เครื่องตรวจจับโฟตอน InGaAs เดี่ยว

โฟตอนเดี่ยวเครื่องตรวจจับแสง InGaAs

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของ LiDAR ทำให้การตรวจจับแสงเทคโนโลยีและเทคโนโลยีที่หลากหลายที่ใช้สำหรับเทคโนโลยีการถ่ายภาพติดตามยานพาหนะอัตโนมัติยังมีความต้องการที่สูงขึ้น ความไวและความละเอียดของเครื่องตรวจจับที่ใช้ในเทคโนโลยีการตรวจจับแสงน้อยแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองความต้องการที่แท้จริงได้ โฟตอนเดี่ยวเป็นหน่วยพลังงานที่เล็กที่สุดของแสง และเครื่องตรวจจับที่มีความสามารถในการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวคือเครื่องมือขั้นสุดท้ายในการตรวจจับแสงน้อย เปรียบเทียบกับ InGaAsเครื่องตรวจจับแสง APDเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวที่ใช้เครื่องตรวจจับแสง APD ของ InGaAs มีความเร็วการตอบสนอง ความไว และประสิทธิภาพที่สูงกว่า จึงมีการดำเนินการวิจัยหลายชุดเกี่ยวกับเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว IN-GAAS APD ของเครื่องตรวจจับโฟตอนทั้งในประเทศและต่างประเทศ

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยมิลานในอิตาลีได้พัฒนาแบบจำลองสองมิติเป็นครั้งแรกเพื่อจำลองพฤติกรรมชั่วคราวของโฟตอนเดี่ยวเครื่องตรวจจับภาพหิมะถล่มในปี 1997 และให้ผลการจำลองเชิงตัวเลขของคุณลักษณะชั่วคราวของเครื่องตรวจจับโฟตอนถล่มโฟตอนเดี่ยว จากนั้นในปี พ.ศ. 2549 นักวิจัยได้ใช้ MOCVD เพื่อเตรียมเรขาคณิตเชิงระนาบเครื่องตรวจจับแสง InGaAs APDเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว ซึ่งเพิ่มประสิทธิภาพการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวเป็น 10% โดยการลดชั้นสะท้อนแสงและเพิ่มสนามไฟฟ้าที่ส่วนต่อประสานที่ต่างกัน ในปี 2014 ด้วยการปรับปรุงเงื่อนไขการแพร่กระจายของสังกะสีเพิ่มเติมและการปรับโครงสร้างแนวตั้งให้เหมาะสม เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวจึงมีประสิทธิภาพการตรวจจับที่สูงขึ้นถึง 30% และมีความกระวนกระวายใจของจังหวะเวลาประมาณ 87 ps ในปี 2559 SANZARO M และคณะ บูรณาการเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs APD เข้ากับตัวต้านทานแบบรวมเสาหิน ออกแบบโมดูลการนับโฟตอนเดี่ยวขนาดกะทัดรัดโดยใช้เครื่องตรวจจับ และเสนอวิธีการดับแบบไฮบริดที่ลดประจุหิมะถล่มลงอย่างมาก ซึ่งช่วยลดโพสต์พัลส์และครอสทอล์คแบบออปติคัล และ ลดการกระวนกระวายใจของเวลาเป็น 70 ps ในเวลาเดียวกัน กลุ่มวิจัยอื่นๆ ยังได้ดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับ InGaAs APD อีกด้วยเครื่องตรวจจับแสงเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว ตัวอย่างเช่น Princeton Lightwave ได้ออกแบบเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs/InPAPD พร้อมโครงสร้างระนาบ และนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ สถาบันฟิสิกส์เทคนิคแห่งเซี่ยงไฮ้ทดสอบประสิทธิภาพของโฟตอนเดี่ยวของเครื่องตรวจจับแสง APD โดยใช้การกำจัดคราบสังกะสีและโหมดพัลส์เกตเกตแบบสมดุลแบบคาปาซิทีฟโดยมีจำนวนความมืด 3.6 × 10 ⁻⁴/ns พัลส์ที่ความถี่พัลส์ 1.5 MHz โจเซฟ พี และคณะ ออกแบบโครงสร้างเมซ่า เครื่องตรวจจับโฟตอน InGaAs APD เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวที่มีแถบความถี่กว้างขึ้น และใช้ InGaAsP เป็นวัสดุชั้นดูดซับเพื่อให้ได้จำนวนความมืดที่น้อยลง โดยไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการตรวจจับ

โหมดการทำงานของเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวของ InGaAs APD เป็นโหมดการทำงานอิสระ กล่าวคือ เครื่องตรวจจับแสง APD จำเป็นต้องดับวงจรอุปกรณ์ต่อพ่วงหลังจากเกิดหิมะถล่ม และฟื้นตัวหลังจากการดับเป็นระยะเวลาหนึ่ง เพื่อลดผลกระทบของเวลาหน่วงในการดับ จึงแบ่งคร่าวๆ ออกเป็น 2 ประเภท คือ ประเภทแรกคือการใช้วงจรดับแบบพาสซีฟหรือแบบแอคทีฟเพื่อให้เกิดการดับ เช่น วงจรดับแบบแอคทีฟที่ใช้โดยอาร์ทิว เป็นต้น รูปที่ (ก) , (b) เป็นแผนภาพแบบง่ายของการควบคุมอิเล็กทรอนิกส์และวงจรดับแบบแอกทีฟและการเชื่อมต่อกับโฟโตตรวจจับ APD ซึ่งได้รับการพัฒนาให้ทำงานในโหมดมีรั้วรอบขอบชิดหรือโหมดทำงานอิสระ ซึ่งช่วยลดปัญหาโพสต์พัลส์ที่ไม่ทราบมาก่อนได้อย่างมาก นอกจากนี้ ประสิทธิภาพการตรวจจับที่ 1550 นาโนเมตรคือ 10% และความน่าจะเป็นของโพสต์พัลส์จะลดลงเหลือน้อยกว่า 1% ประการที่สองคือการตระหนักถึงการดับและการฟื้นตัวอย่างรวดเร็วโดยการควบคุมระดับแรงดันไบแอส เนื่องจากไม่ได้ขึ้นอยู่กับการควบคุมการป้อนกลับของพัลส์หิมะถล่ม เวลาหน่วงของการดับจึงลดลงอย่างมาก และปรับปรุงประสิทธิภาพการตรวจจับของเครื่องตรวจจับ ตัวอย่างเช่น LC Comandar และคณะใช้โหมดรั้วรอบขอบชิด มีการเตรียมตัวตรวจวัดโฟตอนเดี่ยวแบบรั้วรอบขอบชิดที่ใช้ InGaAs/InPAPD ประสิทธิภาพการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวมากกว่า 55% ที่ 1,550 นาโนเมตร และความน่าจะเป็นหลังพัลส์อยู่ที่ 7% บนพื้นฐานนี้ มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของจีนได้จัดตั้งระบบ liDAR โดยใช้ไฟเบอร์แบบหลายโหมดไปพร้อมๆ กัน ควบคู่ไปกับเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs APD ของเครื่องตรวจจับโฟตอนอิสระ InGaAs อุปกรณ์ทดลองแสดงไว้ในรูปที่ (c) และ (d) และการตรวจจับเมฆหลายชั้นที่มีความสูง 12 กม. เกิดขึ้นได้ด้วยความละเอียดเวลา 1 วินาทีและความละเอียดเชิงพื้นที่ 15 ม.