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KR102610700B1 - Method for Aligning the Avalanche Photodiode to an Optimal Position for Detecting Photons - Google Patents

Method for Aligning the Avalanche Photodiode to an Optimal Position for Detecting Photons Download PDF

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KR102610700B1
KR102610700B1 KR1020210066634A KR20210066634A KR102610700B1 KR 102610700 B1 KR102610700 B1 KR 102610700B1 KR 1020210066634 A KR1020210066634 A KR 1020210066634A KR 20210066634 A KR20210066634 A KR 20210066634A KR 102610700 B1 KR102610700 B1 KR 102610700B1
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KR
South Korea
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avalanche
detection device
photo diode
photon detection
nfad
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박찬용
백수현
서은지
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주식회사 우리로
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Abstract

광자를 검출할 수 있는 최적의 위치로 아발란치 포토 다이오드를 정렬시키는 방법을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, SPAD(Single Photon Avalanche Diode)로 동작되는 단일광자 검출소자 및 NFAD(Negative Feedback Avalanche Diode)로 동작되는 단일광자 검출소자 모두로 동작 가능하되, 어느 하나로 선택적으로 동작하는 아발란치 포토 다이오드가 NFAD로서 광자를 자신의 중심으로 입사받기 위한 위치로 정렬되는 방법에 있어서, 상기 아발란치 포토 다이오드가 SPAD로서 동작하는 제1 동작과정과 SPAD로서 동작하는 아발란치 포토 다이오드가 위치를 조정하며 각 위치에서의 아발란치 신호를 측정하는 측정과정과 상기 측정과정에서 측정된 아발란치 신호 중 가장 큰 아발란치 신호가 발생한 위치로 상기 아발란치 포토 다이오드의 위치를 조정하는 조정과정 및 상기 아발란치 포토 다이오드가 NFAD로서 동작하는 제2 동작과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 아발란치 포토 다이오드 위치 정렬 방법을 제공한다.
A method of aligning an avalanche photo diode to an optimal position for detecting photons is disclosed.
According to one aspect of the present embodiment, it is possible to operate as both a single photon detection device operated by a SPAD (Single Photon Avalanche Diode) and a single photon detection device operated by an NFAD (Negative Feedback Avalanche Diode), but operates selectively with either one. In the method of aligning the avalanche photodiode to a position to receive photons incident on its center as an NFAD, the avalanche photodiode operates as a SPAD in a first operation process and the avalanche photodiode operates as a SPAD. A measurement process of adjusting the position and measuring the avalanche signal at each position, and adjusting the position of the avalanche photo diode to the position where the largest avalanche signal among the avalanche signals measured in the measurement process occurred. An avalanche photodiode position alignment method is provided, comprising an adjustment process and a second operation process in which the avalanche photodiode operates as an NFAD.

Description

광자를 검출할 수 있는 최적의 위치로 아발란치 포토 다이오드를 정렬시키는 방법{Method for Aligning the Avalanche Photodiode to an Optimal Position for Detecting Photons}Method for Aligning the Avalanche Photodiode to an Optimal Position for Detecting Photons}

본 실시예는 NFAD로 동작하는 아발란치 포토 다이오드를 정렬함에 있어, 광자를 검출할 수 있는 최적의 위치로 아발란치 포토 다이오드를 정렬시키는 방법에 관한 것이다.This embodiment relates to a method of aligning an avalanche photo diode operating as an NFAD to an optimal position for detecting photons.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The content described in this section simply provides background information for this embodiment and does not constitute prior art.

정보 통신 기술의 발달과 함께 양자 암호 통신에서 단일 광자(Single Photon) 수준의 미약한 광 신호를 검출할 수 있는 단일광자 검출장치(Single Photon Detector)의 중요성이 대두되고 있다.With the development of information and communication technology, the importance of single photon detectors that can detect weak optical signals at the single photon level in quantum cryptography communication is emerging.

