Фотодетекторы. Регистрация одиночных фотонов
Фотопримёных устройств существует великое множество. Их можно разделить на группы по самым разным критериям, таким как рабочий диапазон длин волн, частота или тип оптического ввода и корпуса. Один из таких критериев, важный как в рамках данной статьи, так и в более глобальном смысле, - тип фотоприёмного чипа.
Действительно, от того, какой именно чип установлен в фотоприёмнике, во многом зависит и диапазон длин волн, и чувствительность, и шумы. Из существующих коммерчески доступных детекторов можно выделить три основные группы:
- PIN-фотодиоды;
- лавинные фотодиоды (или ЛФД);
- SNSPD-детекторы (или детекторы на основе сверхпроводящих нанопроволок).
Каждая группа детекторов имеет свою определённую сферу применения. Так, PIN-фотодиоды часто применяются в классических телекоммуникациях, ЛФД в более высокочувствительных применениях вроде лазерной дальнометрии, а SNSPD в области квантовых технологий. Однако особое место среди всех этих типов занимают именно лавинные и SNSPD-детекторы, так как именно они обладают такой внутренней структурой, которая позволяет детектировать сверхнизкие мощности, вплоть до одиночных порций света – фотонов. Понять принципиальную разницу между этими типами детекторов позволит иллюстрирование их работы и внутреннего строения чипа.
PIN-фотодиоды
В PIN-фотодиоде есть широкий внутренний слаболегированный (i-) полупроводниковый слой, разделяющий зоны р- и n-типа, как показано на рис. 1. На диод подается т.н. напряжение обратного смещения (может достигать десятков вольт) плюсом к n-переходу, минусом к p-переходу. Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, а ширина внутреннего i-слоя гарантирует, что высока вероятность поглощения входящих фотонов именно этим слоем, а не областями р- или n-типа.
Рисунок 1 – Схематичное представление внутреннего строения PIN-фотодиода
Если в i-слое нет свободных носителей заряда, то нет и электрического тока, так как при падении излучения на i-слой в нём образуются свободные электронно-дырочные пары. Эти пары под действием электрического поля, созданного приложенным обратным напряжением, быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам. Таким образом, создается фототок (ток дрейфа):
где Q- заряд электрона, Ne– число электронов.
Однако не все фотоны вызывают образование пар. По этой причине вводится понятие квантовой эффективности, которая не может быть равна 100%. Квантовая эффективность η (безразмерная величина) определяется как:
где Nф - количество фотонов, падающих за единицу времени на приёмник, а Ne - количество рождённых в результате этого свободных электронов.
Квантовая эффективность (QE) - вероятность регистрации отсчёта, если фотон попадет на детектор. Иначе говоря, это КПД фотодетектора.Лавинные фотодиоды
Немного по-другому устроены ЛФД. Они представляют собой PIN-диоды, но с усилением. На рис. 2 схематически представлено поперечное сечение типичной структуры ЛФД.
Рисунок 2 – Схематичное представление внутреннего строения лавинного фотодиода
Внутреннее усиление сигнала в данном случае базируется на лавинном электронном умножении сигнала. Если структура слоев у обычного фотодиода имеет вид p+/i-/n+, то у ЛФД добавляется р-слой (p+/i-/p/n+). В широкой i-области напряжённость электрического поля почти постоянна и не очень велика, а в узкой р-области резко изменяется и в максимуме достигает значений, достаточных для возникновения и поддержания лавинного умножения. Ускоряясь в зоне проводимости р-слоя, электроны накапливают энергию достаточную, чтобы выбить (возбудить) другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс и носит название лавинного усиления или умножения первичного фототока.
Общий вид вольт-амперных характеристик ЛФД и PIN-фотодиодов совпадает, отличаются лишь режимы работы (рис. 3). Рабочей областью ЛФД на вольт-амперной характеристике будет зона, близкая к электрическому пробою.
Рисунок 3 – Общий вид ВАХ фотодиодов в зависимости от светового потока P
Поддержание значения напряжения смещения выше критического напряжения, при котором возникает пробой , создаёт «перенапряжение» в полупроводниковой структуре, которое приводит к тому, что при падении на фоточувствительный слой даже одного фотона за счёт лавинного умножения электронов в p-слое рождается достаточно мощный импульс, способный вывести фотодиод из строя (т.н. лавинный пробой). Для того чтобы этого не произошло, применяется специальная система управления напряжением смещения, проиллюстрированная ниже.
В начале работы напряжение смещения ЛФД находится выше напряжения пробоя Uп в точке А. В этой точке система находится в ожидании фотона. Когда фотон попадает на фоточувствительную площадку ЛФД, он поглощается и рождает электронную лавину, после чего напряжение смещения уменьшается до уровня, меньшего напряжения пробоя (точка В), в результате чего электронная лавина гаснет. По истечении некоторого времени напряжение смещения вновь возвращается к прежнему уровню в точку А. Всё время, затраченное на данный процесс, называется мёртвым временем, в течение которого диод не способен детектировать входящие оптические импульсы.
