A Yksittäinen fotonin ilmaisin (SPD)on edistyksellinen valodetektori, joka pystyy havaitsemaan yksittäiset fotonit - pienin mahdollinen valon yksikkö . Nämä ilmaisimet ovat kriittisiä sovelluksissa, joissaErittäin alhainen valon tasoton mitattavakorkea ajoitus tarkkuus ja herkkyys.
Määritelmä
A Yksi fotonitekijäon laite, joka rekisteröi ayksi fotonija muuntaa sensähkösignaali(yleensä pulssi) . se on suunniteltu toimimaan erittäin matalalla kohinalla (tummat määrät) ja korkean kvanttitehokkuuden avulla, jopa erittäin heikoilla optisilla signaaleilla .
Tyypit yksittäiset fotonin ilmaisimet
| Tyyppi | Materiaali / aallonpituusalue | Muistiinpanot |
|---|---|---|
| SPAD (yhden foton Avalanche-diodi) | Si (näkyvä), Ingaas (NIR) | Kompakti, pieniteho, laajalti käytetty |
| SNSPD (suprajohtavaa nanojohtoa) | NBN, WSI (UV Telecom) | Erittäin nopea, erittäin matala melu, kryogeeninen |
| PMT (fotomultiplier -putki) | Lasi tyhjiöputki (UV-vis) | Korkea voitto, suuri alue, hauras |
| APD (Avalanche fotodiodi)Geiger -tilassa | SI, Ingaas | Rajoitettu dynaaminen alue |
| TES (siirtymäreunan anturi) | Suprajohtava bolometri | Fotonilukun resoluutio, kryogeeninen |
Kuinka se toimii (SPAD -esimerkki)
SPD on käänteisesti puolueeton sen yläpuolellarikkoutumisjännite.
Yksi fotoni laukaiseelumivyöry, luoda suuren virran piikki .
Laite onsammunut(nollata) tapahtuman jälkeen seuraavan fotonin havaitsemiseksi .
Avainparametrit
| Parametri | Kuvaus |
|---|---|
| Aallonpituuden herkkyys | Riippuu materiaalista (Si: 400–1000 nm, Ingaas: 950–1650 nm) |
| Kvanttitehokkuus (QE) | Fraction of incident photons that generate a signal (often >70%) |
| Tumman määränopeus (DCR) | Vääriä määriä sekunnissa lämpökohinan vuoksi (niin alhainen kuin<1 cps in SNSPDs) |
| Ajoitusvunaja | Ajallinen epävarmuus havaitsemisessa (10 ps - 100 ps) |
| Kuollut aika | Talteenottoaika havaitsemisen jälkeen (10 ns useisiin μs: iin) |
| Fotoninumero | Jotkut tyypit, kuten TES, voivat ratkaista havaittujen fotonien lukumäärän |
Esimerkki eritelmät (Ingaas SPAD 1550 nm: lle)
| Parametri | Arvo |
|---|---|
| Aallonpituusalue | 900–1700 nm |
| Qe | ~ 20% nopeudella 1550 nm |
| DCR | <1000 counts/sec |
| Ajoitusvunaja | <200 ps |
| Kuollut aika | ~10–50 μs |
| Tulos | TTL/ECL -pulssi |
Sovellukset
| Soveltaminen | Miksi SPD: tä tarvitaan |
|---|---|
| Kvanttiavaimen jakauma (QKD) | Vaatii yksittäisten fotonien havaitsemisen turvallisen salauksen saamiseksi |
| Lidar / lennon aika | Mahdollistaa tarkan 3D -kuvantamisen, jolla on alhainen heijastuskyky |
| Fluoresenssin elinikäinen kuvaus (FLIM) | Havaitsee yksittäiset fluoresoivat fotonitapahtumat |
| Tähtitiede / avaruusteleskoopit | Havaitsee heikon valon kaukaisista esineistä |
| Biolääketieteellinen kuvantaminen (e . g ., lemmikki) | Käytetään fotonien laskennassa molekyylikuvausta varten |
| Optinen kvanttilaskenta | Vaaditaan yhden fotonin logiikkaporteille ja lukemille |
Edut
Äärimmäinen herkkyys- voi havaita yhden fotonin .
Korkea ajallinen resoluutio-Erinomainen aikakorreloituihin mittauksiin .
Matala melu (jäähdytyksellä/SNSPD)- Ihanteellinen tarkkuussovelluksiin .
Skaalautuva- Saatavana taulukkoina kuvantamista ja lidar .
Rajoitukset
| Antaa | Vaikutus |
|---|---|
| Pimeä laskenta | Vääriä positiivisia, etenkin huoneenlämpötilassa |
| Kuollut aika | Rajoittaa enimmäismääränopeutta |
| Jäähdytys tarvitaan | Erityisesti SNSPD: lle ja TES: lle (usein kryogeeninen) |
| Rajoitettu dynaaminen alue | Ei ihanteellinen vahvoille signaaleille |
Yhteenveto
| Ominaisuus | Arvo |
|---|---|
| Funktio | Havaitsee yksittäiset fotonit ja tuottaa sähköisiä pulsseja |
| Aallonpituuden herkkyys | Riippuu materiaalista (UV -Telecom) |
| Yhteiset tyypit | SPAD, SNSPD, PMT, TES |
| Avainsovellukset | Quantum Optics, Lidar, Life Sciences, Tähtitiede |
| Havaitsemistila | Fotonien laskenta, aikakorreloidut mittaukset |