단일광자 검출장치는 1.3㎛ 내지 1.5㎛의 장거리 통신 파장대역에 적합하며, 특히, 단일 광자와 같이 미약한 세기의 광 신호를 검출하는데 효과적이다. 이러한 단일광자 검출장치는 주로, InGaAs/InP 타입의 APD(Avalanche Photo Diode, 또는, 아발란치 포토다이오드)를 수광소자로 사용한다.The single photon detection device is suitable for the long-distance communication wavelength band of 1.3㎛ to 1.5㎛, and is particularly effective in detecting light signals of weak intensity such as single photons. This single-photon detection device mainly uses an InGaAs/InP type APD (Avalanche Photo Diode) as a light receiving element.

APD는 단일 광자를 검출하기 위해 항복 전압(Breakdown Voltage) 이상에서 동작하는데, 이를 가이거 모드(Geiger Mode)라고 한다. 가이거 모드에서는 APD의 접합 영역(PN Junction)으로 큰 역전압이 인가되며, 이로 인해, 접합 영역에는 큰 전자장(Electric Field)이 형성된다. 이때, 접합 영역으로 입사된 광자(Photon)에 의해 접합 영역에는 전자-정공 쌍(Electron-Hole Pair)이 생성된다. 접합 영역에 인가된 강한 전자장에 의해 에너지를 획득한 전자-정공 쌍은 차례로 가속되며, 새로운 전자-정공 쌍을 생성시킨다. 이러한 현상이 누적적으로 발생하는 것을 아발란치(Avalanche, 전자사태) 현상이라고 한다.APD operates above the breakdown voltage to detect a single photon, which is called Geiger Mode. In Geiger mode, a large reverse voltage is applied to the junction area (PN Junction) of the APD, and as a result, a large electric field is formed in the junction area. At this time, an electron-hole pair is created in the junction area by a photon incident on the junction area. Electron-hole pairs that acquire energy by the strong electromagnetic field applied to the junction region are accelerated in turn, creating new electron-hole pairs. The cumulative occurrence of this phenomenon is called the avalanche phenomenon.

가이거 모드는 다시, APD로 펄스 또는 사인파 형태의 게이트 신호가 인가될 경우, 게이트 신호에 의해 항복전압 이상의 경우에서 단일광자를 검출하는 게이티드 가이거 모드(Gated Geiger Mode)와 항복 전압 이상의 직류 전원이 지속적으로 인가되며 ??칭(Quenching) 저항을 이용하여 ??칭시킴으로써 지속적으로 단일 광자를 검출하는 프리 런닝 모드(Free Running Mode)로 구분된다. The Geiger mode is again a gated Geiger mode that detects a single photon above the breakdown voltage by the gate signal when a gate signal in the form of a pulse or sine wave is applied to the APD, and direct current power above the breakdown voltage is continuously applied to the APD. It is applied as a quenching mode and is classified into a free running mode that continuously detects a single photon by quenching it using a quenching resistance.

통상적으로 프리 런닝모드로 동작하는 단일광자 검출장치는 상시 입사하는 광자를 검출하기 위한 센서 등으로 사용된다. 광자의 상시 검출을 위해 단일광자 검출장치 내에는 아발린치 신호가 생성된 후 신속히 ??칭(Quenching)시키기 위한 저항이 배치되는데, 이러한 저항에 의해 아발란치 신호의 강하가 발생하게 된다.Single photon detection devices that typically operate in free running mode are used as sensors to detect photons that are always incident. For continuous detection of photons, a resistor is placed in the single-photon detection device to quickly quench the avalanche signal after it is generated, and this resistance causes a drop in the avalanche signal.

이때, 단일광자 검출장치는 광자가 입사되는 최적의 위치로 정렬되어 광자를 검출해야 하는데, 전술한 아발란치 신호의 강하로 인해 프리 런닝모드로 동작하는 단일광자 검출장치는 최적의 위치를 판단하는 것이 곤란한 문제를 갖는다. At this time, the single photon detection device must be aligned to the optimal position where the photon is incident and detect the photon. However, due to the drop in the avalanche signal described above, the single photon detection device operating in free running mode determines the optimal position. This poses a difficult problem.

