Телефон
+8618355559897
Адрес
провинция Аньхой, Хэфэй, уезд Фэйси, проспект Фухуа, промышленная площадь Гунтоу Лихэн, корпус D1, 13 этаж
- Главная
- О нас
-
Продукция
- TDC TCSPC
- Кристалл с преобразованием параметров
- Холодные атомы модулятор для оптических измерений
- Детектор одиночных фотонов счетчик
- Источник запутанных состояний источник одиночных фотонов
- Холодные атомы модулятор для оптических измерений
- Система для учебных опытов по квантовой оптике
- Система управления квантовым вычислением
- Полупроводниковый лазер с внешней полостью
- Система стабилизированных по частоте лазеров
- Управление стабилизацией частоты Ссылка на частоту
- Квантовый генератор случайных чисел
- Новости
- Контакты
Обзор: прогресс в технологии упаковки детекторов одиночных фотонов InGaAs
Анализ патентного ландшафта SPAD 2023
Детекторы одиночных фотонов InGaAs широко используются в лазерной трехмерной визуализации, высокоскоростной цифровой связи на большие расстояния, оптической связи в свободном пространстве и квантовой связи. Для устройств с единичными, линейными массивами и массивами небольшой площади были разработаны различные формы упаковки, такие как коаксиальная упаковка, упаковка «бабочка» и упаковка с решеткой штырей.
По данным Mams Consulting, группа, состоящая из исследователей из Шанхайского университета науки и технологий и Шанхайского института технической физики Китайской академии наук, опубликовала статью на тему « Прогресс в технологии упаковки однофотонных детекторов InGaAs». журнал «Прогресс в лазерах и оптоэлектронике » В этой статье обсуждается влияние температуры на характеристики однофотонных устройств InGaAs и метод контроля температуры компонентов. Систематически сравниваются и анализируются методы высокоточного соединения оптических компонентов, таких как микролинзы, линзы, оптические волокна и т. д. и чипы. Для вывода высокочастотного сигнала в нем обобщаются такие вопросы, как тип вывода, метод проводки и конструкция конструкции упаковки, а также исследуются тенденции развития детекторов одиночных фотонов InGaAs.
Прогресс в масштабировании массива детекторов одиночных фотонов InGaAs и распространенные формы упаковки
Рисунок 1. Основной прогресс в масштабировании матриц детекторов одиночных фотонов InGaAs в стране и за рубежом.
Лаборатория Линкольна Массачусетского технологического института в США первой занялась разработкой и компоновкой однофотонных детекторов InGaAs и всегда была лидером в отрасли. От первоначального массива 4 × 4, 32 × 32, 64 × 64 до массива с площадями 256 × 256 в последние годы возможности проектирования его микросхем постепенно развивались от мелкомасштабных массивов к средне- и крупномасштабным массивам. Компания Princeton Lightwave в США также провела углубленное исследование в этой работе. 100 микрон в трехмерной системе визуализации LADAR (лазерный радар). ); в 2014 году для дальнейшего удовлетворения требований применения трехмерной системы визуализации LADA R они разработали 128 × 32 Gm-APD (режим Гейгера) Avalanche Photodiode), обеспечивающий 100% традиционную пиксельную работоспособность и баланс производительности. В 2019 году немецкий Институт прикладной физики твердого тела им. Фраунгофера разработал матрицу InGaAs APD в фокальной плоскости размером 640 × 512 с шагом пикселя 15 микрон и применил ее к SWIR (коротковолновой инфракрасной) камере. Другие зарубежные организации, такие как JDS Uniphase в США, Excelatas (ранее Perkinelmer) в Канаде и Hamamatsu Photonics в Японии, провели исследования и разработали относительно зрелые продукты.
