โฟตอนเดี่ยวเครื่องตรวจจับภาพ InGaAs
ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของ LiDARการตรวจจับแสงเทคโนโลยีและเทคโนโลยีวัดระยะที่ใช้สำหรับเทคโนโลยีการถ่ายภาพการติดตามยานพาหนะอัตโนมัติก็มีความต้องการที่สูงขึ้นเช่นกัน ความไวและความละเอียดของเวลาของเครื่องตรวจจับที่ใช้ในเทคโนโลยีการตรวจจับแสงน้อยแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองความต้องการที่แท้จริงได้ โฟตอนเดี่ยวเป็นหน่วยพลังงานแสงที่เล็กที่สุด และเครื่องตรวจจับที่มีความสามารถในการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวเป็นเครื่องมือขั้นสุดท้ายสำหรับการตรวจจับแสงน้อย เมื่อเทียบกับ InGaAsเครื่องตรวจจับภาพ APDเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวที่ใช้เครื่องตรวจจับโฟตอน InGaAs APD มีความเร็วในการตอบสนอง ความไว และประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ดังนั้นจึงมีการวิจัยเกี่ยวกับเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวที่ใช้เครื่องตรวจจับโฟตอน IN-GAAS APD ทั้งในและต่างประเทศอย่างต่อเนื่อง
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยมิลานในอิตาลีได้พัฒนาแบบจำลองสองมิติเพื่อจำลองพฤติกรรมชั่วคราวของโฟตอนเดี่ยวเป็นครั้งแรกเครื่องตรวจจับหิมะถล่มในปี 1997 และได้ให้ผลการจำลองเชิงตัวเลขของลักษณะชั่วคราวของเครื่องตรวจจับโฟตอนหิมะถล่มแบบโฟตอนเดี่ยว จากนั้นในปี 2006 นักวิจัยได้ใช้ MOCVD เพื่อเตรียมแบบจำลองทางเรขาคณิตแบบระนาบเครื่องตรวจจับภาพ InGaAs APDเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว ซึ่งเพิ่มประสิทธิภาพการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวเป็น 10% โดยการลดชั้นสะท้อนแสงและเพิ่มสนามไฟฟ้าที่ส่วนต่อประสานที่ต่างชนิดกัน ในปี 2014 ด้วยการปรับปรุงสภาพการแพร่ของสังกะสีและการปรับโครงสร้างแนวตั้งให้เหมาะสม เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวนี้จึงมีประสิทธิภาพการตรวจจับที่สูงขึ้นถึง 30% และมีค่าความสั่นไหวของจังหวะเวลาประมาณ 87 ps ในปี 2016 SANZARO M และคณะ ได้ผสานรวมเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs APD เข้ากับตัวต้านทานแบบโมโนลิธิก ออกแบบโมดูลนับโฟตอนเดี่ยวขนาดกะทัดรัดโดยใช้เครื่องตรวจจับ และเสนอวิธีการดับแบบไฮบริดที่ลดประจุหิมะถล่มลงอย่างมาก จึงช่วยลดสัญญาณรบกวนหลังพัลส์และสัญญาณรบกวนจากแสง และลดความสั่นไหวของจังหวะเวลาลงเหลือ 70 ps ในขณะเดียวกัน กลุ่มวิจัยอื่นๆ ก็ได้ดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับ InGaAs APD เช่นกันเครื่องตรวจจับภาพตัวตรวจจับโฟตอนเดี่ยว ตัวอย่างเช่น Princeton Lightwave ได้ออกแบบตัวตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs/InPAPD ที่มีโครงสร้างระนาบและนำไปใช้งานเชิงพาณิชย์ สถาบันฟิสิกส์เทคนิคเซี่ยงไฮ้ได้ทดสอบประสิทธิภาพของตัวตรวจจับโฟตอนเดี่ยว APD โดยใช้การกำจัดตะกอนสังกะสีและโหมดพัลส์เกตบาลานซ์แบบคาปาซิทีฟที่มีจำนวนพัลส์มืด 3.6 × 10 ⁻⁴/ns ที่ความถี่พัลส์ 1.5 MHz Joseph P และคณะ ได้ออกแบบตัวตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs APD แบบโครงสร้างเมซาที่มีแบนด์แก๊ปกว้างขึ้น และใช้ InGaAsP เป็นวัสดุชั้นดูดซับเพื่อให้ได้จำนวนพัลส์มืดที่ต่ำลงโดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพการตรวจจับ
โหมดการทำงานของเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs APD คือโหมดการทำงานอิสระ กล่าวคือ เครื่องตรวจจับโฟตอน APD จำเป็นต้องดับวงจรรอบข้างหลังจากเกิดหิมะถล่ม และกลับคืนสู่สภาวะปกติหลังจากดับวงจรเป็นระยะเวลาหนึ่ง เพื่อลดผลกระทบของเวลาหน่วงในการดับวงจร จึงแบ่งได้คร่าวๆ เป็นสองประเภท ประเภทแรกคือการใช้วงจรดับแบบพาสซีฟหรือแอคทีฟเพื่อดับวงจร เช่น วงจรดับแบบแอคทีฟที่ R Thew ใช้ เป็นต้น รูปที่ (a) และ (b) เป็นแผนภาพแบบง่ายของวงจรควบคุมอิเล็กทรอนิกส์และวงจรดับแบบแอคทีฟ และการเชื่อมต่อกับเครื่องตรวจจับโฟโต APD ซึ่งได้รับการพัฒนาให้ทำงานในโหมดเกตหรือโหมดอิสระ ช่วยลดปัญหาหลังเกิดพัลส์ที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนได้อย่างมาก นอกจากนี้ ประสิทธิภาพในการตรวจจับที่ 1550 นาโนเมตรอยู่ที่ 10% และความน่าจะเป็นของการเกิดหลังเกิดพัลส์ลดลงเหลือน้อยกว่า 1% ประการที่สองคือการทำให้การดับและการฟื้นตัวอย่างรวดเร็วโดยการควบคุมระดับแรงดันไบอัส เนื่องจากไม่ได้ขึ้นอยู่กับการควบคุมป้อนกลับของพัลส์หิมะถล่ม เวลาหน่วงของการดับจึงลดลงอย่างมากและประสิทธิภาพการตรวจจับของเครื่องตรวจจับก็ดีขึ้น ตัวอย่างเช่น LC Comandar และคณะใช้โหมดเกต ได้มีการเตรียมเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวแบบเกตที่ใช้ InGaAs/InPAPD ประสิทธิภาพการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวสูงกว่า 55% ที่ความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตร และมีความน่าจะเป็นหลังพัลส์ที่ 7% ด้วยเหตุนี้ มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีนจึงได้จัดตั้งระบบ liDAR โดยใช้เส้นใยนำแสงหลายโหมดควบคู่ไปกับเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs APD แบบอิสระ อุปกรณ์ทดลองแสดงในรูปที่ (c) และ (d) และการตรวจจับเมฆหลายชั้นที่มีความสูง 12 กิโลเมตร ทำได้ด้วยความละเอียดเวลา 1 วินาที และความละเอียดเชิงพื้นที่ 15 เมตร
เวลาโพสต์: 07 พ.ค. 2567