时间分辨率和时间走在超低K因子单光子雪崩diode-measurement和优化

时间分辨率(或定时抖动)和时间走单独的参数与探测器的响应时间。主要研究各种单光子探测器的时间分辨率。的设计师和制造商超低噪音(ƙ-factor)硅雪崩光电二极管超级低导热系数(潮浦)单光子雪崩二极管(SPAD),用于许多单光子计数的应用程序时,我们经常会向客户更好地了解这个探测器在不同操作条件下的行为。bob投注体育信赖吗因此,在这里,我们将重点研究这些专门为SLiK SPAD与时间相关的参数,来为用户提供最直接的信息,这个探测器来帮助其使用更有效的和有效的。我们将提供研究数据对这些参数会受到温度的影响(包括内在探测器芯片和环境输入基于操作条件),操作电压,光子波长以及光斑大小。如何优化这些参数和权衡优化所需的性能将?

单光子计数技术已经明显在过去的三十年里增长。在早期,单光子计数主要是实验和使用在许多科学研究领域,如关联能谱法、单分子检测和超低荧光检测。最近的研究在激光雷达成像和量子通信也采用这种技术。1,自那以后,它已转移到许多主流商业应用,如粒子大小、大气气溶胶激光雷达,蛋白质分子分析在药物开发和超分辨bob投注体育信赖吗率显微镜。

单光子计数技术的基础了在利用一个超低噪音高单光子探测器探测效率(PDE)。这样一个探测器是超级低导热系数(潮浦)硅单光子雪崩二极管(SPAD)。这个SPAD有一个活跃的区域直径180μm,用来构建一个最知名的单光子计数模块(SPCM) SPCM-AQRH2系列。它可以检测从单一到几百万光子每秒,给探测器模块高动态范围。它有非常低的暗噪声,< 10项∕年代虽然高单一PDE尤其是在550 - 1000 nm波长范围。虽然在许多光子计算这些特征是非常可取的应用程序中,探测器的其他参数,如时间分辨率(TR)或时间抖动,和时间行走,一直在追求一些更高级的技术,如高分辨bob投注体育信赖吗率光学断层扫描、激光雷达、荧光寿命测量单分子研究和生活细胞的显微镜。

TR和时间走两个要素随着时间的精度测量光子相关输出信号触发。

时间分辨率的统计不确定性或定时误差发生当一个试图衡量颞SPCM的输出信号的开始。如果该决议是零,每一个输出脉冲会发生在同一时间从原来的光子雪崩光电二极管的触发事件。然而,由于雪崩的变化过程,以及电子产品中的微妙的影响,总有变化时,输出脉冲发生。这个错误是TR或定时抖动。也是一个波长的函数和SPAD的位置,首先发起的雪崩击穿的地方。

在测量方面,时间分辨率是多个重复测量的脉冲SPAD每次光子检测到事件。时间数据绘制在一个统计曲线,半宽度的计算(应用)。4图1说明了TR的定义。

时间走的时间变化的输出脉冲SPCM模块和主要是由于雪崩二极管的影响自热在高计数率和在较小程度上,在SPAD电子。实际上,输出脉冲的峰值是转移时间随着计数率的增加。图2说明了时间走的定义。

二极管self-heating-at高计数率、热电动冷却器(TEC)不能撤离产生的热量SPAD足够快的速度和温度梯度之间会发生SPAD和温度监测电路。SPAD温度将小幅升值导致击穿电压上升一点。因此,这将影响SPAD性能和降解时间的性能。

许多研究已经完成SPCM由用户模块包括研究TR和时间走路。随着潮浦SPAD从来没有商业SPCM-AQRH模块分开出售,有兴趣了解SPAD时机的基本特征。

实验设置测量TR图3所示。默认的测量是在825海里。测量也已在440年和637海里。使用的光源是脉冲激光二极管的LDH系列从Picoquant头,耦合到多模光纤与100 - 140 -μmμm核心直径和包层。激光二极管是由PDL800-B单通道激光驱动激光二极管来自同一制造商。激光二极管驱动在2.5 mhz脉搏,∼1%的时间由SPAD单个光子被检测到。

