KR101740263B1 - 양극성 구형 게이팅 신호와 함께 동작되는 InGaAs/InP 아발란치 포토 다이오드를 이용하는 근적외선에서의 단광자 검출기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 InGaAs/InP 아발란치 포토다이오드(APD)에 기초하는, 1.55 μm 의 전기통신 파장에서의 단광자 검출기(SPD)에 관한 것이다. SPD 를 낮은 후방 펄스 잡음에서 동작시키기 위해서는, 항복 전압보다 낮은 DC 바이어스 전압이 InGaAs/InP APD에 인가된다. 양극성 구형 게이팅 신호가 상기 DC 바이어스 전압과 중첩되고 게이트 신호의 각 주기의 게이트 온 시간 동안 항복 전압을 초과하도록 APD에 인가된다. 양극성 구형 게이팅 신호의 사용은 게이트 오프 시간 동안 APD를 항복 전압보다 훨씬 낮게 동작시킬 수 있도록 하고, 이로써 트랩된 전하 캐리어들의 방출을 더욱 빠르게 만들고, 후방 펄스 잡음을 감소시킨다. 결과적으로, SPD의 반복률을 증가시키는 것을 가능하게 한다.
Description
본 발명은 단광자를 검출하기 위한 방법 및 광자 검출기 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 양극성 구형 게이팅 신호와 함께 동작되는 InGaAs/InP 아발란치 포토다이오드(avalanche photodiodes)(APDs)에 기초하는 단광자 검출기(single photon detectors)(SPDs)에 관한 것이다.
근적외선(NIR) SPD는 양자 암호화, 광학 네트워크 검증, 반도체 장치 분석, 3-차원 이미징, 눈에 안전한 레인징 및 타이밍(eye-safe ranging and timing) 등과 같은 많은 응용을 위한 핵심 요소 중 하나이다. 광통신에서, 1.55 μm 의 파장은 장거리 전송을 위해 가장 바람직하고, 이는 광섬유가 이 파장에서 낮은 분산과 최소 손실(0.2dB/km)을 보이기 때문이다. 1.55 μm 에서 가장 편리한 검출기는 InGaAs/InP APD에 기초한다. SPD들로 사용되는 APD들은 단광자 아발란치 다이오드들(SPADs)로 지칭된다. SPAD는 몇몇 장점을 갖는다, 간편하며, 낮은 동작 전압을 갖고, 무 극저온(cryogenic-free) 동작을 하며 비용 또한 적게 든다.
단광자를 검출하기 위해서, 전기통신 응용을 위해 디자인된 상업적인 InGaAs/InP APD는 주로 쌍안정(bi-stable) 모드에서 항복 전압(VBR) 이상으로 동작된다. 이러한 동작 모드는 가이거 모드(Geiger mode)로 지칭된다. 가이거 모드에서, APD는 접합에 걸쳐 큰 전기장을 지속시킬 수 있다. 들어오는 광자는 흡수되고 전자-정공 쌍을 생성한다. 그 후 전하 캐리어들(carriers)은 접합을 지나 휩쓸려 가며 강한 전기장에 의해 가속된다. 그들은 임팩트 이온화(impact ionization)에 의해 이차 전자-정공 쌍들을 생성하기에 충분한 에너지를 얻을 수 있다. 이러한 쌍들은 차례차례 가속되고 새로운 전자-정공 쌍들을 생성할 수 있다. 전기장이 충분히 높은 경우, 임팩트 이온화는 자가-지속 전류 펄스를 생산할 수 있다. 이러한 다중화 현상(multiplication phenomenon)은 아발란치(avalanche)로 알려져 있다.
아발란치 사건 동안, 아발란치 프로세스에 의해 생성된 몇몇 전하 캐리어들은 SPAD의 다중화 층에 있는 결함에 의해 트랩될 수 있다. 만약 트랩된 캐리어가 그 후의 게이트 펄스 동안 방출된다면, 그것은 새로운 아발란치를 유발할 수 있다. 그러한 아발란치는 후방 펄스(after-pulse)라고 불리운다.
