Ang single-photon photodetector nakalusot sa 80% nga bottleneck sa kahusayan

Usa ka photon photodetectornakalusot na sa 80% nga bottleneck sa kahusayan

Usa ka photonphotodetectorkay kaylap nga gigamit sa mga natad sa quantum photonics ug single-photon imaging tungod sa ilang compact ug barato nga mga bentaha, apan kini giatubang sa mosunod nga mga teknikal nga bottleneck.

Mga limitasyon sa teknikal nga kasamtangan

1.CMOS ug thin-junction SPAD: Bisan tuod kini adunay taas nga integration ug ubos nga timing jitter, ang absorption layer nipis (pipila ka micrometer), ug ang PDE limitado sa near-infrared region, nga adunay mga 32% lamang sa 850 nm.

2. Thick-junction SPAD: Kini adunay absorption layer nga napulo ka micrometers ang gibag-on. Ang mga komersyal nga produkto adunay PDE nga gibana-bana nga 70% sa 780 nm, apan ang paglusot sa 80% lisod kaayo.

3. Basaha ang mga limitasyon sa sirkito: Ang thick-junction SPAD nanginahanglan og overbias voltage nga sobra sa 30V aron masiguro ang taas nga avalanche probability. Bisan pa sa quenching voltage nga 68V sa tradisyonal nga mga sirkito, ang PDE mahimo ra nga madugangan ngadto sa 75.1%.

Solusyon

I-optimize ang semiconductor structure sa SPAD. Back-illuminated design: Ang incident photons dali nga madunot sa silicon. Ang back-illuminated structure nagsiguro nga ang kadaghanan sa mga photon masuhop sa absorption layer, ug ang mga namugna nga electron ma-inject sa avalanche region. Tungod kay ang ionization rate sa mga electron sa silicon mas taas kaysa sa mga hole, ang electron injection naghatag og mas taas nga posibilidad sa avalanche. Doping compensation avalanche region: Pinaagi sa paggamit sa continuous diffusion process sa boron ug phosphorus, ang shallow doping ma-compensate aron ma-concentrate ang electric field sa lawom nga rehiyon nga adunay gamay nga crystal defects, nga epektibong makapakunhod sa noise sama sa DCR.

2. High-performance readout circuit. 50V high amplitude quenching Paspas nga state transition; Multimodal nga operasyon: Pinaagi sa paghiusa sa FPGA control QUENCHING ug RESET signals, makab-ot ang flexible nga pagbalhin tali sa free operation (signal trigger), gating (external GATE drive), ug hybrid modes.

3. Pag-andam ug pagputos sa aparato. Gigamit ang proseso sa SPAD wafer, nga adunay butterfly package. Ang SPAD gi-bond sa AlN carrier substrate ug gi-install nga bertikal sa thermoelectric cooler (TEC), ug ang pagkontrol sa temperatura makab-ot pinaagi sa usa ka thermistor. Ang mga multimode optical fiber tukma nga gi-align sa sentro sa SPAD aron makab-ot ang episyente nga coupling.

4. Kalibrasyon sa pasundayag. Ang kalibrasyon gihimo gamit ang 785 nm picosecond pulsed laser diode (100 kHz) ug usa ka time-digital converter (TDC, 10 ps resolution).

Sumaryo

Pinaagi sa pag-optimize sa istruktura sa SPAD (thick junction, back-illuminated, doping compensation) ug pag-innovate sa 50 V quenching circuit, kini nga pagtuon malampuson nga nagduso sa PDE sa silicon-based single-photon detector ngadto sa bag-ong gitas-on nga 84.4%. Kung itandi sa mga komersyal nga produkto, ang komprehensibo nga performance niini labi nga gipauswag, nga naghatag praktikal nga mga solusyon alang sa mga aplikasyon sama sa quantum communication, quantum computing, ug high-sensitivity imaging nga nanginahanglan og ultra-high efficiency ug flexible nga operasyon. Kini nga trabaho nagbutang usa ka lig-on nga pundasyon alang sa dugang nga pag-uswag sa silicon-based...detektor sa usa ka photonteknolohiya.