본 발명의 일 실시예는, NFAD로서 동작하는 단일광자 검출장치를 최적의 위치에 정렬시킬 수 있는 단일광자 검출장치 위치 정렬 방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.The purpose of one embodiment of the present invention is to provide a method for aligning the position of a single-photon detection device that operates as an NFAD, capable of aligning the single-photon detection device to an optimal position.

본 발명의 일 측면에 의하면, SPAD(Single Photon Avalanche Diode)로 동작되는 단일광자 검출소자 및 NFAD(Negative Feedback Avalanche Diode)로 동작되는 단일광자 검출소자 모두로 동작 가능하되, 어느 하나로 선택적으로 동작하는 아발란치 포토 다이오드가 NFAD로서 광자를 자신의 중심으로 입사받기 위한 위치로 정렬되는 방법에 있어서, 상기 단일광자 검출장치가 SPAD로서 동작하는 제1 동작과정과 SPAD로서 동작하는 단일광자 검출장치가 위치를 조정하며 각 위치에서의 아발란치 신호를 측정하는 측정과정과 상기 측정과정에서 측정된 아발란치 신호 중 가장 큰 아발란치 신호가 발생한 위치로 상기 단일광자 검출장치의 위치를 조정하는 조정과정 및 상기 단일광자 검출장치가 NFAD로서 동작하는 제2 동작과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일광자 검출장치 위치 정렬 방법을 제공한다.According to one aspect of the present invention, it is possible to operate both a single photon detection device operated by a SPAD (Single Photon Avalanche Diode) and a single photon detection device operated by an NFAD (Negative Feedback Avalanche Diode), but selectively operates with either one. In a method in which a Balanch photo diode is aligned to a position to receive photons incident on its center as an NFAD, a first operation process in which the single photon detection device operates as a SPAD and a position of the single photon detection device operating as a SPAD are adjusted. A measurement process of adjusting and measuring the avalanche signal at each position, an adjustment process of adjusting the position of the single photon detection device to the location where the largest avalanche signal among the avalanche signals measured in the measurement process occurred, and A method for positioning a single-photon detection device is provided, including a second operation process in which the single-photon detection device operates as an NFAD.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 단일광자 검출장치는 제1 직류 전원과 게이트 전원 또는 제2 직류 전원을 인가받는 캐소드단, 접지단, 광자가 입사될 때 SPAD로서의 아발란치 신호를 출력하는 제1 애노드단 및 광자가 입사될 때, NFAD로서의 아발란치 신호를 출력하는 제2 애노드단을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the single photon detection device includes a cathode terminal receiving a first direct current power supply, a gate power supply, or a second direct current power supply, a ground terminal, and a device that outputs an avalanche signal as a SPAD when a photon is incident. It is characterized by comprising an anode stage and a second anode stage that outputs an avalanche signal as NFAD when a photon is incident.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 단일광자 검출장치가 SPAD로서 동작할 경우, 상기 캐소드단, 상기 접지단 및 상기 제1 애노드단이 연결되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, when the single photon detection device operates as a SPAD, the cathode terminal, the ground terminal, and the first anode terminal are connected.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 애노드단으로 제1 검출 저항이 연결되며, 생성되는 아발란치 신호가 검출되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, a first detection resistor is connected to the first anode terminal, and the generated avalanche signal is detected.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 단일광자 검출장치가 NFAD로서 동작할 경우, 상기 캐소드단, 상기 접지단 및 상기 제2 애노드단이 연결되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, when the single photon detection device operates as an NFAD, the cathode terminal, the ground terminal, and the second anode terminal are connected.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 단일광자 검출장치가 NFAD로서 동작할 경우, 상기 제2 애노드단으로 ??칭(Quenching) 저항이 연결되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, when the single photon detection device operates as an NFAD, a quenching resistor is connected to the second anode terminal.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 ??칭저항은 아발란치 신호의 강하를 발생시키는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the quenching resistor is characterized in that it generates a drop in the avalanche signal.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 단일광자 검출장치가 NFAD로 동작하더라도, 단일광자 검출장치를 광자가 입사되는 최적의 위치에 정렬시킬 수 있는 장점이 있다.As described above, according to one aspect of the present invention, even if the single photon detection device operates as an NFAD, there is an advantage in that the single photon detection device can be aligned at the optimal position where photons are incident.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치의 일 구현예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치를 포함한 단일광자 검출 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치로 인가되는 직류 전원 및 게이트 전원의 파형을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치로 인가되는 직류 전원의 파형을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SPAD 역할을 하는 단일광자 검출장치 내 포토 다이오드의 수광영역 위치와 APD에서 생성되는 광전류와의 관계를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 NFAD 역할을 하는 단일광자 검출장치 내 포토 다이오드의 수광영역 위치와 APD에서 생성되는 광전류와의 관계를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치가 NFAD 역할을 함에 있어 광자가 입사되는 최적의 위치로 정렬되는 방법을 도시한 도면이다.
Figure 1 is a diagram showing an implementation of a single photon detection device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing the configuration of a single-photon detection system including a single-photon detection device according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a graph showing the waveforms of direct current power and gate power applied to the single photon detection device according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a graph showing the waveform of direct current power applied to a single photon detection device according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a graph showing the relationship between the position of the light-receiving area of a photo diode in a single-photon detection device serving as a SPAD according to an embodiment of the present invention and the photocurrent generated in the APD.
Figure 6 is a graph showing the relationship between the position of the light-receiving area of a photo diode in a single-photon detection device serving as an NFAD according to an embodiment of the present invention and the photocurrent generated in the APD.
Figure 7 is a diagram showing how the single photon detection device according to an embodiment of the present invention is aligned to the optimal position where photons are incident when functioning as an NFAD.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. While describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component without departing from the scope of the present invention. The term and/or includes any of a plurality of related stated items or a combination of a plurality of related stated items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is said to be "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected to or connected to the other component, but that other components may exist in between. It should be. On the other hand, when it is mentioned that a component is “directly connected” or “directly connected” to another component, it should be understood that there are no other components in between.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as "include" or "have" should be understood as not precluding the existence or addition possibility of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification. .

