โฟตอนเดี่ยวโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs
ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยี LiDAR ทำให้การตรวจจับแสงเทคโนโลยีและเทคโนโลยีการวัดระยะที่ใช้สำหรับเทคโนโลยีการถ่ายภาพติดตามยานพาหนะอัตโนมัติก็มีความต้องการที่สูงขึ้นเช่นกัน ความไวและความละเอียดเชิงเวลาของตัวตรวจจับที่ใช้ในเทคโนโลยีการตรวจจับแสงน้อยแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองความต้องการที่แท้จริงได้ โฟตอนเดี่ยวเป็นหน่วยพลังงานที่เล็กที่สุดของแสง และตัวตรวจจับที่มีความสามารถในการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวเป็นเครื่องมือขั้นสุดท้ายของการตรวจจับแสงน้อย เมื่อเปรียบเทียบกับ InGaAsโฟโตดีเทคเตอร์ APDเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวที่ใช้โฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs APD มีความเร็วในการตอบสนอง ความไว และประสิทธิภาพที่สูงกว่า ดังนั้นจึงมีการวิจัยเกี่ยวกับเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs APD อย่างต่อเนื่องทั้งในและต่างประเทศ
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยมิลานในอิตาลีเป็นกลุ่มแรกที่พัฒนาแบบจำลองสองมิติเพื่อจำลองพฤติกรรมชั่วคราวของโฟตอนเดี่ยวเครื่องตรวจจับแสงถล่มในปี 1997 ได้มีการนำเสนอผลการจำลองเชิงตัวเลขของลักษณะชั่วคราวของโฟโตดีเทคเตอร์แบบลูกโซ่โฟตอนเดี่ยว ต่อมาในปี 2006 นักวิจัยได้ใช้ MOCVD ในการเตรียมรูปทรงเรขาคณิตแบบระนาบโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs APDเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว ซึ่งเพิ่มประสิทธิภาพการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวเป็น 10% โดยการลดชั้นสะท้อนแสงและเพิ่มสนามไฟฟ้าที่ส่วนต่อประสานของวัสดุต่างชนิดกัน ในปี 2014 ด้วยการปรับปรุงเงื่อนไขการแพร่กระจายของสังกะสีและปรับโครงสร้างแนวตั้งให้เหมาะสมยิ่งขึ้น เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวจึงมีประสิทธิภาพการตรวจจับสูงขึ้นถึง 30% และได้ค่าความคลาดเคลื่อนของเวลาประมาณ 87 พิโควินาที ในปี 2016 SANZARO M และคณะ ได้รวมเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs APD เข้ากับตัวต้านทานแบบรวมโมโนลิธิก ออกแบบโมดูลนับโฟตอนเดี่ยวขนาดกะทัดรัดโดยใช้เครื่องตรวจจับนี้ และเสนอวิธีการดับแบบไฮบริดที่ช่วยลดประจุถล่มได้อย่างมาก จึงช่วยลดพัลส์หลังและสัญญาณรบกวนทางแสง และลดค่าความคลาดเคลื่อนของเวลาเหลือ 70 พิโควินาที ในขณะเดียวกัน กลุ่มวิจัยอื่นๆ ก็ได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับ InGaAs APD ด้วยเช่นกันโฟโตดีเทคเตอร์เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว ตัวอย่างเช่น Princeton Lightwave ได้ออกแบบเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs/InPAPD ที่มีโครงสร้างแบบระนาบและนำไปใช้งานเชิงพาณิชย์แล้ว สถาบันฟิสิกส์เทคนิคแห่งเซี่ยงไฮ้ได้ทดสอบประสิทธิภาพการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวของเครื่องตรวจจับแสง APD โดยใช้การกำจัดคราบสังกะสีและโหมดพัลส์เกตสมดุลแบบคาปาซิทีฟ โดยมีจำนวนนับมืด 3.6 × 10⁻⁴/ns พัลส์ ที่ความถี่พัลส์ 1.5 MHz โจเซฟ พี และคณะ ได้ออกแบบเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs APD โครงสร้างเมซาที่มีแบนด์แกปกว้างขึ้น และใช้ InGaAsP เป็นวัสดุชั้นดูดซับเพื่อให้ได้จำนวนนับมืดที่ต่ำลงโดยไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการตรวจจับ
โหมดการทำงานของตัวตรวจจับโฟตอนเดี่ยว APD ชนิด InGaAs คือโหมดการทำงานแบบอิสระ กล่าวคือ ตัวตรวจจับโฟตอน APD จำเป็นต้องดับวงจรรอบข้างหลังจากเกิดการแตกตัว และฟื้นตัวหลังจากดับเป็นระยะเวลาหนึ่ง เพื่อลดผลกระทบของเวลาหน่วงในการดับ จึงแบ่งออกได้เป็นสองประเภทหลักๆ คือ ประเภทแรกคือการใช้วงจรดับแบบพาสซีฟหรือแอคทีฟ เช่น วงจรดับแบบแอคทีฟที่ใช้โดย R Thew เป็นต้น รูปที่ (a), (b) เป็นแผนภาพแบบง่ายของวงจรควบคุมอิเล็กทรอนิกส์และวงจรดับแบบแอคทีฟและการเชื่อมต่อกับตัวตรวจจับโฟตอน APD ซึ่งได้รับการพัฒนาให้ทำงานในโหมดเกตหรือโหมดทำงานอิสระ ช่วยลดปัญหาหลังพัลส์ที่ก่อนหน้านี้ไม่สามารถแก้ไขได้อย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ ประสิทธิภาพการตรวจจับที่ 1550 nm คือ 10% และความน่าจะเป็นของหลังพัลส์ลดลงเหลือน้อยกว่า 1% ประเภทที่สองคือการทำให้เกิดการดับและการฟื้นตัวอย่างรวดเร็วโดยการควบคุมระดับแรงดันไบแอส เนื่องจากไม่ขึ้นอยู่กับการควบคุมป้อนกลับของพัลส์อะวาแลนซ์ เวลาหน่วงของการดับจึงลดลงอย่างมาก และประสิทธิภาพการตรวจจับของตัวตรวจจับก็ดีขึ้น ตัวอย่างเช่น LC Comandar และคณะ ใช้โหมดเกต โดยได้เตรียมตัวตรวจจับโฟตอนเดี่ยวแบบเกตที่ใช้ InGaAs/InPAPD ประสิทธิภาพการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวสูงกว่า 55% ที่ 1550 นาโนเมตร และความน่าจะเป็นหลังพัลส์อยู่ที่ 7% บนพื้นฐานนี้ มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีนได้สร้างระบบ liDAR โดยใช้ใยแก้วนำแสงแบบมัลติโหมดที่เชื่อมต่อพร้อมกันกับตัวตรวจจับโฟตอนเดี่ยวแบบโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs APD แบบฟรีโหมด อุปกรณ์ทดลองแสดงในรูปที่ (c) และ (d) และสามารถตรวจจับเมฆหลายชั้นที่มีความสูง 12 กิโลเมตรได้ด้วยความละเอียดเวลา 1 วินาที และความละเอียดเชิงพื้นที่ 15 เมตร
วันที่เผยแพร่: 7 พฤษภาคม 2567