Соответствующие формы упаковки детекторов одиночных фотонов InGaAs в основном включают коаксиальную упаковку, двойную линейную упаковку, упаковку с решеткой штырей и упаковку типа «бабочка». На рисунке 2 показаны типичные формы упаковки некоторых продуктов, из которых (a) и (b) являются продуктами APD Принстона; (c) представляет собой массив APD размером 128 x 32, используемый лабораторией Массачусетского технологического института в 2009 году для проверки надежности упаковки.
Рисунок 2. Типичные формы упаковки детекторов одиночных фотонов InGaAs: (а) коаксиальная упаковка; (б) двойная линейная упаковка; (в) упаковка с решетчатой решеткой.
В 2016 году Харбинский технологический институт (HIT) разработал экспериментальную платформу для лазерной визуализации на основе 32 × 32 InGaAs Gm-APD, реализующую функцию активной визуализации лазеров внешнего поля. В 2018 году Юго-Западный институт технической физики (Институт Ordnance 209) успешно разработал 64 × 64 Si SPAD (однофотонные лавинные диоды) и 32 × 32 InGaAs SPAD, а также устройства SPAD с массивной матрицей большего размера и применил их в беспилотных лазерных радарах. лазерная локация и квантовая связь. В 2022 году Институт полупроводников (Институт полупроводников) Китайской академии наук разработал матрицу однофотонных лавинных диодов InGaAs/InP размером 64 × 64 для лидарной системы трехмерного изображения с длиной волны 1550 нм. Шаг пикселей составляет 25 микрон. и 150 микрон соответственно при длине волны 1550 нм.Он имеет высокую эффективность обнаружения одиночных фотонов 25,72% на длине волны. В 2022 году 44-й научно-исследовательский институт корпорации China Electronics Technology Group Corporation (Институт 44) создал модель теоретического анализа и соответствующее оборудование для обработки изображений на основе матриц InGaAs APD в фокальной плоскости 64 × 64 и 64 × 256, а также провел визуализацию однофотонной матрицы. и экспериментирование. В 2022 году Шанхайский институт технической физики Китайской академии наук (SITP) разработал однофотонный лидар для 3D-изображения на основе Gm-APD 64 × 64 с шагом пикселя 50 микрон и способный работать в короткие сроки. эффективность визуализации за время сбора данных. Другие отечественные исследовательские подразделения, такие как Куньминский институт физики, также провели углубленные исследования по разработке детекторов одиночных фотонов InGaAs.
Факторы, влияющие на упаковку
Влияние температуры
Коэффициент усиления ЛФД тесно связан с величиной управляющего напряжения обратного смещения и его температурой. Чем выше температура, тем больше напряжение перегрузки, тем больше коэффициент усиления по току, тем выше чувствительность измерения, но в то же время тем выше скорость темнового счета (темновая скорость счета относится к счету, формируемому лавинным током, запускаемым темновой ток при определенной температуре).Вероятность). Исследования показывают, что для детекторов одиночных фотонов InGaAs понижение температуры приведет к значительному снижению темновой скорости счета устройства, и это изменение показано на рисунке 3 (а).
Ао Тяньхун и др. исследовали влияние температуры на устройство InGaAs SPAD, внесли в него структурные улучшения и разработали устройство InGaAs SPAD с диаметром светочувствительной поверхности 70 микрон. Они также проверили скорость темнового счета устройства SPAD под различные рабочие смещения в результате экспериментов.Кривая зависимости между DCR и энергией активации показана на рисунке 3(b). Чем больше энергия активации, тем больше влияние температуры на темновой счет прибора SPAD.
Рисунок 3. Кривая испытания темнового тока ЛФД: (а) взаимосвязь между скоростью темнового счета и температурой (б) взаимосвязь между DCR и энергией активации устройства InGaAs SPAD
Рисунок 4. Эквивалентная схема держателя чипа и трубки: (a) Схема замещения чипа; (b) Эквивалентная схема держателя трубки TO
Влияние частоты
Детекторы одиночных фотонов InGaAs обычно работают на высоких частотах. Из классической теории электромагнитного поля известно, что когда частота проводимого сигнала достигает определенного уровня (обычно выше 677 МГц), провода и дискретные компоненты должны проектироваться с использованием распределенных параметров. Сюй Гуанхуэй разработал эквивалентные модели схем чипа и основания трубки на основе корпуса коаксиального корпуса, как показано на рисунке 4. На рисунке источник питания I op H эквивалентен микросхеме APD, R p и C p — последовательные резисторы и параллельные конденсаторы соответственно, L B1 и L B 2 — индукторы из золотой проволоки, а комбинация конденсаторов и индукторов эквивалентна. к трубчатому основанию.