후방 펄스 효과는 InGaAs/InP SPAD들의 성능을 제한하는 주요 병목 중 하나이다. 따라서, InGaAs/InP APD는 게이트 지속시간(duration)이 일반적으로 수 나노초로 설정된 게이트된 가이거 모드(gated Geiger mode)에서 주로 동작된다. 그 후 두 연속된 게이트 펄스들 간의 간격은 트랩된 캐리어들의 수명(수 마이크로초) 보다 길게 설정되고, 이는 후방 펄스를 낮추는 데 매우 효과적이다. 그러나, 이러한 모드는 동작이 오로지 메가헤르츠 레이트(rates)에서만 가능하도록 하고; 이는 고속 클럭된 양자 키 분배 (QKD) 시스템(high-speed clocked quantum key distribution systems)과 같이 고속 SPD를 필요로 하는 응용에 InGaAs/InP APD가 적합하지 않도록 만든다.
또한 동작 조건을 선택함으로써, 특히 초과 바이어스 전압을 감소시키고 이에 따라 아발란치 전하를 제한함으로써 후방 펄스 효과는 감소될 수 있다. 그러나, 이는 아발란치 신호의 진폭을 감소시키고, 특히 빠른 게이팅 신호를 이용할 때 APD 용량성 반응으로부터 그것이 구별되기 어렵게 만든다.
특허문헌 1 은 전기통신 파장 대역에서의 고속 단광자 검출기를 개시한다. 항복 전압보다 낮은 DC 바이어스 전압이 InGaAs/InP APD에 인가된다. 500 MHz 정현파 게이팅 신호는 DC 바이어스 전압과 중첩되고 각 주기의 부분 시간(fractional time)에서 약 4V 만큼 항복 전압을 초과하도록 APD에 인가된다. APD를 지난 정현파 게이팅 신호는 필터에 의해 실질적으로 완전히 제거되고, 이로써 신호대 잡음 비를 개선하고, 후방 펄스 및 검출 주기를 감소시키기 위해 아발란치 다중화 시간이 줄어든 경우에도 단광자를 검출할 수 있도록 한다. 결과적으로, 이는 1550 nm 통신 대역에서 고속으로 단광자를 검출하는 것을 달성한다.
특허문헌 2 는 단광자를 검출하는 광자 검출기, 광자 검출기의 출력 신호를 제 1 부분과 제 2 부분으로 분할하는 신호 분할기로서 상기 제 1 부분은 상기 제 2 부분과 실질적으로 동일한 신호 분할기, 상기 제 2 부분을 상기 제 1 부분에 대하여 지연시키는 딜레이(delay) 매커니즘 및 출력 신호의 상기 제 1 부분에 있는 주기적 변형을 상쇄시키기 위해 지연된 제 2 부분이 이용되도록 신호의 상기 제 1 부분과 상기 지연된 제 2 부분을 결합하는 결합기를 포함하는 광자 검출 시스템을 개시한다.
특허문헌 3 은 광자 검출 방법 및 광자 검출 시스템을 개시한다. 방사(radiation) 펄스에서 동시에 검출된 광자들의 개수를 결정하는 광자 검출 시스템은, APD, 상기 포토 다이오드에 걸쳐 바이어스를 인가하기 위한 부분 및 포토 다이오드의 발광에 의해 생산된 아발란치 신호의 크기를 측정하기 위한 부분을 포함하되, 아발란치 신호는 포토다이오드를 통하는 아발란치 전류가 포화되기 전에 측정된다. 포토다이오드는 아발란치 전류가 포화하기 위해 필요한 시간보다 짧은 지속시간 동안, 또는 아발란치 전류가 포화하기 위해 걸리는 시간보다 짧은 지속시간 동안 아발란치 신호가 측정되는 경우 이 시간보다 긴 지속시간 동안 포토다이오드의 항복 전압보다 큰 바이어스 전압을 인가함으로써 가이거 모드에서 동작될 수 있다.
