เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs

โฟตอนเดี่ยวเครื่องตรวจจับโฟโต InGaAs

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของ LiDARการตรวจจับแสงเทคโนโลยีและการวัดระยะที่ใช้สำหรับเทคโนโลยีการถ่ายภาพการติดตามยานพาหนะอัตโนมัติยังมีข้อกำหนดที่สูงกว่า ความไวและความละเอียดเวลาของเครื่องตรวจจับที่ใช้ในเทคโนโลยีการตรวจจับแสงน้อยแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองความต้องการที่แท้จริงได้ โฟตอนเดี่ยวเป็นหน่วยพลังงานแสงที่เล็กที่สุด และเครื่องตรวจจับที่มีความสามารถในการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวเป็นเครื่องมือขั้นสุดท้ายในการตรวจจับแสงน้อย เมื่อเปรียบเทียบกับ InGaAsเครื่องตรวจจับภาพ APDเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวที่ใช้เครื่องตรวจจับโฟตอน APD ของ InGaAs มีความเร็วในการตอบสนอง ความไว และประสิทธิภาพสูงกว่า ดังนั้น จึงได้มีการทำการวิจัยเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวของเครื่องตรวจจับโฟตอน APD ของ IN-GAAS ทั้งในและต่างประเทศ

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยมิลานในอิตาลีพัฒนาแบบจำลองสองมิติเพื่อจำลองพฤติกรรมชั่วคราวของโฟตอนเดี่ยวเป็นครั้งแรกเครื่องตรวจจับหิมะถล่มในปี 1997 และให้ผลการจำลองเชิงตัวเลขของลักษณะชั่วคราวของเครื่องตรวจจับโฟตอนหิมะถล่มแบบโฟตอนเดี่ยว จากนั้นในปี 2006 นักวิจัยได้ใช้ MOCVD เพื่อเตรียมเครื่องตรวจจับแบบเรขาคณิตแบบระนาบเครื่องตรวจจับภาพ InGaAs APDเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวซึ่งเพิ่มประสิทธิภาพการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวเป็น 10% โดยลดชั้นสะท้อนแสงและเพิ่มสนามไฟฟ้าที่อินเทอร์เฟซที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ในปี 2014 โดยการปรับปรุงเงื่อนไขการแพร่กระจายสังกะสีเพิ่มเติมและปรับปรุงโครงสร้างแนวตั้งให้เหมาะสม เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวจึงมีประสิทธิภาพการตรวจจับที่สูงขึ้นถึง 30% และบรรลุความสั่นไหวของเวลาประมาณ 87 ps ในปี 2016 SANZARO M et al. ได้ผสานเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs APD เข้ากับตัวต้านทานแบบโมโนลิธิกที่รวมเข้าด้วยกัน ออกแบบโมดูลนับโฟตอนเดี่ยวขนาดกะทัดรัดตามเครื่องตรวจจับ และเสนอวิธีการดับไฮบริดที่ลดประจุหิมะถล่มได้อย่างมาก จึงลดการเกิดพัลส์หลังการเกิดพัลส์และครอสทอล์กแบบออปติคัล และลดความสั่นไหวของเวลาลงเหลือ 70 ps ในเวลาเดียวกัน กลุ่มวิจัยอื่นๆ ยังได้ดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับ InGaAs APD อีกด้วยเครื่องตรวจจับภาพตัวตรวจจับโฟตอนเดี่ยว ตัวอย่างเช่น Princeton Lightwave ได้ออกแบบตัวตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs/InPAPD ที่มีโครงสร้างแบบระนาบและนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ สถาบันฟิสิกส์เทคนิคเซี่ยงไฮ้ได้ทดสอบประสิทธิภาพของโฟตอนเดี่ยวของตัวตรวจจับโฟตอน APD โดยใช้การกำจัดตะกอนสังกะสีและโหมดพัลส์เกตสมดุลแบบเก็บประจุด้วยจำนวนพัลส์มืด 3.6 × 10 ⁻⁴/ns ที่ความถี่พัลส์ 1.5 MHz Joseph P และคณะได้ออกแบบตัวตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs APD ที่มีโครงสร้างเมซาพร้อมแบนด์แก็ปที่กว้างขึ้น และใช้ InGaAsP เป็นวัสดุชั้นดูดซับเพื่อให้ได้จำนวนพัลส์มืดที่ต่ำลงโดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพการตรวจจับ

โหมดการทำงานของเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs APD คือโหมดการทำงานอิสระ นั่นคือ เครื่องตรวจจับโฟตอน APD จำเป็นต้องดับวงจรรอบข้างหลังจากเกิดหิมะถล่ม และฟื้นตัวหลังจากการดับเป็นระยะเวลาหนึ่ง เพื่อลดผลกระทบของเวลาหน่วงในการดับ จึงแบ่งคร่าวๆ เป็นสองประเภท ประเภทหนึ่งคือใช้วงจรดับแบบพาสซีฟหรือแอ็กทีฟเพื่อให้เกิดการดับ เช่น วงจรดับแบบแอ็กทีฟที่ใช้โดย R Thew เป็นต้น รูปที่ (a) และ (b) เป็นแผนภาพที่เรียบง่ายของวงจรควบคุมอิเล็กทรอนิกส์และดับแบบแอ็กทีฟและการเชื่อมต่อกับเครื่องตรวจจับโฟตอน APD ซึ่งได้รับการพัฒนาให้ทำงานในโหมดเกตหรือโหมดการทำงานอิสระ ลดปัญหาหลังพัลส์ที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนได้อย่างมาก นอกจากนี้ ประสิทธิภาพการตรวจจับที่ 1550 นาโนเมตรคือ 10% และความน่าจะเป็นของหลังพัลส์ลดลงเหลือต่ำกว่า 1% ประการที่สองคือการตระหนักถึงการดับและการกู้คืนอย่างรวดเร็วโดยการควบคุมระดับของแรงดันไฟฟ้าอคติ เนื่องจากไม่ขึ้นอยู่กับการควบคุมป้อนกลับของพัลส์หิมะถล่ม เวลาหน่วงของการดับจึงลดลงอย่างมากและประสิทธิภาพการตรวจจับของเครื่องตรวจจับก็ได้รับการปรับปรุง ตัวอย่างเช่น LC Comandar et al ใช้โหมดเกต เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวแบบเกตที่ใช้ InGaAs/InPAPD ได้รับการเตรียมไว้ ประสิทธิภาพการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวอยู่ที่มากกว่า 55% ที่ 1550 นาโนเมตร และบรรลุความน่าจะเป็นหลังพัลส์ที่ 7% บนพื้นฐานนี้ มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีนได้สร้างระบบ liDAR โดยใช้ไฟเบอร์หลายโหมดที่เชื่อมต่อพร้อมกันกับเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว InGaAs APD โหมดอิสระ อุปกรณ์ทดลองแสดงอยู่ในรูป (c) และ (d) และการตรวจจับเมฆหลายชั้นที่มีความสูง 12 กม. ทำได้ด้วยความละเอียดเวลา 1 วินาทีและความละเอียดเชิงพื้นที่ 15 ม.