Детекторы для счета фотонов на основе лавинных фотодиодов

N (λ) = 5,03 ⋅ 10¹⁵ ⋅ λ ⋅ P,

Фотоэлектронные умножители

Рис. 2: Схематическое изображение традиционного фотоэлектронного умножителя (ФЭУ)

Кремниевые фотоумножители

Лавинные фотодиоды для регистрации единичных фотонов (SPAD фотодиоды)

Рис. 3: Принцип работы лавинного фотодиода. Падающий фотон создает электронно-дырочную пару. Электрон, который ускоряется, создает дополнительную электрон-дырочную пару посредством ударной ионизации и возникает эффект лавины.

Гейгеровский режим работы при таком высоком коэффициенте усиления неизбежно приводит к очень высокому значению тока протекающего в SPAD фотодиоде, который должен находиться под контролем с использованием соответствующей схемы гашения для того, чтобы предотвратить повреждение фотоприемника. В своей простейшей форме схема гашения может быть основана на токоограничивающем резисторе, расположенном последовательно с лавинным фотодиодом, который будет гасить лавину, если значение резистора достаточно велико. Однако такие схемы обычно имеют долгое время восстановления, ограничивающее максимальную скорость счета. По этой причине большинство коммерчески доступных модулей счета фотонов на основе SPAD фотодиодов имеют активную схему гашения, которая регистрирует возникновение лавины, а затем снижает в течение нескольких наносекунд напряжение смещения на лавинном фотодиоде ниже напряжения пробоя. Результатом такого процесса является относительно малое мертвое время, как правило, около 50 нс, после чего напряжение смещения возвращается на прежний уровень, позволяя зарегистрировать следующий фотон. Таким образом, можно легко достигнуть максимальную скорость счета в 10 МГц и выше. В настоящее время лучшие модули счета фотонов на основе SPAD фотодиодов позволяют получить скорости темнового счета менее 10 импульсов/сек, что соответствует динамическому диапазону свыше 10⁶. Коммерчески доступные модули SPAD имеют термоэлектрическое охлаждение, оптимизированную схему активного гашения и компактный корпус, что позволяет пользователю достигать максимальной производительности фотоприемника. На рисунке 4 показана блок-схема детектора для счета фотонов серии COUNT компании Laser Components (Германия) с разъемом для крепления оптического волокна.

Рис. 4: Блок-схема модуля счета фотонов серии COUNT фирмы Laser Components

Эффективность регистрации фотонов – путь к производительности

QE = (R₀ ⋅ 1240) / λ ⋅ 100%,

где R₀ является чувствительностью выраженной в А/Вт и λ - длина волны в нм. При сравнении фотоприемников с аналогичным уровнем шума и вероятностью послеимпульсов детектор с самой высокой квантовой эффективностью, как правило, будет лучше всего подходить для счета фотонов. Следует отметить, что квантовая эффективность является выражением эффективности только самого лавинного фотодиода, тогда как на квантовую эффективность самого модуля счета фотонов на основе SPAD фотодиода влияет ряд других факторов, например, электроника может также незначительно влиять на общую производительность. По этой причине документация на модули SPAD часто ссылается на эффективность регистрации фотонов (PDE) или вероятность, которая представляет собой процентную вероятность падающего фотона, генерирующего электрический импульс на выходе детектора для счета фотонов.

При проектировании детектора для счета фотонов на основе SPAD фотодиода важно иметь в виду, что и эффективность регистрации фотона и темновая скорость счета зависят от напряжения смещения лавинного фотодиода. Как обсуждалось выше лавинный фотодиод работает в режиме Гейгера, при котором напряжение смещения выше напряжение пробоя, где разница между этими значениями напряжений известна как перенапряжение, которое может быть изменено для оптимизации конкретного параметра, как показано в Таблице 1. Тем не менее такая оптимизация может быть успешной только если базовая конструкция лавинного фотодиода сделана достаточно качественно, чтобы достичь максимальную квантовую эффективность при сохранении минимального K-фактора полупроводника (отношение ионизационных свойств дырок к электронам) для снижения уровня шума. Компания Laser Components специально разработала лавинный фотодиод, предназначенный для счета фотонов, на основе которого можно изготавливать модули SPAD с недостижимыми ранее параметрами производительности, такими как скорость темнового счета менее 10 импульсов/сек с эффективностью регистрации фотонов более 80% при длине волны 670 нм.