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.

또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호 간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.Additionally, each configuration, process, process, or method included in each embodiment of the present invention may be shared within the scope of not being technically contradictory to each other.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치의 일 구현예를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치를 포함한 단일광자 검출 시스템의 구성을 도시한 도면이다.Figure 1 is a diagram showing an implementation of a single-photon detection device according to an embodiment of the present invention, and Figure 2 shows the configuration of a single-photon detection system including a single-photon detection device according to an embodiment of the present invention. It is a drawing.

도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출 시스템(200)은 단일광자 검출장치(110), 직류 전원(120) 및 게이트 전원(125)을 포함한다.Referring to Figures 1 and 2, the single photon detection system 200 according to an embodiment of the present invention includes a single photon detection device 110, a direct current power source 120, and a gate power source 125.

단일광자 검출장치(110)는 전원을 인가받아 유입되는 광자를 검출한다. 단일광자 검출장치(110)는 전원을 인가받는 캐소드단(C), 광자를 유입받아 아발란치 신호(광전류)를 생성하는 포토 다이오드(210) 및 포토 다이오드로부터 생성되는 아발란치 신호가 출력되는 애노드단(A)을 포함한다.The single photon detection device 110 receives power and detects incoming photons. The single photon detection device 110 includes a cathode stage (C) that receives power, a photo diode 210 that receives photons and generates an avalanche signal (photocurrent), and an avalanche signal generated from the photo diode is output. Includes an anode stage (A).