Мёртвое время (Deadtime) - временной интервал после поглощения фотона, в течение которого детектор не способен зарегистрировать другие фотоны.Как у PIN-фотодиода, так и у ЛФД есть характеристика, описывающая шумы на выходе фотодиода при отсутствии оптического сигнала на входе. У диодов типа PIN она называется темновым током, и его причиной являются тепловые генерации электронов и дырок в толще полупроводника, которые затем начинают упорядоченно двигаться за счёт наведённого электрического поля, что и рождает малый шумовой ток. В лавинных фотодиодах причина возникновения та же, однако за счёт отличной архитектуры чипа ЛФД и принципа его действия на выходе с диода имеется не ток, а последовательность шумовых отсчётов, которые также называют темновыми. Чем больше шумы, тем чаще эти отсчёты происходят за единицу времени, поэтому темновые отсчёты измеряют в герцах.
Частота темнового счёта (Dark Count Rate) - количество детектируемых ложных отсчётов однофотонного детектора в секунду. Зависит от температуры полупроводника.Однако даже окончания лавины и возвращения детектора в режим ожидания следующего фотона может быть достаточно, чтобы возникла вторичная электронная лавина, которая неотличима от той, которая появляется в результате реального детектирования сигнала. Такие лавины называются послеимпульсами и также являются серьёзным ограничителем точности работы однофотононных детекторов.
Послеимпульсы (Afterpulsing) – ошибочная регистрация события в отсутствие входного сигнала за счёт детектирования захваченных зарядов.
SNSPD-детекторы
SNSPD-детекторы состоят из тонкой (≈5 нм) и узкой (≈100 нм) сверхпроводящей нанопроволоки, состоящей из сверхпроводящего при низких температурах материала. Длина проволоки обычно составляет сотни микрометров, а по форме она представляет собой компактную меандровую геометрию (рис. 4).
Рисунок 4 – Фотография нанопроволоки, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа
Нанопроволока охлаждается значительно до температуры, при которой возникает сверхпроводимость. При этом по ней подаётся постоянный ток. Падение фотона на нанопроволоку приводит к образованию локализованной несверхпроводящей области с конечным электрическим сопротивлением (рис. 5), что приводит к появлению измеримого импульса напряжения (рис. 6). Детектор пассивно сбрасывается до состояния сверхпроводимости за счёт активного охлаждения. Время возврата в данном случае является мёртвым временем детектора.
Рисунок 5 – Иллюстрация поглощения фотона нанопроволокой и появления локального нагрева
Рисунок 6 – Сигнальный скачок напряжения на выходе с SNSPD-детектора
Режимы работы детекторов одиночных фотонов
Работа разных типов детекторов описывалась с точки зрения пассивного ожидания входящего оптического сигнала. Такой режим работы, при котором управление напряжением смещения и гашение электронной лавины осуществляется по факту регистрации входного сигнала, называется асинхронным или free-running режимом. На рис. 7.1 представлена схема работы асинхронного детектора, которая была на словах описана ранее.
|
|
Рисунок 7.1 – Работа асинхронного детектора
|
Рисунок 7.2 – Работа синхронного детектора
|
Однако в некоторых случаях применяются детекторы одиночных фотонов с внешним триггером (рис. 7.2). Такие детекторы имеют внешний синхронный вход, на который от генератора подаются импульсы, «открывающие» и «закрывающие» фотодетектор для входных оптических импульсов. Такие детекторы способны зарегистрировать фотон только в узком временном окне, длительность которого зависит от внешнего триггера. Любые фотоны, пришедшие в систему во время отсутствия внешнего синхронизирующего импульса, не вызовут рождения электронной лавины и, как следствие, не приведут к появлению сигнального отсчёта. Режим работы таких детекторов называют синхронным или gated режимом.
Детекторы с внешним триггером находят своё применение, например, в системах ЛИДАР, где временнóе окно можно менять и таким образом производить точное измерение расстояния, которое прошёл фотон от источника до приёмника. Также их применение популярно при изучении спектров релаксации фотолюминесценции, когда детектор синхронизируется с возбуждающим образец лазером и детектирует слабую люминесценцию в строго определённые временные рамки.
Исполнение детекторов
Фотодетекторы, будь то PIN- или лавинный фотоприёмники, могут быть изготовлены как в виде компонента, который разработчик может сам интегрировать в свою систему, так и в виде уже готовых к использованию блоков, требующих только подключения к питанию и ПК с необходимым софтом.
Ниже представлена таблица, отражающая существующие коммерчески доступные форм-факторы фотоприёмных устройств и компонентов.
Форм-фактор | Тип ввода | Внешний вид | Ссылка на пример |
Чип | С линзой | ||
Без линзы |
|
||
ТО-корпус | Волоконный |
|
|
Free-space |
|
||
Модульное исполнение | Волоконный |
|
|
Free-space |