비특허문헌 1 은 단광자 검출을 위한 ??칭 회로(quenching circuits) 및 아발란치 포토다이오드를 발표한다. APD들은 가이거 모드에서 항복 전압보다 높게 동작되고 단광자를 검출하기 위해 아발란치-??칭 회로에 연결되며, 따라서 단광자 아발란치 다이오드(SPADs)라고 불리운다. 이러한 동작 모드에 적합한 회로 구성들은 임계적으로 분석되고 광자 계측 및 타이밍 응용들에서의 그들의 상대적인 장점들이 평가된다. 비록 수동(passive)-??칭 회로 (PQCs)가 SPAD 장치 검증 및 선택에 유용하더라도, 이것은 꽤 제한된 응용을 갖는다. 적합하게 디자인된 능동(active)-??칭 회로 (AQCs)는 SPAD들의 최고의 성능을 활용하는 것을 가능하게 한다. 고압(250-450V)에서 동작하는 두꺼운 실리콘 SPAD들은 540 내지 850 nm 파장에서 50% 보다 높은 광자 검출 효율을 갖고 1064 nm 에서는 여전히 -3% 를 갖는다. 저압(10-50V)에서 동작하는 얇은 실리콘 SPAD들은 500 nm 에서 45% 효율을 갖고, 830 nm 에서 10%로, 1064 nm 에서 0.1% 로 작게 감소한다. 광자 타이밍에서 달성되는 시간 분해능은 얇은 SPAD에 대해서는 20 ps 반치폭(full width at half maximum)(FWHM)이고; 굵은 SPAD에 대해서는 350 에서 150 ps FWHM의 범위를 갖는다. 달성된 최소 계측 불감 시간(minimum counting dead time) 및 최대 계측률은 굵은 실리콘 SPAD에 대해서는 40 ns 및 10Mcps, 얇은 SPAD에 대해서는 10 ns 및 40 Mcps이다. 게르마늄 및 III-V 화합물 반도체 SPAD는 NIR 영역에서의 광자-계측 기술의 범위를 적어도 1600 nm 파장까지 확장시킨다.
비특허문헌 2 는 1500 nm 에서의 양자-비트 구별을 위한 균형있고 게이트된-모드의 광자 검출기를 발표한다. 두 개의 APD들을 결합하는 광자 검출기는 1550 nm 에서의 양자-비트 구별을 위해 보여져 왔다. 게이트된 모드에서의 신호를 수반하는 스파이크들(spikes)은 두 개의 APD 들로부터의 균형있는 출력에 의해 상쇄된다. 스파이크 상쇄는 구별기에서의 문턱을 낮추고 따라서 게이트 펄스 전압을 낮출 수 있도록 한다. 다크 카운트 확률(dark count probability) 및 후방 펄스 확률(after-pulse probability)은 178K 에서 11% 와 같은 검출 효율에 영향을 미치지 않고, 각각 7×10-7 및 7×10-4 로 감소된다.
비특허문헌 3 은 방전 펄스 계측에 의한 1550 nm 에서의 게이트된-모드 단광자 검출을 발표한다. APD를 이용한 게이트된-모드 단광자 검출은 펄스를 충전하고 방전하는 특징을 갖고, 이는 용량성 행동에 기인한다. 단광자 검출에서는 후방 펄스를 감소시키기 위해 광자-유도된 아발란치 펄스보다는 방전 펄스가 계측된다. 시연은 1550 nm 에서 동작하는 InGaAs/InP APD를 채용한다. 게이트 당 후방 펄스 확률은 5 MHz의 반복 주파수로 감정된다.
비특허문헌 4 는 1.55 μm 에서의 게이트된-모드 단광자 검출기의 높은 성능을 발표한다. 1.55 μm 에서의 단광자 검출의 높은 성능은 최적화된 온도에서 InGaAs/InP APD들을 게이트된-모드에서 동작함으로써 달성되었다. 게이트된-모드 검출에 이용된 짧은 펄스들이 강한 스파이크를 생산함에 따라, 변압기-기반의 방법이 스파이크를 상쇄시키기 위해 이용되었고, 이는 짧은-게이트 펄스 지속시간을 이용함으로써 다크 카운트를 감소시키고, 낮은 문턱에서 아발란치 신호를 구별하는 것을 가능하게 한다. 최적화된 온도에서의 스파이크-상쇄 단광자 검출은 펄스 당 3.4×10-7 의 다크-카운트 확률과 함께 20%의 검출 효율을 생산한다. 이러한 SPD로, 0.1 광자/펄스와 같은 평균 광자수를 갖는 안정적인 단광자 라우팅(routing)이 87%의 프린지 대조(fringe contrast)를 나타내며 155 km 광섬유에서 실현되었다.