단일광자 검출장치(110)는 InGaAs/InP 타입의 APD(Avalanche Photo Diode, 또는, 아발란치 포토 다이오드)로 구현될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 단일광자 검출장치(110)는 캐소드단(C)으로 직류 전원 또는 직류 전원과 게이트 신호(게이트 전원)을 수신함으로써, 항복 전압(VB)보다 큰 역바이어스 전압(도 3 또는 4를 참조하여 후술할 Vgh 또는 Vg2)에서 광 검출을 수행하는 가이거 모드로 동작한다. 여기서, 가이거 모드는, 단일광자 검출장치(110)가 항복 전압(VB)보다 큰 역바이어스 조건(Vgh 또는 Vg2)에서 광검출을 수행하는 동작을 의미한다. 즉, 단일광자 검출장치(110)가 게이트 신호(GS)에 의해 가이거 모드로 동작하며, 외부로부터 광자를 수신함에 따라 단일광자 검출장치(110)의 내부에서는 캐리어가 증폭되는 아발란치 현상(또는, 증폭)이 발생한다. 보다 구체적으로 설명하면, 단일광자 검출장치(110)는 게이트 신호(GS)에 의해 역방향으로 바이어스 될 경우, 인가된 게이트 신호(GS)의 바이어스 전압(Vgh 또는 Vg2)에 의해 단일광자 검출장치(110)의 PN 접합면에서는 높은 전계가 형성된다. 이때, 광자의 흡수에 의해 생성된 캐리어가 단일광자 검출장치(110)의 증폭층으로 주입되면, 연속적인 아발란치 증폭(Avalanche Impact Ionization)을 거쳐, 단일광자 검출장치(110) 내부에서는 전류로 증폭되는 전자 눈사태 현상(Avalanche Breakdown)이 발생한다. 이에 따라, 단일광자 검출장치(110)는 아발란치 신호(광전류)를 출력한다.The single-photon detection device 110 may be implemented as an InGaAs/InP type APD (Avalanche Photo Diode), but is not necessarily limited thereto. The single photon detection device 110 receives direct current power or direct current power and a gate signal (gate power) at the cathode end (C), thereby generating a reverse bias voltage (described later with reference to FIG. 3 or 4) greater than the breakdown voltage (V B ). It operates in Geiger mode to perform light detection at V gh or V g2 ). Here, the Geiger mode refers to an operation in which the single photon detection device 110 performs photodetection under reverse bias conditions (V gh or V g2 ) greater than the breakdown voltage (V B ). That is, the single-photon detection device 110 operates in Geiger mode by the gate signal GS, and as photons are received from the outside, the avalanche phenomenon (or amplification of carriers) occurs inside the single-photon detection device 110. , amplification) occurs. To be more specific, when the single photon detection device 110 is biased in the reverse direction by the gate signal GS, the single photon detection device 110 is detected by the bias voltage (V gh or V g2 ) of the applied gate signal GS. A high electric field is formed at the PN junction surface of (110). At this time, when the carrier generated by absorption of photons is injected into the amplification layer of the single-photon detection device 110, it goes through continuous avalanche amplification (Avalanche Impact Ionization) and is converted to current inside the single-photon detection device 110. An amplified electronic avalanche phenomenon (Avalanche Breakdown) occurs. Accordingly, the single photon detection device 110 outputs an avalanche signal (photocurrent).