随着激光强度太高的单光子探测,从光纤激光器的输出是减少一个光子的概率显著的减毒SPAD约1 100年激光脉冲。俄斐ND3衰减器是用于大多数的实验

500 -μm针孔直径是衰减器将光引入50∶50分束器,在一半的光子反射回CCD相机对焦点和探测器活跃区域扫描位置对齐,而另一半的光子通过显微镜镜头的目的传输到SLiK SPAD。SPAD上的光斑直径是10μm。SPAD的活跃区域的扫描测量每一个点是在20μm步骤完成完整的活动区域表面。SLiK发表组装在一个活跃的淬火电路用于测试的标准SPCM-AQRH系列

对于精确的定时测量,这是至关重要的正确同步激光器和探测器。同步激光信号SPAD输出,一个惠普B1101A脉冲发生器,函数作为一个可编程延迟是编程脉冲发生器的“开始”与“同步”同步激光驱动器的输出。单光子计数探测器的输出然后引导Ortec 566 time-to-amplitude转换器(TAC),这是调整50纳秒的时间范围。TAC的输出是美联储926年Ortec模拟-数字转换器,后跟一个多道分析器(MCA)统计数据收集和解释。

本文的实验数据都是使用标准的825 nm脉冲激光器应用80 ps,除非另有注明。这里给出的数据是基于18标准SLiK发表。为了测试SLiK发表,他们安装到一个标准Excelitas SPCM-AQRH系列单光子计数模块。因此,测量结果包括TR SPCM模块的电子产品以及SPAD TR。

激光的脉冲宽度也有助于测量的应用。然而,这并不是内在SPAD和外部因素,补偿,以获得最终的TR的结果。是成平方的激光脉冲的半最大值宽度减去所有数据峰值MCA的半最大值宽度的测量:

TRM是总测量时间分辨率,实验室是总时间分辨率的激光源,并从SPCM TRD是净时间分辨率模块。

测试条件是在所谓“饥饿模式”,这样TR给出单光子。TR测量的准确性显著降低如果设置允许超过每脉冲光子。这样做是为了单独模块的时间抖动电子与SPAD本身。如果SPAD的计数率高(> 1兆赫)的TR SPAD本质上是减少到0,一个最终测量电子的TR。对于这个SPCM模型,电子定时抖动(Tr)大约是30 ps。所以,结合200年到350年的总体模块Tr ps(包括SPAD),电子的贡献很小。大部分的TR是由于SPAD雪崩过程的不确定性。

TR主要是电场的函数中生成SPAD,因此,是一个函数的击穿电压(Vbd)和偏置电压(Vop)。SLiK SPAD超级低ƙadp(ƙ0.002∼)意义电离电子电离洞的比例是非常大的,主要是电子,导致雪崩传播通过字段下的结,产生更多的电子空穴对的碰撞释放雪崩。的速度和电子加速通过路口会影响SPAD TR。同时,SLiK SPAD有厚结比许多其他类型的发表和加上一个更大的有效面积意味着它有一个更高的一家,比其他类型的SPAD Vop。参见图4这个SPAD的结构。这给SLiK高PDE的优势,特别是在长波长。

由于TR击穿电压的函数,Vbd,和操作电压,Vop(由两者的区别是多余的或过电压:ΔV¼Vop−Vbd),可能影响Vbr业务或任何参数ΔV会影响TR。

TR测量被定义为一个光子。光斑大小是10-μm直径,集中在活跃区域。测试是通过扫描完整的探测器有效面积20-μm步骤全扫描映射的时间测量。激光在2.5 MHz。

数据积累时间是5 s在每个20-μm点位置在整个全扫描整个探测器有效面积。SPAD是50 KHz的计数率。

的平均应用18探测器392 ps,标准差为57 ps。这些18发表的击穿电压范围从280到362 V。

TR往往会降低在更短的波长(即。相比,400海里)长波长(> 600海里)。光子的吸收在最初几个数百纳米的乘法地区是主要的贡献者SPAD TR。更短的波长的光子不渗透到硅很远。当雪崩了,他们的父亲去旅行,有更多的不确定性在雪崩路径中。在低场地区紫外线吸收,漂移速度慢。雪崩需要更长的时间来完成(图5)。

TR迅速降解为光子撞击探测器的中心。光子聚集远离高场地区正以较慢的速度加快,这是一个更大的传播在TR。这也可能因为统一性的SPAD通常更好的对芯片的中心,因此拥有一个更加统一的高场地区,电子加速以同样的速度(图6)。