비특허문헌 5 는 고효율을 갖는 고속 InGaAs/InP 기반의 단광자 검출기를 발표한다. 1.55 μm 의 전기통신 파장에서의 효율적인 SPD는 -30 ℃에서 InGaAs/InP로 실현되었다. 짧은 게이팅 펄스를 구현하고 자체식별 회로(self-differencing circuit)를 최적화함으로써, 200MHz의 게이팅 주파수에서 6%의 오류 카운트 확률과 함께 29.3%의 검출 효율이 달성되었고, 고효율 및 저잡음의 빠른 NIR 단광자 검출의 길을 마련하였다.
비특허문헌 6 은 정현파적으로 게이트된 InGaAs/InP 아발란치 포토다이오드를 이용한 전기통신 파장에서의 1.5 GHz 단광자 검출을 발표한다. SPD는 정현파적으로 게이트된 InGaAs/InP APD에 기초한다. SPD의 게이트 반복 주파수는 1.5 GHz에 이르렀다. 6.3×10-7 의 게이트 당 다크 카운트 확률 및 2.8% 의 후방 펄스 확률과 함께 1550 nm 에서 10.8% 의 양자 효율이 획득되었다. 또한, 검출기의 최대 검출률은 20 MHz 이다.
비특허문헌 7 은 광자 계측 InGaAs 아발란치 포토다이오드의 멀티-기가헤르츠(multi-gigahertz) 동작을 발표한다. InGaAs/InP APD는 전기통신 파장에서의 효율적인 단광자 검출을 위해 2GHz에서 동작된다. 주파수 및 아암 평형(arm balancing) 모두에서 조율성을 갖는 자체식별 회로를 이용함으로써, 후방 펄스를 억제하기 위해 극도로 약한 아발란치들이 감지될 수 있다. 후방 펄스 확률은 23.5% 및 11.8% 의 광자 검출 효율에 대하여 각각 4.84% 및 1.42%의 특징을 갖는다. 장치는 섬유 파장 양자 키 분배를 위해 안전한 비트 레이트(bit rate)를 더욱 증가시킬 것이다.
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본 발명은 후방 펄스 잡음(after-pulse noise)를 감소시키기 위해 InGaAs/InP 아발란치 포토다이오드 (APD)에 기초하는 단광자 검출기(SPDs)에 대하여 해결책을 제공한다.
또한, 본 발명은 InGaAs/InP APD에 기초하는 SPD의 반복률을 끌어올리기 위한 해결책을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 트랩된 전하 캐리어들의 방출을 더욱 빠르게 만드는 동작 조건을 선택함으로써 상기의 목적이 성취될 수 있다. 본 발명은 NIR에서 단광자를 검출하는 APD, APD의 음극에 APD의 항복 전압 VBR 보다 낮은 역 DC 바이어스 전압을 인가하기 위한 바이어스 수단, 게이팅 시간 동안 APD의 항복 전압을 초과하도록 역 DC 바이어스 전압과 중첩하여 양극성 구형 게이팅 신호를 APD에 인가하고 그것을 가이거 모드에서 동작시키기 위한 게이팅 수단을 포함하는 단광자 검출 시스템을 제공한다.
구형 게이팅 신호로 동작되는 전통적인 InGaAs/InP APD들과 비교하여, 양극성 구형 게이팅 신호의 사용은 우리가 게이트-오프 시간동안 항복 전압보다 훨씬 낮게 APD를 동작시킬 수 있도록 하였다. 이러한 동작 모드는 게이트-오프 시간동안 APD에 걸친 전기장 강도를 감소시킬 수 있고, 그 후 트랩된 전하 캐리어들의 수명을 감소시키고, 따라서 그것들의 방출을 더욱 빠르게 만든다. 결과적으로, 이는 후방 펄스 확률을 감소시키고 SPD 속도를 증가시키는 것을 가능하게 한다.