단일광자 검출장치(110)는 애노드단(A)으로서, SPAD(Single Photon Avalanche Diode)로의 역할을 위해 게이티드 가이거 모드(Gated Geiger Mode)로 동작할 경우의 아발란치 신호가 출력되는 제1 애노드단(A1) 및 NFAD(Negative Feedback Avalanche Diode)로의 역할을 위해 프리 런닝 모드(Free Running Mode)로 동작할 경우의 아발란치 신호가 출력되는 제2 애노드단(A2)을 포함한다. 여기서, 제1 애노드단과 제2 애노드단은 도 1에 도시된 바와 같이 각각 서로 다른 단자로 구현될 수도 있으며, 일 단자에서 분기되어 형성될 수도 있다. 단일광자 검출장치(110)는 캐소드단(C)과 함께 어떠한 애노드단이 외부 장치(예를 들어, 광자 수신장치 또는 통신장치 등)에 연결될지 여부에 따라 동작할 모드가 결정된다. 나아가, 경우에 따라 제1 애노드단(A1)으로는 게이티드 가이거 모드로 동작할 경우의 아발란치 신호 외에, 후술할 포토 다이오드(도 2를 참조하여 후술)가 선형 모드(Linear Mode)로 동작할 때의 출력값이 출력될 수도 있다.The single photon detection device 110 is an anode stage (A), which is a first anode that outputs an avalanche signal when operating in gated Geiger mode to serve as a SPAD (Single Photon Avalanche Diode). It includes a stage (A 1 ) and a second anode stage (A 2 ) that outputs an avalanche signal when operating in free running mode to serve as a negative feedback avalanche diode (NFAD). Here, the first anode stage and the second anode stage may be implemented as different terminals, as shown in FIG. 1, or may be formed by branching from one terminal. The operating mode of the single photon detection device 110 is determined depending on which anode terminal, along with the cathode terminal (C), is connected to an external device (for example, a photon receiving device or a communication device, etc.). Furthermore, in some cases, in addition to the avalanche signal when the first anode stage (A 1 ) operates in gated Geiger mode, a photo diode (described later with reference to FIG. 2) is operated in linear mode. The output value during operation may be output.

단일광자 검출장치(110)가 게이티드 가이거 모드(Gated Geiger Mode)로 동작할 경우, 캐소드단(C)으로는 직류 전원(120) 및 게이트 신호(GS)로서 게이트 전원(125)이 인가되고, 제1 애노드단(A1)이 외부 장치(미도시)와 연결되어 폐회로를 형성하며, 제2 애노드단(A2)은 터미네이션(Termination)된다. 캐소드단(C)으로 인가되는 직류 전원(120) 및 게이트 전원(125)의 파형은 도 3에 도시되어 있다. When the single photon detection device 110 operates in gated Geiger mode, the direct current power 120 and the gate power 125 as the gate signal GS are applied to the cathode terminal (C), The first anode end (A 1 ) is connected to an external device (not shown) to form a closed circuit, and the second anode end (A 2 ) is terminated. The waveforms of the direct current power supply 120 and the gate power supply 125 applied to the cathode terminal (C) are shown in FIG. 3.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 APD로 인가되는 직류 전원 및 게이트 전원의 파형을 도시한 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the waveforms of direct current power and gate power applied to the APD according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 일반적으로, 게이트 신호(GS)는 게이트 오프(Gate-off, Tna) 기간 동안 항복 전압(VB)보다 작은 제1 바이어스 전압(Vg1)으로 유지되며, 게이트 온(Gate-on, Ta) 기간 동안 제1 바이어스 전압(Vg1)보다 큰 제2 바이어스 전압(Vgh)으로 유지된다. 여기서, 제1 바이어스 전압(Vg1)은 직류 전원(120)으로부터 발생된 바이어스 전압(Vdc)과 동일한 전압일 수 있다. Referring to FIG. 3, generally, the gate signal GS is maintained at a first bias voltage (V g1 ) that is smaller than the breakdown voltage (V B ) during the gate-off (T na ) period, and the gate on ( During the gate-on, T a ) period, the second bias voltage (V gh ) is maintained at a level greater than the first bias voltage (V g1 ). Here, the first bias voltage (V g1 ) may be the same voltage as the bias voltage (V dc ) generated from the DC power supply 120 .

