Lavinske fotodiode kao detektori fotona Mario Stipčević 30.10.2008, Institut za fiziku

Fotoelektrični efekt u poluvodičima Fotoni koji prodru u poluvodič oslobađaju fotoelektrone Primjer: u zaporno polariziranoj diodi fotoni prodiru u poluvodič i guraju elekrone iz valentne u vodljivu vrpcu  struja poporcionalna jakosti svjetla

Poluvodički fotoelementi Fotodioda - spora PIN dioda - brza Lavinska fotodioda - brza i osjetljiva (pojačanje !) Načini spajanja fotodiode Fotootpornik Fototranzistor U elektronici još poznati fotootpornik (intrinzični poluvodič CdS) i fototranzistor. Uporaba uglavnom u "trash" aplikacijama (IC daljinski upravljači, vrtni zaljevači, "pametne" svjetiljke, garažni senzori i rampe, dječije igračke...)

Foto dioda Struja proporcionalna upadnoj snazi svjetla Inverzni napon: tip. 5-10V Tipični spektar: 320-1000nm Tipična osjetljivost: 0.01 - 0.25 A/W Tipičan kapacitet: 20 - 10000 pF Bandwith: 0.05 - 1 MHz

PIN dioda Struja proporcionalna upadnoj snazi svjetla Inverzni napon: tip. 5-20V Tipični spektar: 320-1000nm Tipična osjetljivost: 0.25 A/W Tipičan kapacitet: 0.5 - 50 pF Bandwith: 0.05 - 2000 MHz

Lavinska fotodioda (APD) Struja proporcionalna upadnoj snazi svjetla Promjer: 0.03-5mm Inverzni napon: tip. 100-400V Tipični spektar: 400-1000nm Tipična osjetljivost: 100 - A/W Tipičan kapacitet: 0.2 - 200 pF Bandwith: 0.5 - 1000 MHz

Lavinske fotodiode APD i SPAD APD SPAD Pojačanje raste vrlo naglo s radnim naponom Avalanche PhotoDiode Single-Photon Avalanche Diode Bias: malo ISPOD VBR Analogni režim: POJAČALO Pojačanje: 10-200 (typ. 100) Bias: IZNAD VBR Geigerov režim: ima/nema OKIDAČ Pojačanje 105 - 108

Single Photon APD = SPAD SPAD je APD koja može stabilno raditi u Geigerovom načinu. Može se se koristi kao brojač fotona. Za rad u režimu brojača fotona, APD mora nužno zadovoljiti dodatne uvjete radi izbjegavanja lokalnog breakdowna breakdown na rubovima  tzv. guard-ring mikroplazma  uniformna površina, bez precipitata itd. Na tržištu ima vrlo mali broj APD-ova koji mogu raditi u SPAD načinu rada. Npr HAMAMATSU ne proizvodi ni jedan tip. Proizvođač SPAD: PerkinElmer, IdQuantique, PicoQuant, Photonique

Dvije tipične građe SPAD-ova Debela Si SPAD Tanka Si SPAD Planarna struktura Tipična veličina aktivnog dijela: 20 m dijametar 1 m debljine "Reach-Trough" struktura Veličina aktivnog dijela: 80-500 m dijametar 30 m debljine Spektralni odziv takih je max. u zelenom, debelih ide do 1100 nm!

Photon Timing - vremensko razlučivanje nailaska fotona Koristi se: kao trigger, mjerenje udaljenosti, vremenski razlučiva spektroskopija, generiranje slučajnih brojeva itd. Lutanje fotoelektrona u području sa slabim poljem uzrokuje "difuzijski rep" odnosno smanjenu vremensku rezoluciju Dade se smanjiti boljom geometrijom, tzv. "dual-junction epitaxial"

Photon Timing (single shot) Mjerenje pikosekundnim laserom: 2DETEKTOR = 2MEAS - 2LASER

Afterpulsing Nakon lavine potrebno je neutralizirati sve nositelje (do jednoga !) No nečistoće ili defekti rešetke mogu "zarobiti" (trap) nositelja na dulje vrijeme (~μs) Otpuštanje nositelja u kasnijem trenutku i pojava lavine koja nije vezana s nailaskom fotona nazivamo afterpulsing višak iznad dark counts autokorelacija niska temperatura pojačava efekt ! za SPAD tipično 0.5-3%  ~ 0.5 μs

Usporedba tankih i debelih SPAD "tanka" SPAD "debela" SPAD Dobra Q.E. i nizak šum Pojačanje ~106 c/pe Pikosekundni timing Niski napon : 15 - 50V Mala disipacija : hlađenje nepotrebno Standardni Si supstrat Standardni planarni proces Upotrebljiv u multipikselnoj arhitekturi i integriranim krugovima (IC) Odlična Q.E. and nizak šum Pojačanje: 108 c/pe Sub-nanosekundni timing Visok napon : 200 to 300V Velika disipacija : potrebno hlađenje (Peltier) Ultra-čisti visoko-otporni Si supstrat Dedicirani proces proizvodnje Nije kompatibilan s multipikselnom arh. i integriranim krugovima (IC)