大的光斑大小比小光斑大小慢TR。这通常是由于SPAD的不均匀性。所以,如果一个光子对SPAD在同一个小区(小光斑大小),响应时间将类似这样的短TR。

如果一个光子撞击SPAD在不同的区域更大的光斑大小,高场地区的轻微差异,响应时间可能会有所不同,从而导致一个更广泛的测量中传播的半最大值宽度。

在这种情况下,只有10 -和50-μm光斑直径大小用于实验。对于完美统一的设备,扫描光斑大小不会产生很大的差别在TR。在现实中,没有这样完美的一致性在这种类型的SPAD设备;因此总会有TR光斑大小增加时慢。

图6 (a)的例子在SLiK TR扫描数据有效面积;(b) TR和光斑位置模块D;和(c) TR与光斑位置模块F。

所有18个模块已经使用两种现货尺寸测量。这里是5的18的比较数据模块测量(表1)。

电压之间的差异和上面的电压击穿电压SPAD操作在盖革模式称为多余的电压或脉冲电压(ΔV或dV)。TRΔV增加会提高。更高的工作电压驱动电子更快以及更电子通过电场。然而,发表击穿电压较低的倾向于给TR比发表较高的击穿电压给定ΔV以来,SPAD的击穿电压较低会有更强的电场,这有助于推动电子通过更快ΔV相同。

例如,对于一个SPAD Vbr约350 V和操作在20 VΔV, TR约350 ps,而在ΔV 35 V,相同的设备可能TR 250 ps。然而,对于SPAD Vbr业务的约250湖ΔV 20 V, TR可能约300 ps和ΔV 35 V, TR可能约200 ps或更低。

ΔV较高,但SPAD同样低TR的面积增加。换句话说,TR变得更加均匀低跨SPAD的活跃区域。因此,在更高ΔV, SPAD变得统一整个活动区域在改进TR和PDE(图7)。

TR变化很少的情况下温度的变化在低计数率(即。,50 Kc∕年代)。这是因为在低计数率,SPAD低自动加热,温度准确维护一下,安装在TEC,即使温度变化的情况。

时间走了,另一方面,明显改变的情况下温度变化甚至在低计数率。随着温度变化情况下,电路电子将创建时间抖动,将取代SPAD常数TR在TE冷却温度的改变输出脉冲的峰值。

随着计数率的增加,脉冲的峰值位置的变化,创建时间走路。大部分时间是由走SPAD芯片的自动加热由于计数率的增加和一小部分是由于电器让称为仪器响应函数。模拟时间走潮浦模块的增加计数率见图8。一个实际的测量样本无花果。9 - 11所示。

时间分辨率和走路是重要的参数使用timecorrelated任何应用程序单光子计数技术。bob投注体育信赖吗这样的例子包括荧光寿命测量,荧光寿命成像、光学断层扫描或激光雷达成像等的理解贡献因素TR和时间走路,就能很容易地监视和选择一个可以进行定制的SPAD更好满足时间要求。

然而,优化时间和TR走SLiK SPAD附带一些权衡。例如,通过增加ΔV SPAD的暗计数(DC)会增加,TR将会改善。增加计数率来获得更多的决议或更好的系统数据会恶化TR和补偿与冷却adp进一步为了降低TR,会有增加的风险寄生脉冲(美联社)。

表2列出了一些主要的参数SPCM在他们如何改变优化TR (TR)和时间(Tw)走。

如上述所示汇总表,得到一个改进Tr和Tw意味着将会有一些权衡其他SPAD性能。例如,通过增加获得更好的Tr的dV,美联社的直流SPAD将恶化,将会有一个提高近红外光谱PDE在同一时间。这将是非常有用的应用程序,如激光雷达使用近红外光源,由于信bob投注体育信赖吗号将强大的直流SPAD并不重要,但是有更好的NIR PDE将帮助。但如果激光雷达在绿色波长,例如,它可能是更好的考虑低击穿电压SPAD因为这不会影响近红外光谱PDE以外的大部分性能标准,这并不重要。

测量时间和SLiK SPAD TR的走了。一些SPAD时机的特点提出了对几个影响因素,如波长、光斑大小、光斑的位置,操作电压,计数率和温度限制的方式。这不是充分的描述时间和TR行走SLiK,但它允许充分意识的优化和选择SLiKbased SPCM模块TR有必要的地方。