in Italien entwickelten zunächst ein zweidimensionales Modell zur Simulation des transienten Verhaltens eines einzelnen Photons.Lawinenfotodetektor1997 veröffentlichten sie numerische Simulationsergebnisse zu den transienten Eigenschaften eines Einzelphotonen-Lawinenphotodetektors. 2006 nutzten die Forscher dann MOCVD zur Herstellung einer planaren geometrischen Struktur.InGaAs-APD-PhotodetektorEin Einzelphotonendetektor steigerte die Einzelphotonendetektionseffizienz auf 10 %, indem die reflektierende Schicht reduziert und das elektrische Feld an der heterogenen Grenzfläche verstärkt wurde. 2014 wurde durch weitere Verbesserung der Zinkdiffusionsbedingungen und Optimierung der vertikalen Struktur eine höhere Detektionseffizienz von bis zu 30 % erreicht und ein Timing-Jitter von etwa 87 ps erzielt. 2016 integrierten Sanzaro et al. den InGaAs-APD-Photodetektor mit einem monolithisch integrierten Widerstand, entwickelten ein kompaktes Einzelphotonenzählmodul auf Basis dieses Detektors und schlugen eine hybride Löschmethode vor, die die Lawinenladung signifikant reduzierte und dadurch Nachpuls- und optisches Übersprechen sowie den Timing-Jitter auf 70 ps verringerte. Parallel dazu forschten auch andere Gruppen an InGaAs-APDs.FotodetektorEinzelphotonendetektor. Princeton Lightwave hat beispielsweise einen planaren InGaAs/InPAPD-Einzelphotonendetektor entwickelt und kommerziell eingeführt. Das Shanghai Institute of Technical Physics testete die Einzelphotonenleistung eines APD-Photodetektors, indem es Zinkablagerungen entfernte und den kapazitiven, symmetrischen Gate-Pulsmodus nutzte. Dabei wurde eine Dunkelzählrate von 3,6 × 10⁻⁴/ns-Puls bei einer Pulsfrequenz von 1,5 MHz erzielt. Joseph P. et al. entwickelten einen InGaAs-APD-Photodetektor mit Mesa-Struktur und größerer Bandlücke. Sie verwendeten InGaAsP als Absorptionsschichtmaterial, um eine niedrigere Dunkelzählrate ohne Beeinträchtigung der Detektionseffizienz zu erreichen.
Der Betriebsmodus des InGaAs-APD-Einzelphotonendetektors ist der freie Betriebsmodus. Das bedeutet, dass der APD-Photodetektor nach einem Lawinenimpuls die periphere Schaltung abschalten und sich nach einer gewissen Zeit wieder erholen muss. Um die Auswirkungen der Abschaltverzögerung zu minimieren, lassen sich zwei Ansätze grob unterscheiden: Zum einen kann die Abschaltung passiv oder aktiv erfolgen, wie beispielsweise durch die von R Thew etc. verwendete aktive Abschaltschaltung. Abbildung (a) und (b) zeigen ein vereinfachtes Diagramm der elektronischen Steuerung und der aktiven Abschaltschaltung sowie deren Verbindung zum APD-Photodetektor. Dieser wurde für den Betrieb im getakteten oder freien Modus entwickelt und reduziert das zuvor nicht bewältigbare Nachimpulsproblem deutlich. Darüber hinaus beträgt die Detektionseffizienz bei 1550 nm 10 %, und die Wahrscheinlichkeit für Nachimpulse wird auf unter 1 % reduziert. Zum anderen wird eine schnelle Abschaltung und Erholung durch die Steuerung der Vorspannung realisiert. Da die Rückkopplungssteuerung des Lawinenimpulses nicht erforderlich ist, wird die Verzögerungszeit der Löschung deutlich reduziert und die Detektionseffizienz des Detektors verbessert. Beispielsweise nutzen LC Comandar et al. den Gated-Modus. Ein Gated-Einzelphotonendetektor auf Basis von InGaAs/InPAPD wurde entwickelt. Die Einzelphotonendetektionseffizienz lag bei über 55 % bei 1550 nm, und eine Nachpulswahrscheinlichkeit von 7 % wurde erreicht. Darauf aufbauend entwickelte die Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas ein LiDAR-System, das Multimode-Fasern mit einem im Freimodus arbeitenden InGaAs-APD-Photodetektor als Einzelphotonendetektor kombiniert. Die experimentelle Anordnung ist in Abbildung (c) und (d) dargestellt. Die Detektion mehrschichtiger Wolken in 12 km Höhe wurde mit einer Zeitauflösung von 1 s und einer Ortsauflösung von 15 m realisiert.
Veröffentlichungsdatum: 07. Mai 2024