Укорачивание длины золотого провода уменьшит индуктивность золотого провода.При работе на высоких частотах золотой провод не может быть слишком длинным, но существует оптимальное значение, которое должно соответствовать чипу ЛФД и держателю трубки. Когда скорость передачи ограничена золотыми проводами, на выходном конце можно использовать высокочастотные линии передачи, чтобы заменить связывающие золотые провода и завершить межсоединение выводов. В качестве высокочастотной линии передачи ее показатели эффективности в основном включают следующие факторы: электромагнитное воздействие, перекрестные помехи, скорость передачи, контроль допуска импеданса, потери и полосу частот и т. д. Формы его реализации в основном включают микрополосковые линии, многослойные керамические межсоединения, копланарные волноводные структуры, коаксиальные разъемы и т. д. Более длинные выводы будут создавать внешние электромагнитные помехи, а распределенная индуктивность и длина выводов приведут к увеличению задержек гашения, что затруднит устранение всплесков шума. Лю Цзюньлян и другие разработали интегрированный холодильный агрегат, предназначенный для активного охлаждения, как показано ниже на рисунке 5. Он содержит двухступенчатый ТЭП, а печатную плату, оснащенную балансировочными конденсаторами и другими компонентами, упаковывают в трубчатую оболочку вместе со SPAD. . Такая структура позволяет схеме SPAD и балансировочному конденсатору использовать одинаковые параметры электромагнитной среды и распределения, а шум, генерируемый ими, легче устранить.
Рисунок 4. Эквивалентная схема держателя чипа и трубки: (a) Схема замещения чипа; (b) Эквивалентная схема держателя трубки TO
Рисунок 6 Компланарный волновод и распределение коаксиального электромагнитного поля: (а) Распределение поля копланарного волновода, (б) Распределение поля коаксиальной линии
В системах передачи со скоростью 10 Гбит/с или выше обычно используются копланарные волноводы и коаксиальные разъемы. На рисунке 6 показано распределение поля копланарных волноводов и коаксиальных линий.Можно видеть, что распределения электромагнитного поля копланарных волноводов и коаксиальных разъемов очень похожи, что вполне может решить проблему некогерентности между ними в переходном электромагнитном поле.
Ключевые технологии упаковки
Дизайн упаковки TEC (термоэлектрический охладитель)
При работе детекторов одиночных фотонов InGaAs в настоящее время для охлаждения обычно используются 2-4-ступенчатые термоэлектрические холодильники. Полупроводниковые термоэлектрические холодильники имеют твердотельную структуру, характеризуются небольшими размерами, низкой стоимостью, отсутствием шума и длительным сроком службы.Они имеют огромные преимущества при использовании охлаждения с небольшой разницей температур. Как упоминалось ранее, снижение температуры может снизить тепловой шум, но для одновременного получения высокой чувствительности, высокой реакции и высокой скорости отклика необходимо контролировать оптимальную рабочую температуру и поддерживать точность и стабильность. При проектировании упаковки необходимо учитывать следующие три аспекта: (1) выбор ТЭО, (2) окружающая среда упаковки и (3) контроль температуры.
