Recently, the review paper "Advances in near-infrared avalanche diode single-photon detectors" by Shi Yanli's team of Yunnan University was published in the global cutting-edge comprehensive research journal Chip. This review paper presents the development of near-infrared single-photon detectors.
Negli ultimi anni, la tecnologia di rilevamento di singoli{0}}fotoni ha mostrato ampie prospettive applicative in molti campi come la comunicazione quantistica sicura, l'informatica quantistica, l'intelligenza artificiale e il rilevamento militare, rendendo i rilevatori di singoli{1}}fotoni un punto di riferimento della ricerca attuale .
I fotoni vengono assorbiti per produrre le{0}}coppie di elettroni e le lacune entrano nella regione di moltiplicazione sotto il campo elettrico per innescare la moltiplicazione delle valanghe.
I rivelatori a diodi a valanga a semiconduttore hanno guadagno interno a valanga, risposta rapida, dimensioni ridotte, basso costo e facile integrazione. Possono raggiungere una temperatura di esercizio di circa meno 40 gradi attraverso la refrigerazione dei semiconduttori, il che li rende una scelta migliore per i rivelatori di fotoni singoli-. Tra questi, il rivelatore di fotoni singoli-infrarossi vicini InP/InGaAs è attualmente il più maturo rivelatore di fotoni singoli{5}}a diodi a valanga infrarosso vicino-. I suoi singoli{6}}tubo e array sono stati prodotti commercializzati. I principali indicatori di prestazione includono: rilevamento di un singolo-fotone a meno 40 gradi L'efficienza supera il 30 percento , il tasso di dark count è inferiore a 10 kHz, la probabilità post{11}}di impulso è inferiore al 5 percento , il tempo il jitter è inferiore a 100 ps e la velocità di conteggio massima supera i 100 MHz. La distanza centrale dell'array sul piano focale è 50 um e la dimensione dell'array è 256128. Per l'imaging tridimensionale è possibile utilizzare due metodi di imaging, conteggio dei fotoni e temporizzazione dei fotoni. Al momento, in patria e all'estero sono in fase di sviluppo array sul piano focale di fotoni singoli-con una distanza centrale inferiore (25 micron) e specifiche più grandi (dimensione 320256 o superiore). L'emergere e il nuovo progresso dei prodotti InP/InGaAs vicino a-infrarossi singoli-rilevatori di fotoni offrono la possibilità per l'applicazione su{23}}ampia scala di tali rivelatori.
Direzione di sviluppo di rivelatori di fotoni singoli
Al momento, lo sviluppo di rivelatori di{0}}fotoni singoli sta avanzando rapidamente lungo due percorsi: un percorso consiste nell'ottimizzare continuamente le prestazioni degli SPAD InP/InGaAs esistenti, verso conteggi scuri più piccoli, più bassi dopo{1}}impulsi , tassi di conteggio più elevati e più Elevata temperatura di lavoro e altre direzioni. La sfida è che i difetti materiali nello strato di moltiplicazione portano a grandi effetti post{2}}impulso, lunghi tempi morti (tempo senza valanghe) e tassi di conteggio ridotti. Gli attuali mezzi tecnici hanno alcuni vincoli reciproci: al fine di ridurre il post-impulso, riducendo la quantità di carica da valanga, che porta al problema della bassa efficienza di rilevamento; prolungando il tempo morto, si pone il problema del basso tasso di conteggio; aumentando la temperatura si riduce l'intrappolamento. La durata dei vettori porta al problema dell'alto tasso di dark count. La soluzione esistente consiste nell'utilizzare lo sviluppo di circuiti integrati di spegnimento per ridurre al minimo la capacità parassita e il post{4}}impulso e, allo stesso tempo, per migliorare ulteriormente la qualità di crescita dei materiali dello strato di moltiplicazione.
L'ottimizzazione delle prestazioni e l'applicazione dei rivelatori di fotoni singoli sono inseparabili dal supporto dei circuiti di spegnimento. Da un lato, il circuito di spegnimento deve fermare la valanga in tempo e, dall'altro, deve anche sopprimere il rumore dal dispositivo e dal circuito, ecc., Per far emergere in anticipo il segnale di valanga. Attualmente, attraverso l'integrazione della resistenza di spegnimento o barriera di potenziale del dispositivo stesso, tramite l'integrazione monolitica di circuiti di spegnimento esterni e attraverso la combinazione di gating sinusoidale e diversi circuiti di spegnimento, il conteggio del buio e il post{0}}impulso di il dispositivo è notevolmente ridotto e il dispositivo è migliorato. tasso di conteggio.
Principio di funzionamento dei rivelatori di fotoni singoli-basati-SPAD.
Un altro modo è trovare nuovi materiali più promettenti e nuovi dispositivi meccanici. Stimolati da enormi richieste applicative, nuovi materiali come lo sviluppo di materiali a basso-rumore basato su un-fattore k basso, l'estensione della lunghezza d'onda basata su materiali a-basse dimensioni, la riduzione del rumore basata sull'ingegneria della moltiplicazione della ionizzazione e la moltiplicazione ad alto guadagno basata sul trasporto balistico di materiali a-basse dimensioni, sono emersi dispositivi con nuovi meccanismi e lo sviluppo di queste nuove tecnologie ha aperto nuove direzioni per ridurre ulteriormente il rumore dei singoli- rilevatori di fotoni, migliorando i rapporti segnale-a{6}}rumore, estendendo le lunghezze d'onda e migliorando le condizioni di lavoro del dispositivo.
Importanti aree di applicazione dei rivelatori di fotoni singoli-nel vicino infrarosso-
I rivelatori di fotoni singoli-nel vicino infrarosso hanno la massima sensibilità del rilevamento di fotoni e le loro bande di lavoro sono le bande principali utilizzate dalle fibre ottiche tradizionali e sono anche bande-sicure per gli occhi. La guida, l'imaging 3D, il rilevamento del segnale debole e altri campi hanno applicazioni importanti.
Quando il radar laser utilizza un laser a 1550 nm come sorgente di luce di emissione, a causa della sicurezza dell'occhio umano, è possibile utilizzare un laser di potenza superiore, in modo che possa rilevare una distanza maggiore, in modo che la distanza di rilevamento della corrente sia da 100 m a 200 m e la luce con una lunghezza d'onda di 1550 nm è L'ambiente di luce naturale ha un rumore di fondo più pulito, il che è di grande importanza per l'applicazione di lidar senza pilota o montati su veicoli-. Si prevede che lo sviluppo di rivelatori di fotoni singoli{6}} da 1550 nm promuoverà in modo significativo il rapido sviluppo delle tecnologie senza pilota e lidar.
Questo documento introduce lo sviluppo della tecnologia del rivelatore di fotoni singoli-e nuove tecnologie correlate basate su InP/InGaAs, con l'obiettivo di aumentare la comprensione e la comprensione dei rivelatori di fotoni singoli-nel vicino-infrarosso{2}}, espandere le loro applicazioni e fornire ulteriore miglioramento e sviluppo delle prestazioni. fare riferimento a.
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