개시된 예시적 실시예들의 상술되거나 다른 측면, 특성, 장점은 부수된 도면과 함께 기술된 다음의 자세한 설명으로부터 더욱 분명해질 것이다 :
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 APD를 이용하는 양극성 구형 게이팅 신호를 갖는 SPD의 도해이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간에 대한 양극성 구형 게이팅 신호의 도식적인 그래프이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극성 구형 게이팅 신호 생성기의 도식적인 그래프이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 신호 시간의 부펄스(negative pulse)의 가변(varied) 진폭과 함께 시간에 대한 양극성 구형 게이팅 신호의 도식적인 그래프이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 듀티 싸이클(duty cycle)을 갖는, 시간에 대한 양극성 구형 게이팅 신호의 도식적인 그래프이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 APD를 이용하는 양극성 구형 게이팅 신호를 갖는 SPD의 도해이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간에 대한 양극성 구형 게이팅 신호의 도식적인 그래프이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극성 구형 게이팅 신호 생성기의 도식적인 그래프이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 신호 시간의 부펄스(negative pulse)의 가변(varied) 진폭과 함께 시간에 대한 양극성 구형 게이팅 신호의 도식적인 그래프이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 듀티 싸이클(duty cycle)을 갖는, 시간에 대한 양극성 구형 게이팅 신호의 도식적인 그래프이다.
이하 예시적 실시예들이 나타내어진 부수된 도면을 참고하여 예시적 실시예들이 더욱 충분히 기술될 것이다. 그러나, 본 명세서는 많은 다른 형태에 포함될 수 있고 본 명세서에서 기술된 예시적 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 정확히 말하면, 이러한 예시적 실시예들은 본 발명이 철저하고 완전하도록 제공되었고, 해당 분야의 기술자에게 본 발명의 범위를 충분히 전달할 것이다. 명세서에서, 잘 알려진 특성 및 기술들의 세부사항은 제시된 실시예들을 불필요하게 불분명하게 하는 것을 피하기 위해 생략될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 오로지 특정 실시예들을 기술하기 위한 목적이고 본 명세서를 제한하기 위해 의도되지 않았다. 본 명세서에서 이용된 바와 같이, 단수 형태의 "하나의", "하나" 및 "상기(the)"는, 문맥이 명확하게 그렇지 않음을 표시하지 않는 한, 복수 형태 또한 포함하도록 의도되었다. 게다가, 하나, 하나의 등의 용어들의 사용은 양의 제한을 뜻하는 것이 아니고, 나타내어진 항목의 적어도 하나의 존재를 뜻한다. "제 1", "제 2" 및 이와 유사한 용어들의 사용은 어느 특정 순서를 암시하는 것이 아니고, 개개의 구성 요소를 식별하기 위해 포함되었다. 또한, 제 1, 제 2 등의 용어들의 사용은 어떠한 순서 또는 중요도를 뜻하지 않고, 제 1, 제 2 등의 용어들은 하나의 구성요소를 다른 것으로부터 구분하기 위해 사용되었다. 또한 "포함하다" 및/또는 "포함하는"의 용어들이 본 명세서에서 사용된 경우, 언급된 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 구성요소 및/또는 요소의 존재를 구체화하지만, 하나 이상의 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 구성요소, 요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 방지하지는 않는 것으로 이해될 것이다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 용어들(기술적 및 과학적 용어들을 포함)은 해당 분야의 하나의 통상의 기술자에 의해 흔히 이해되는 것과 같은 의미를 갖는다. 또한, 흔히 사용되는 사전에 정의된 것들과 같은 용어들은, 관련 분야 및 본 명세서의 문맥에서의 의미에 부합하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하고, 본 명세서에서 명시적으로 그러한 것으로 정의되지 않는 한 이상화되거나 지나치게 형식적인 선에서 해석되지 않을 것으로 이해된다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따라 APD를 이용하는, 양극성 구형 게이팅 신호(bipolar rectangular gating signal)를 갖는 SPD의 도해이다. 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간에 대한 양극성 구형 게이팅 신호의 도식적인 그래프이다. 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극성 구형 게이팅 신호 생성기의 도식적인 그래프이다.