Рисунок 7 Метод совмещения чипа и микролинзы: (а) Изображение юстировочного ключа и крестика на микролинзе; (б) Изображение юстировочного ключа и крестика на детекторе; (в) Принципиальная схема системы совмещения чипа и микролинзы
Интегрированная упаковка оптических компонентов
В процессе упаковки детекторов одиночных фотонов InGaAs повышение эффективности оптической связи и снижение фонового излучения вызывают большую озабоченность. Из-за ограничений процесса производства однофотонных устройств, особенно для устройств с площадной матрицей, рабочий цикл чипа фокальной плоскости очень низок.Использование микролинз для соединения вблизи поверхности чипа фокальной плоскости устройства является более эффективным мера. После того, как Princeton Lightwave Company внедрила микролинзы в свой однофотонный детектор InP/InGaAs(P) с длиной волны отклика 1,06 микрона (размер фокальной плоскости 32 × 32, расстояние между центрами пикселя 100 микрон, диаметр пикселя 34 микрона). ), его коэффициент заполнения увеличился с 9% до 75%.
Чтобы добиться точного совмещения микролинзы и детекторного чипа, Чанг-Мо Канг, Симоне Бьянкони и др. сделали ключи совмещения (круг диаметром 2 микрона на рисунке 7 (а)) на микролинзе и чипе. 7(a) и (b) метки перекрестного совмещения на изображении микроскопа для калибровочного выравнивания ключей совмещения. Результаты показывают, что когда левый и правый края перекрестной метки находятся в центре кругового ключа выравнивания, точное выравнивание достигается на всем чипе детектора.
Исследовательская группа из Лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института считает, что, когда фоточувствительный элемент детектора APD имеет размер 10 микрон, он должен иметь возможность достичь точности центрирования ≤1 микрона. С этой целью они разработали центрирующую систему обратной связи в реальном времени, которая использует структуру устройства для определения направления, как показано на рисунке 7 (c). Однофотонная решетка имеет размеры 128×32 и установлена на шестиступенчатом регулируемом устройстве с шагом менее 100 нм.
Сигнал обнаружения детектора одиночных фотонов InGaAs очень слабый.Чтобы повысить эффективность обнаружения, очень важно уменьшить влияние фонового света. Существует три основных метода: метод временного разрешения, метод пространственного разрешения и спектроскопический метод.
Пакет волоконно-оптической связи
Соединение детекторов одиночных фотонов InGaAs с оптическими волокнами в настоящее время является основной формой его применения, которое может удовлетворить требования приложений упаковки с длинными линиями.Малый диаметр оптического волокна может эффективно уменьшить пространственное световое фоновое излучение.
В процессе выравнивания упаковки существует два основных типа метода выравнивания соединения между оптическими волокнами и чипами: один — активное выравнивание, а другой — пассивное выравнивание.
Активное выравнивание — это выравнивание оптических волокон в реальном времени при наличии оптических сигналов с использованием высокоточной платформы смещения для регулировки отклонения. Этот метод имеет более высокую эффективность связи. Например, на рисунке 8 система выравнивания оптической системы, разработанная ГЛЕБОВЫМ А.Л. и другими, может реализовать активную интеграцию различных оптических волокон с разными диодами путем регулировки WD1 и WD2, показанных на рисунке, выбора разных длин волн и замены линз. регионы. В этой системе, без учета потерь на отражение и рассеяние Френеля, для связи MMF (многомодового волокна) 105 мкм/0,22 NA с активной областью диаметром 100 мкм в диапазоне длин волн 450–900 нм. Теоретическая эффективность связи SMF28 (одномодовое волокно) и активная площадь диаметром 25 микрон остается выше 90%.
Рис. 8. Принципиальная схема оптической системы и кривая эффективности ее связи. (а) Принципиальная схема оптической системы, (б) Кривая эффективности связи для ММФ 105 мкм/0,22 NA и активной области диаметром 100 мкм, (в) Кривая эффективности связи для SMF28 и активной области диаметром 25 мкм
Пассивное выравнивание предназначено для завершения выравнивания посредством меток совмещения или ограничительных канавок во время упаковки, когда нет оптического сигнала. Для одномерных массивов оптических волокон для ограничения оптического волокна обычно используются V-образные канавки, тогда как массивы микроотверстий могут использоваться для двумерных ограничивающих структур, а материалами могут быть кремний, металл, керамика, стекло и т. Д. На рис. 9 показана типичная V-образная структура, ограничивающая канавку.