게이트 신호(GS)의 진폭(VG)은 제2 바이어스 전압(Vgh)과 제1 바이어스 전압(Vg1)의 차로 나타낼 수 있으며, 주기(Tg)는 게이트 온(Ta)이 시작되는 지점으로부터 다음 게이트 온(Ta)이 시작되는 지점까지를 의미한다. 항복 전압(VB)과 게이트 신호(GS)의 제2 바이어스 전압(Vgh) 간의 차전압(ΔV1, 또는, 차전압의 절대값)은 오버 바이어스(Over Bias) 전압을 의미한다. 게이트 신호(GS)는 수십 메가 헤르츠(MHz) 내지 수 기가 헤르츠(GHz)의 주파수로 구성될 수 있다.The amplitude (V G ) of the gate signal (GS) can be expressed as the difference between the second bias voltage (V gh ) and the first bias voltage (V g1 ), and the period (T g ) is when the gate on (T a ) starts. It means from the point to the point where the next gate on (T a ) begins. The difference voltage (ΔV 1 , or the absolute value of the difference voltage) between the breakdown voltage (V B ) and the second bias voltage (V gh ) of the gate signal (GS) means the over bias voltage. The gate signal GS may have a frequency of tens of megahertz (MHz) to several gigahertz (GHz).

도 3에는 게이트 전원이 펄스 파형으로 도시되어 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 사인파형으로 구현될 수도 있다.In Figure 3, the gate power is shown as a pulse waveform, but it is not necessarily limited to this and may be implemented as a sine waveform.

다시 도 1 및 2를 참조하면, 이와 같은 게이트 신호(GS)는 캐소드단(C)으로 전송되며, 게이트 신호(GS)에 의해 단일광자 검출장치(110)는 게이티드 가이거 모드로 동작한다. 이때, 광자(Photon)는 단일광자 검출장치(110) 내 포토 다이오드(210)로 입력되는데, 게이트 신호(GS)가 제2 바이어스 전압(Vgh)으로 유지되는 활성화 기간(Ta)에 입사되는 것으로 설정한다. 단일광자 검출장치(110)로 게이트 신호(GS)가 인가됨에 따라, 포토 다이오드(210)는 활성화 기간(Ta) 동안 광자를 검출한다. 광자를 검출한 경우, 포토 다이오드(210)는 아발란치 신호(광전류)를 생산하여 제1 애노드단(A1)으로 바로 출력한다. 출력된 아발란치 신호는 제1 검출저항(RO1)을 거치며, 제1 검출저항 양단간 전압 형태로 검출된다.Referring again to FIGS. 1 and 2, this gate signal GS is transmitted to the cathode stage C, and the single photon detection device 110 operates in gated Geiger mode by the gate signal GS. At this time, photons are input to the photo diode 210 in the single-photon detection device 110, and the gate signal GS is incident on the activation period (T a ) maintained at the second bias voltage (V gh ). set it to As the gate signal GS is applied to the single photon detection device 110, the photo diode 210 detects photons during the activation period (T a ). When a photon is detected, the photo diode 210 produces an avalanche signal (photocurrent) and outputs it directly to the first anode terminal (A 1 ). The output avalanche signal passes through the first detection resistor (R O1 ) and is detected in the form of a voltage between both ends of the first detection resistor.

한편, 단일광자 검출장치(110)가 프리 런닝모드(Free Running Mode)로 동작할 경우, 캐소드단(C)으로는 직류 전원(120)만이 게이트 신호(GS)로 인가되고, 제2 애노드단(A2)이 외부 장치(미도시)와 연결되어 폐회로를 형성하며, 제1 애노드단(A1)은 터미네이션(Termination)된다. 캐소드단(C)으로 인가되는 직류 전원(120)의 파형은 도 4에 도시되어 있다. On the other hand, when the single photon detection device 110 operates in free running mode, only the DC power supply 120 is applied to the cathode terminal (C) as the gate signal (GS), and the second anode terminal ( A 2 ) is connected to an external device (not shown) to form a closed circuit, and the first anode end (A 1 ) is terminated. The waveform of the direct current power supply 120 applied to the cathode terminal (C) is shown in FIG. 4.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 APD로 인가되는 직류 전원의 파형을 도시한 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the waveform of direct current power applied to the APD according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 단일광자 검출장치(110)의 캐소드단(C)으로 직류 전원(120)에 의한, 항복 전압(VB)보다 큰 바이어스 전압(Vg2)이 인가된다. 항복 전압보다 큰 DC 전원이 인가되기 때문에, 단일광자 검출장치(110)는 전원의 인가시점부터 시간과 무관하게 지속적으로 가이거 모드로 동작할 수 있다. Referring to FIG. 4, a bias voltage (V g2 ) greater than the breakdown voltage (V B ) is applied to the cathode terminal (C) of the single photon detection device 110 by the DC power supply 120 . Because DC power greater than the breakdown voltage is applied, the single photon detection device 110 can continuously operate in Geiger mode regardless of time from the time the power is applied.