Таблица 1 - Эффективность регистрации фотонов и скорость темнового счета относительно рабочего напряжения для детекторов для счета фотонов серии Count фирмы Laser Components.

Рабочее напряжение, В	Перенапряжение, В	PDE при 405 нм, %	PDE при 670 нм, %	PDE при 810 нм, %	Скорость темнового счета, импульсы/сек	Вероятность послеимпульсов, %	Мертвое время, нс
346.3	2.0	30	55	32	15.4	0.04	61
348.4	4.1	36	69	43	31.4	0.11	55
350.6	6.3	40	79	51	57.4700р	0.24	51
352.3	8.0	43	85	55	91.4	0.42	50
355.0	10.7	45	90	60	138.2	0.89	49

В то время как SPAD фотодиоды традиционно считались фотоприемниками, в пользу которых отдавался выбор для счета фотонов в красной и ближней инфракрасной области спектра, традиционные ФЭУ использовались в синей области и ближней к УФ-области спектра из-за их превосходной квантовой эффективности на более коротких волнах. Однако последние разработки SPAD фотодиодов показывают, что сегодня детекторы для счета фотонов на основе этих фотоприемников могут быть эффективно использованы в области спектра от УФ до ближнего ИК. Одним из таких примеров является детектор для счета фотонов серии COUNT BLUE от компании Laser Components, разработанный в начале 2011 года на основе УФ-улучшенной версии лавинного фотодиода для счета единичных фотонов. Модуль счета фотонов COUNT BLUE демонстрирует типовую эффективность регистрации фотонов 55% при 405 нм и 70% при 532 нм. Улучшенные модули SPAD также существуют для ближнего инфракрасного диапазона длин волн, например модуль серии COUNT NIR от компании Laser Components, который был специально разработан для применения в квантовой оптике и квантовой криптографии. Этот модуль обладает эффективностью регистрации фотонов около 60% при 810 нм (рисунок 5).

Рис. 5: Модули счета фотонов серии COUNT NIR и COUNT Q

Дополнительными преимуществами модулей счета фотонов на основе SPAD фотодиодов являются простота работы с низким напряжением питания (обычно +5 или +12 В), а также дополнительный разъем для крепления оптического волокна, которое может быть оптимизировано для конкретного диапазона длин волн по запросу.

Несмотря на то, что большинство усилий было сконцентрировано на разработке SPAD фотодиодов на основе кремния, возрастающий интерес к счету единичных фотонов при больших длинах волн привел к появлению лавинных фотодиодов, работающих в гейгеровском режиме, на основе InGaAs. Эти InGaAs лавинные фотодиоды могут работать с эффективностью регистрации фотонов до 20% или более, хотя и со значительно более высокой скоростью темнового счета, чем аналогичные фотоприемники на основе кремния. Их разработка началась в основном благодаря достижениям в области квантовых методов криптографии, где необходима передача данных на большие расстояния по оптическому волокну. В этом применении высокая эффективность регистрации фотонов кремниевых фотоприемников компенсируется большими потерями при передачи данных по волокну при более коротких волнах, в то время как превосходная передача данных по волокну на длине волны 1550 нм более чем компенсирует более низкую квантовую эффективность детектора на основе InGaAs. Для таких применений компанией Laser Components был специально разработан новый детектор для счета фотонов на основе InGaAs SPAD фотодиода (рисунок 5), который имеет регулируемую эффективность регистрации фотонов (до 20%, уже с поправкой на темновую скорость счета и вероятность послеимпульсов) и перестраиваемое мертвое время, что позволяет заказчику настроить фотодетектор для решения любой задачи.

Резюме

Все большее число применений связанных с возникновением единичных фотонов в спектральном диапазоне длин волн от УФ до ближней ИК области также накладывают повышенные требования к фотоприемникам, которые должны обнаружить эти единичные фотоны. В будущем тенденция будет сочетать в себе преимущества недорогой КМОП технологии с эффективными и малошумящими SPAD детекторами.