도 1 은 본 발명의 예시적 일 실시예의 양극성 구형 게이팅 신호를 갖는 SPD의 도해를 나타낸다. 이것은 역 바이어스(reverse bias)로 구성된 InGaAs/InP APD(101) 및 저항(105)을 포함한다. 게이트 신호(102)는 양극성 구형 신호이다. DC 바이어스 전압(103)은 APD(101)의 항복 전압(VBR)보다 낮은 역 바이어스 전압이다. 게이트 신호(102)와 DC 바이어스 전압(103)을 중첩하기 위해 바이어스 티(Bias Tee)(104)를 이용함으로써, 바이어스 티(104)로부터의 결과 신호는 APD(101)의 입력 신호(106)이고, 그것은 게이트-온(gate-on) 시간동안 APD(101)의 VBR을 초과한다. 출력 신호(107)는 저항(106)에 걸친 전압 강하를 측정함으로써 검출될 수 있다.
도 2 는 시간의 함수로서 SPD의 입력 신호를 나타낸다. 입력 신호는 양극성 구형 전압 펄스의 주기적인 연속(series)이고, 이는 제 1 값(V0) 및 제 2 값(V1) 사이에서 변한다. 게이트-오프(gate-off) 시간동안 APD(101)의 접합에 걸친 전기장을 감소시키기 위해 전압 V0는 APD(101)의 항복 전압(VBR)보다 훨씬 낮게 선택된다. 전압 V1은 게이트-온 시간 동안 APD(101)의 항복 전압(VBR)을 초과하도록 선택된다. 이러한 입력 신호가 APD(101)에 인가된 경우, 검출기는 들어오는 광자를 감지할 수 있게 된다. 흡수된 광자는 APD 감지 구역에 전자-정공 쌍을 생성한다. APD의 다중화 영역 내의 높은 전기장 때문에, 생성된 전자-정공 쌍은 APD에 걸친 거시적이고 검출 가능한 전류 흐름을 야기하는 아발란치를 유발(trigger)할 수 있다. 거시적인 전류 펄스는 도 1 에 나타난 바와 같이 저항(105)에 걸친 전압 강하를 관찰함으로써 검출될 수 있다.
도 3 은 양극성 구형 게이팅 신호 생성기의 도식적 그래프를 나타낸다. 게이트 신호는 양극성 구형 전압 펄스들의 주기적인 연속이다. 디지털 딜레이 생성기(301)는 시스템의 시간 기반으로서 작동하고, 두 펄스 생성기의 트리거링(triggering) 신호 간의 시간 딜레이는 정펄스(positive pulse)의 하강 에지(falling edge)가 부펄스의 하강 에지와 일치하도록 설정되었다. 결합기(304)는 정펄스 및 부펄스 신호를 결합하기 위해 이용된다. 결합기로부터의 결과 신호는 양극성 구형 전압 펄스들의 주기적인 연속이다.
도 4 및 도 5 는 부펄스의 진폭 및 게이팅 신호의 듀티 싸이클을 변화시킬 때 양극성 구형 게이팅 신호의 대체적 버전(version)을 나타낸다. 실제로, 신호가 APD를 게이트-온 및 게이트-오프 시간 동안 APD의 항복 전압(VBR)보다 각각 높게 및 낮게 동작시키기 위한 충분한 스윙을 갖는 한 모든 주기적인 전압 신호로 SPD를 바이어스하는 것이 가능하다. 실은, 정 펄스의 진폭과 비교하여 부펄스의 진폭을 감소시킴으로써 게이트-오프 시간 동안 전기장을 감소시킬 수 있고, 그럼으로써 트랩된 전하 캐리어들의 방출을 강화시키기 때문에 이렇게 함으로써 후방 펄스는 더욱 억제될 수 있다. 게이팅 신호의 듀티 싸이클은 반복 주파수에 의존한다. 흔히, 다크 카운트 레이트(dark count rate) 및 후방 펄스 확률을 감소시키기 위해 게이트-온 시간은 수 나노초로 설정되고 주기의 남은 시간동안 게이트-오프 시간이 잇따른다. 게이팅 신호의 낮은 반복률과 함께, 게이트의 듀티 싸이클은 낮고 그것은 게이트 주파수를 증가시킬 때 증가하기 시작한다.
