Kigunduzi cha picha chenye fotoni moja kimepitia kikwazo cha ufanisi cha 80%

Kigunduzi cha picha cha fotoni mojawamefanikiwa katika kikwazo cha ufanisi cha 80%

Fotoni mojakigunduzi cha pichaZinatumika sana katika nyanja za fotoniki za kwanta na upigaji picha wa fotoni moja kutokana na faida zake ndogo na za bei nafuu, lakini zinakabiliwa na vikwazo vifuatavyo vya kiufundi.

Vikwazo vya kiufundi vya sasa

1. CMOS na SPAD nyembamba: Ingawa zina muunganiko wa hali ya juu na mtetemo mdogo wa muda, safu ya unyonyaji ni nyembamba (mikromita chache), na PDE imepunguzwa katika eneo la karibu na infrared, ikiwa na takriban 32% tu katika 850 nm.

2. SPAD yenye makutano nene: Ina safu ya kunyonya yenye unene wa mikromita kumi. Bidhaa za kibiashara zina PDE ya takriban 70% katika 780 nm, lakini kupenya 80% ni changamoto kubwa.

3. Soma vikwazo vya saketi: SPAD yenye makutano mnene inahitaji volteji ya upendeleo wa juu zaidi ya 30V ili kuhakikisha uwezekano mkubwa wa kuporomoka kwa theluji. Hata kwa volteji ya kuzimia ya 68V katika saketi za kawaida, PDE inaweza kuongezwa hadi 75.1% pekee.

Suluhisho

Boresha muundo wa nusu-semiconductor wa SPAD. Muundo unaoangaziwa nyuma: Fotoni za matukio huoza kwa kasi katika silicon. Muundo unaoangaziwa nyuma huhakikisha kwamba fotoni nyingi hufyonzwa kwenye safu ya unyonyaji, na elektroni zinazozalishwa huingizwa kwenye eneo la maporomoko ya theluji. Kwa sababu kiwango cha ioni cha elektroni katika silicon ni cha juu kuliko cha mashimo, sindano ya elektroni hutoa uwezekano mkubwa wa maporomoko ya theluji. Eneo la maporomoko ya theluji linalofidia doping: Kwa kutumia mchakato endelevu wa uenezaji wa boroni na fosforasi, doping ya kina kifupi hulipwa ili kuzingatia uwanja wa umeme katika eneo la kina kirefu lenye kasoro chache za fuwele, na hivyo kupunguza kelele kama vile DCR kwa ufanisi.

2. Saketi ya usomaji yenye utendaji wa hali ya juu. Kuzima kwa kiwango cha juu cha 50V Mpito wa hali ya haraka; Uendeshaji wa mifumo mingi: Kwa kuchanganya ishara za KUZIMA na KUWEKA PESA kwa udhibiti wa FPGA, ubadilishaji unaonyumbulika kati ya uendeshaji huru (kichocheo cha mawimbi), geti (kiendeshi cha GATE cha nje), na hali mseto hupatikana.

3. Maandalizi na ufungashaji wa kifaa. Mchakato wa wafer wa SPAD unatumika, ukitumia kifurushi cha kipepeo. SPAD imeunganishwa kwenye substrate ya kubeba ya AlN na kusakinishwa wima kwenye kipozezi cha joto (TEC), na udhibiti wa halijoto unafikiwa kupitia thermistor. Nyuzi za macho za multimode zimeunganishwa kwa usahihi na kituo cha SPAD ili kufikia muunganisho mzuri.

4. Urekebishaji wa utendaji. Urekebishaji ulifanyika kwa kutumia diode ya leza ya picosecond yenye mapigo ya 785 nm (100 kHz) na kibadilishaji cha dijitali cha wakati (TDC, azimio la 10 ps).

Muhtasari

Kwa kuboresha muundo wa SPAD (makutano nene, mwangaza wa nyuma, fidia ya doping) na kuvumbua saketi ya kuzimia ya 50 V, utafiti huu ulifanikiwa kusukuma PDE ya kigunduzi cha fotoni moja kinachotegemea silicon hadi urefu mpya wa 84.4%. Ikilinganishwa na bidhaa za kibiashara, utendaji wake kamili umeimarishwa kwa kiasi kikubwa, ukitoa suluhisho za vitendo kwa matumizi kama vile mawasiliano ya quantum, kompyuta ya quantum, na upigaji picha wa unyeti wa hali ya juu ambao unahitaji ufanisi wa hali ya juu sana na uendeshaji unaonyumbulika. Kazi hii imeweka msingi imara kwa ajili ya maendeleo zaidi ya silicon inayotegemea.kigunduzi cha fotoni mojateknolojia.