Q.E. i D.E. Većina proizvođača "lukavo" navodi kvantnu efkasnost detektora (spektar ili peak), jer je Q.E. > D.E. ! Kvantna efikasnost Efikasnost detekcije SPAD: C30902S PerkinElmer Debele SPAD u pravilu imaju bolju Q.E. i širi spektar

Dobivanje signala iz SPAD Kad se foton konvertira u SPAD javlja se lavina koja odvodi diodu u vodljivo stanje koje traje sve dotle dok se struja ili radni napon ne smanje ispod nekog kritičnog nivoa (I < ILATCH, V < VBR). Pogodi li SPAD u kratkom vremenu (1ns) jedan ili 100 fotona svejedno je - rezultat je samo jedan "puls" (lavina) To je ekvivalentno načinu rada Geigerove cijevi, a način spajanja SPAD je identičan. Razlikujemo PASIVNO i AKTIVNO gašenje lavine

PASIVNO gašenje: veliki otpor RL u seriji s APD ruši radni napon i osigurava da struja ne prelazi ILATCH Jednostavan sklop, ali: Maksimalna frekvencija brojanja limitirana na 100 kcps Veliki pileup (korelacije) struja kroz APD napon na APD-u

Komplicirani aktivni sklop, ali: AKTIVNO gašenje: Komplicirani aktivni sklop, ali: Maksimalna frekvencija brojanja preko 10 Mcps Malo i dobro definirano mrtvo vrijeme (pulse pair resolution 30-70ns) Standardni logički puls na izlazu VOUT, 10ns/div

Tvornički detektori fotona Samo je nekoliko proizvođača, vrlo visoke cijene. PerkinElmer (USA, Ca, navodno dio NASA-e), SPCM-AQRH (VIS-NIR) Tehnologija: Reach-through (debela) Si SPAD Promjer aktivnog dijela: 175 μm Napajanje modula: 5V, 1A max Efikasnost detekcije (D.E.): 65% @ 650nm (peak) Timing jitter: 300/500ps FWHM fokus/defokus Dark counts: 25 - 1500 cps u 8 gradacija Dead time: 50ns Cijena: 3800-9700 USD (ovisi o dark counts)

2. IdQuantique (Švicarska), model id100 (VIS) Tehnologija: Tanka Si SPAD Promjer aktivnog dijela: 20μm / 50μm Napajanje modula: 6V, 1A max Efikasnost detekcije (D.E.): 35% @ 500nm (peak) Timing jitter / dead time: 40ps FWHM / 45ns Dark counts: 40-300cps Cijena: 2700 EUR

3. PicoQuant (Njemačka), model PDM50 (VIS-NIR) Tehnologija: Tanka Si SPAD Promjer aktivnog dijela: 50μm Afterpulse probability: 0.5% Efikasnost detekcije (D.E.): 47% @ 532nm (peak) Timing jitter / dead time: 50ps FWHM / 70ns Dark counts: 75cps Cijena: 3210 EUR

Ezoterija - NIR InGaAs detektor 4. IdQuantique (Švicarska), model id201 (NIR) Ulaz je FC konektor za optičku nit (fiber optic). Gated način rada. Mikroprocesorski uređaj s LCD ekranom. Napajanje modula: 100-220VAC Efikasnost detekcije (D.E.): 10-25% adjustable @ 1550nm Timing jitter: 300-800ps FWHM Dark counts: 4 x 10-4 / ns gate Cijena: 12-15 kEUR

Ezoterija - Superconducting Single Photon Detector (SSPD) 2 Ezoterija - Superconducting Single Photon Detector (SSPD) Otpor se mijenja kao funkcija broja upadnih fotona Sastoji se od supravodljivih nanožičica Materijal: NbN @3K Istražuje se: YBa2Cu3O7-x@77k - Nema komercijalnog prototipa - Osjetljivost na telekom valnim duljinama (1550nm) Jitter: 50ps Q.E. bolja od InGaAs ! arXiv:0807.2320v1 [quant-ph]

Home-made SPAD (IRB) SPAD C30902S od PerkinElmer TE cooler (Peltier) T=-12..-14 oC Dark counts: 100-300cps Home-made quenching circuit Dead time: 40ns D.E.: 15% @810nm Counting: 14 Mcps max Cijena materijala: cca 550 EUR

Mjerenje efikasnosti detektora Koristimo efekt spontaneous parametric downconversion koji se javlja u nelinearnim kristalima, kao BBO

U kristalu BBO, ljubičasti foton cijepa se na par infracrvenih fotona. Parovi fotona mogu se iskoristiti za mjerenje apsolutne efikasnosti detektora fotona, prema donjoj shemi. D.E.(D2) = CNT2 / CNT1