Рисунок 9. Ограничительная конструкция V-образной канавки.
Рисунок 10 Принципиальная схема пассивной связи
Пассивное выравнивание может опираться на методы точной обработки для достижения высокой эффективности соединения. Тан Цзюнь и др. разработали набор компонентов для пассивного соединения, включая стандартные оптоволоконные разъемы и точно расположенные контакты, как показано на рисунке 10. С помощью оборудования для пайки флип-чипов стандартные разъемы MT с прецизионными гнездами можно точно совместить с массивом микросхем с точностью совмещения до 0,1 микрона. После того, как оба кабеля временно зафиксированы с помощью защитного кронштейна, они затем подключаются к оптоволоконному массиву с помощью прецизионных штырей и стандартного разъема MT. После завершения стыковки снимите защитную скобу и выполните сварку давлением золотой проволокой и т. д. Поскольку гнезда и позиционирующие штифты на стандартном разъеме MT точно совпадают, конечная средняя эффективность соединения этого метода составляет более 80%, а эффективность соединения каждого устройства имеет хорошую стабильность.
В соответствии с методом соединения метод выравнивания между оптическим волокном и чипом также можно разделить на две категории, а именно прямое соединение и непрямое соединение.
При прямом соединении посередине нет фокусирующей линзы или других компонентов, конструкция проста, а масштаб не ограничен. Существует два метода монтажа детекторных чипов при прямой связи: горизонтальная связь и вертикальная связь.Оба метода используются для уменьшения длины соединительного провода для уменьшения количества каскадов, тем самым минимизируя потери и колебания радиочастоты.Как показано на рисунке 11 .
Рисунок 11 Схема установки чипа детектора: а – горизонтальная муфта, б – вертикальная муфта
В непрямой связи обычно используются микрооптические компоненты для повышения эффективности связи. Микрооптические компоненты, используемые для соединения, включают оптические волокна, самофокусирующиеся линзы, шариковые линзы, цилиндрические линзы и асферические линзы.
Для герметичной упаковки однофотонных детекторов с оптоволокном при прямом соединении может использоваться металлизация оптического волокна, при этом оптическое волокно и металлическая трубка сначала герметично свариваются; в то время как при непрямом соединении может использоваться соединение оптического окна, то есть герметизация оптического окна, а затем соединение с оптическим волокном.
Резюме и перспективы
В этой статье в основном рассказывается о прогрессе в области масштабирования матрицы детекторов одиночных фотонов InGaAs и общих формах упаковки, основных факторах, влияющих на упаковку, и ключевых технологиях упаковки. Температура тесно связана с усилением тока и чувствительностью детектора; высокая частота проводимости сигнала детектора требует, чтобы его провода и дискретные компоненты были спроектированы с распределенными параметрами; конструкция корпуса ТЭО, высокоточная связь микролинз и чипов, детекторы и оптические волокна. Соединение является ключом к снижению теплового шума, улучшению чувствительности и эффективности оптического соединения. Детекторы одиночных фотонов InGaAs имеют широкие перспективы применения.В настоящее время за рубежом они достигли масштаба 512 × 512 или выше, в то время как внутри страны они в основном сосредоточены на единичных детекторах, линейных матрицах или матричных детекторах небольшой площади, а также на соответствующей конструкции упаковки. еще не полностью систематизировано. При упаковке детекторов одиночных фотонов ближнего инфракрасного диапазона необходимо всесторонне учитывать ряд вопросов, таких как рабочие характеристики чипа при низких температурах, однородность температуры упаковочной системы, защита от помех, фонового излучения и точность соединения волокон, что еще нуждаются в дальнейшем изучении.
-
Домой
-
Продукция
-
Продукция
-
Продукция