예시적 실시예들이 나타내어지고 기술되었지만, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 명세서의 본질과 범위를 벗어나지 않도록 형태 및 세부사항에서 다양한 변화가 형성될 수 있다는 것이 해당 분야의 기술자들에 의해 이해될 것이다.
추가로, 본 명세서의 본질적인 범위를 벗어나지 않는 범위에서 본 명세서의 사상에 특정 상황 또는 자료를 맞추기 위해 많은 변경이 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명을 실행하기 위해 고려된 최고의 모드로서 개시된 특정 예시적 실시예들에 본 발명이 제한되지 않고, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위에 포함되는 모든 실시예들을 포함하도록 의도되었다.
구형 게이팅 신호로 동작되는 전통적인 InGaAs/InP APD들과 비교하여, 양극성 구형 게이팅 신호의 사용은 우리가 게이트-오프 시간동안 항복 전압보다 훨씬 낮게 APD를 동작시킬 수 있도록 하였다. 이러한 동작 모드는 게이트-오프 시간동안 APD에 걸친 전기장 강도를 감소시킬 수 있고, 그 후 트랩된 전하 캐리어들의 수명을 감소시키고, 따라서 그것들의 방출을 더욱 빠르게 만든다. 결과적으로, 이는 후방 펄스 확률을 감소시키고 SPD 속도를 증가시키는 것을 가능하게 한다.
Claims (6)
- 근적외선(NIR)에서 단광자를 검출하기 위한, InGaAs/InP로 이루어진 아발란치 포토다이오드(APD);
상기 APD의 항복 전압보다 작은 역 DC 바이어스 전압을 상기 APD의 음극에 인가하기 위한 바이어스부;
양극성 구형 전압 펄스의 주기적인 연속(series)을 상기 APD에 인가하기 위한 게이트 신호 생성기;
상기 APD의 상기 항복 전압을 초과하도록 상기 APD에 인가하기 위해 상기 역 DC 바이어스 전압 및 상기 양극성 구형 전압 펄스의 주기적인 연속을 중첩시키기 위한 바이어스 티를 포함하되,
상기 양극성 구형 전압 펄스는 정펄스 및 부펄스를 포함하고,
상기 정펄스의 진폭은 상기 부펄스의 진폭보다 큰 것을 특징으로 하는, 단광자를 검출하는 단광자 검출기(SPD). - 제 1 항에 있어서,
상기 게이트 신호 생성기는 :
가변(varied) 진폭 및 폭을 갖는 정펄스(positive pulses)를 생성하기 위한 정펄스 생성기;
가변 진폭 및 폭을 갖는 부펄스(negative pulses)를 생성하기 위한 부펄스 생성기;
정펄스 생성기 및 부펄스 생성기 모두를 트리거(trigger)하고 생성된 정펄스의 하강 에지(falling edge)와 생성된 부펄스의 하강 에지가 일치하도록 상기 생성된 정펄스와 상기 생성된 부펄스 간의 딜레이를 설정하기 위한 디지털 딜레이 생성기;
결합기의 출력 신호가 양극성 구형 전압 펄스의 주기적인 연속이 되도록 상기 생성된 정펄스 및 상기 생성된 부펄스를 결합하는 상기 결합기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 단광자 검출기(SPD). - 제 1 항에 있어서,
상기 게이트 신호의 듀티 싸이클(duty cycle)이 가변적인 것을 특징으로 하는 단광자 검출기(SPD). - 제 2 항에 있어서,
상기 게이트 신호의 듀티 싸이클이 가변적인 것을 특징으로 하는 단광자 검출기(SPD). - 제 1 항에 있어서,
상기 게이트 신호의 진폭이 가변적인 것을 특징으로 하는 단광자 검출기(SPD). - 제 2 항에 있어서,
상기 게이트 신호의 진폭이 가변적인 것을 특징으로 하는 단광자 검출기(SPD).
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