Usporedba SPAD i fotomultiplikatora Fotomultiplkatorska cijev (Photo Multiplier Tube, PMT, PM) PMT analogni ili photon counting, pojačanje: ~106 APD u analognom režimu pojačanje:  200 SPAD u Geigerovom režimu pojačanje: ~108 PMT može, SPAD ne može razlučiti 1, 2, 3, .. n fotona, ali...SSPM ! PMT Photon Counting Module DM0016C Sens-Tech, UK Cijena:1200EUR

PMT SPAD Izlaganje normalnoj jačini svjetla FATALNO Nakon izlaganja svjetlu 3-24 sata u mraku smirivanje šuma Spektar UV-550nm Nema gašenja lavine pa ne treba povratna sprega  bolje mtrvo vrijeme Dugo vrijeme od fotona do signala (25-40ns) IMUNA na izlaganje svjetlu Nakon izlaganja jakom svjetlu šum se NE MIJENJA Spektar 400-1100nm Gašenje lavine nužno  komplicirana elektronika i dead time Kratko vrijeme od fotona do signala (5-15ns) ("loophole free" Bell ineq. test)

SPAD i SSPM Obično pod SPAD mislimo na JEDNOPIKSELNU diodu SSPM je MULTIPIXELNA SPAD, zapravo mnogo SPAD-ova povezanih paralelno u dvodimenzionalnu matricu. SPADovi su minijaturni (20x20μm typ.) i svaki se gasi pasivno (brzo !) Svi se pikseli čitaju istovremeno i njihovi se signal (struje) zbrajaju. Dakle, više fotona  više signala  linearni odziv ! Problem: preslušavanje piksela. SSPM nije kamera !

SSPM Proizvođač: Photonique SA (Švicarska), model SSPM-050701GR SSPM pokušava kombinirati dobre strane PM i SPAD Razlučivanje broja fotona bolje nego kod PMT ! Pojačanje: 106 Dead time: 2ns Spektar: VIS Cijena:150 EUR

Lasersko mjerenje udaljenosti Si SPAD korišten je za mjerenje velikih udaljenosti Broj odbijenih fotona 0.001 do 1000 po pulsu Princip rada: pulsni optički radar Preciznost: 1 .. 3 mm Domet mjerenja: 0 – 30.000 km

Spektro-fotometrija Detekcija vrlo niskih razina fluorescencije kao funkcije valne duljine, u prisustvu velike smetnje, npr. dnevnog svjetla Precizne analitičke metode U stomatologiji za rano neinvazivno otkrivanje karijesa (naročito kod djece) Brojači fotona postižu mnogo bolji odnos signal/šum od analognih detektora

Vremenski razlučena spektroskopija i mikroskopija Usporedba detektora Vremenski korelirano brojanje fotona Visoka razlučivost: 50 ps FWHM Dobra kvantna efik. Široki spektar valnih duljina Otpornost na danje svjetlo Analitičke metode u kemiji i biomedicini, detekcija virusa, brzo sekvenciranje DNA, studiranje dinamike procesa u stanici...

Detekcija pojedinačnih molekula Laserski Inducirana Flourescencija LIF Laser pobuđuje molekule u kapilari Pojedinačne molekule se detektiraju prema vremenskom profilu njihove flourescencije u volumenu ~1nl i vremenu ~1ms Primjena: brzo sekvenciranje DNA, ..... Rhodaminska boja dye 10E-6 mol/l 25 ns window flow

Kvantna kriptografija Potpuno sigurna komunikacija Najmanje 4 detektora fotona u prijemu Traži se što bolja QE Kvantni generator slučajnih brojeva u predajnom dijelu Postoji komercijalni uređaj, cijena ~100 kEUR Prijemni dio (Bob)

Kvantni generator slučajnih brojeva s USB2.0 priključkom Nedeterministički slučajni binarni brojevi (bitovi) Prolazi sve statističke testove Kripografija, kvantna kriptografija, računalne simulacije, elektroničke igre na sreću... Ugrađen u CRO GRID u okviru inovatovnog softverskog servisa za numeričke simulacije

Ostale primjene Informatičko- komunikacijska tehnologija Istraživanja u kvantnoj informatici (kvantna kriptografija, kvantna računala) Nove mjerne metode atomske i molekularne fizike, kemije i mikrobiologije Astronomska istraživanja Praćenje atmosferskih zagađenja i oblaka Bakteriološka kontrola prehrambenih namirnica Monitoring prašine u “čistim prostorijama” u medicini i proizv. čipova OTDR metoda određivanja napuklina u komunikacijskim svjetlovodima

Rezime: rodoslovno stablo APD-ova Poluvodički fotoelementi Fotodiode Fotodiode bez pojačanja Fotodiode lavinske APD SPAD SSPM KRAJ Ovo istraživanje je bilo omogućeno sredstvima: Projekt HIT TEST "Detektor fotona", ugovor od 13.11.2007 Istraživački projekt MZOŠ "Eksperimenti kvantne komunikacije i kvantne informacije", ug.br. 098-0352851-2873