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.
近年、単一-光子検出技術は、量子セキュア通信、量子コンピューティング、人工知能、軍事検出などの多くの分野で幅広いアプリケーションの見通しを示しており、単一-光子検出器を現在の研究のホットスポットにしています。 。
光子は吸収されて正孔-電子対を生成し、正孔は電場の下で増倍領域に入り、アバランシェ増倍を引き起こします。
半導体アバランシェダイオード検出器は、内部アバランシェゲイン、高速応答、小型、低コスト、および簡単な統合を備えています。 それらは、半導体冷却によって約マイナス40度の動作温度を達成できるため、単一の-光子検出器に適しています。 その中で、InP / InGaAs近赤外線シングル-光子検出器は、現在最も成熟した近赤外線アバランシェダイオード単一-光子検出器です。 その単一の-チューブとアレイは商品化されています。 主なパフォーマンス指標は次のとおりです。マイナス40度での単一-光子検出効率が30％を超え、ダークカウント率が10kHz未満、ポスト-パルス確率が5％未満、時間ジッタは100ps未満であり、最大カウントレートは100MHzを超えています。 焦点面アレイの中心距離は50umで、アレイサイズは256128です。3次元イメージングには、フォトンカウンティングとフォトンタイミングの2つのイメージング方法を使用できます。 現在、中心距離が小さく（25ミクロン）、仕様が大きい（320256サイズ以上）単一-光子焦点面アレイが国内外で開発されています。 InP / InGaAs近赤外線単一-光子検出器製品の出現と新たな進歩は、そのような検出器の大規模な-スケールアプリケーションの可能性を提供します。
単一光子検出器の開発方向
現在、単一の-光子検出器の開発は、主に2つのパスに沿って急速に進んでいます。1つのパスは、既存のInP / InGaAs SPADのパフォーマンスを継続的に最適化し、ダークカウントを減らし、アフター-パルスを減らすことです。 、より高いカウント率およびより高い作業温度および他の方向。 課題は、増倍層の材料の欠陥が、大きなポスト-パルス効果、長いデッドタイム（アバランシェのない時間）、およびカウント率の低下につながることです。 現在の技術的手段には、特定の相互制約があります。ポスト-パルスを減らすために、アバランシェ電荷の量を減らすことによって、検出効率が低いという問題につながります。 デッドタイムを長くすると、カウント率が低くなるという問題が発生します。 温度を上げることにより、トラップが減少します。 キャリアの寿命は、高いダークカウント率の問題につながります。 既存の解決策は、統合されたクエンチング回路の開発を使用して、寄生容量とポスト-パルスを最小限に抑え、同時に、増倍層材料の成長品質をさらに向上させることです。
単一光子検出器の性能の最適化と応用は、クエンチング回路のサポートと切り離せません。 急冷回路は、アバランシェを時間内に停止する必要がある一方で、アバランシェ信号を事前に引き出すために、デバイスや回路などからのノイズを抑制する必要もあります。 現在、デバイス自体のクエンチング抵抗またはポテンシャル障壁の統合、外部クエンチング回路のモノリシック統合、および正弦波ゲーティングと異なるクエンチング回路の組み合わせにより、ダークカウントとポスト-パルスデバイスが大幅に削減され、デバイスが改善されます。 カウント率。
SPAD-ベースの単一-光子検出器の動作原理。
もう1つの方法は、より有望な新しい材料と新しいメカニズムデバイスを見つけることです。 膨大なアプリケーション需要に刺激され、低k -係数に基づく低-ノイズ材料開発、低-次元材料に基づく波長拡張、イオン化増倍工学に基づくノイズリダクションなどの新材料、および低-次元材料の弾道輸送に基づく高利得増倍、新しいメカニズムを備えたデバイスが出現し、これらの新しい技術の開発により、単一のノイズをさらに低減するための新しい方向性が開かれました-光子検出器、信号-対-ノイズ比の改善、波長の拡張、およびデバイスの動作条件の改善。
近赤外線単一-光子検出器の重要なアプリケーション分野
近赤外線単一-光子検出器は、光子検出の究極の感度を備えており、それらの動作帯域は、従来の光ファイバーで使用される主要な帯域であり、目に安全な帯域でもあります-。 運転、3Dイメージング、弱信号検出、その他の分野には重要な用途があります。
レーザーレーダーが1550nmレーザーを放射光源として使用する場合、人間の目の安全性のために、より高出力のレーザーを使用できるため、より長い距離を検出でき、現在の検出距離は100mから200m、波長1550nmの光はです。自然光環境では、バックグラウンドノイズがよりクリーンになります。これは、無人または車両に取り付けられたLIDARのアプリケーションにとって非常に重要です。 1550nmの単一-光子検出器の開発により、無人およびライダー技術の急速な開発が大幅に促進されることが期待されます。
この論文では、InP / InGaAsに基づく単一-光子検出器技術の開発と関連する新技術を紹介し、近赤外線単一-光子検出器の理解と理解を深めることを目的としています。アプリケーションを拡張し、パフォーマンスのさらなる向上と開発を提供します。 参照する。
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