다시 도 1 및 2를 참조하면, 이와 같은 직류 전원(120, Vgh)(만)이 캐소드단(C)으로 인가되며, 단일광자 검출장치(110)는 프리 런닝모드로 동작한다. Referring again to FIGS. 1 and 2, such direct current power 120 (V gh ) (only) is applied to the cathode stage (C), and the single photon detection device 110 operates in free running mode.

단일광자 검출장치(110)의 애노드 단(A2)으로 ??칭(Quenching) 저항(RQ)이 배치된다. 항복 전압(VB) 이상의 직류 전원(120)이 인가되는 경우, 인가 이후 시점이라면 언제든지 광자가 포토 다이오드(210)에 의해 검출될 수 있다. 광자가 검출되는 경우 포토 다이오드(210)에서 아발란치 신호가 생성되는데, 아발란치 신호가 생성되는 도중에 광자가 추가로 포토 다이오드(210)로 입사되는 경우가 발생할 수 있다. 아발란치 신호가 생성되는 도중에 광자가 추가로 입사하는 경우, 포토 다이오드(210)에서 생성되는 아발란치 신호가 이전에 입사된 광자에 의한 것인지 추가로 입사된 광자에 의한 것인지 불명확하여 검출결과가 부정확해지는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 단일광자 검출장치(110)의 애노드 단(A2)으로 ??칭 저항(RQ)이 배치된다. ??칭 저항(RQ)이 광자 검출에 의한 아발란치 신호를 빠른 속도로 강하시키며, 포토 다이오드(210)를 안정화시킨다. 이에 따라, 일정한 간격을 두고 연달아 광자가 입사되더라도, 프리 런닝모드로 동작하는 단일광자 검출장치(110) 내 포토 다이오드(210)는 모든 광자를 검출할 수 있다. ??칭 효율을 향상시키기 위해, ??칭 저항(RQ)은 0.1 내지 1.5㏁의 범위 내의 저항값을 가질 수 있으며, 보다 구체적으로 0.5㏁의 저항값을 가질 수 있다. A quenching resistance (R Q ) is disposed at the anode end (A 2 ) of the single photon detection device 110. When DC power 120 above the breakdown voltage (V B ) is applied, photons can be detected by the photo diode 210 at any time after application. When a photon is detected, an avalanche signal is generated in the photo diode 210. While the avalanche signal is being generated, photons may be additionally incident on the photo diode 210. If an additional photon is incident while the avalanche signal is being generated, it is unclear whether the avalanche signal generated in the photo diode 210 is caused by a previously incident photon or an additionally incident photon, so the detection result is Problems with inaccuracy may arise. To prevent this problem, a quenching resistance (R Q ) is disposed at the anode end (A 2 ) of the single photon detection device 110. The quenching resistance (R Q ) rapidly reduces the avalanche signal due to photon detection and stabilizes the photodiode 210. Accordingly, even if photons are incident successively at regular intervals, the photodiode 210 in the single-photon detection device 110 operating in free running mode can detect all photons. To improve quenching efficiency, the quenching resistance (R Q ) may have a resistance value in the range of 0.1 to 1.5 MΩ, and more specifically, may have a resistance value of 0.5 MΩ.

??칭 저항을 거쳐 출력되는 아발란치 신호는 제2 검출저항(RO2)을 거치며, 제2 검출저항 양단간 전압 형태로 검출된다.The avalanche signal output through the quenching resistor passes through the second detection resistor (R O2 ) and is detected in the form of a voltage between both ends of the second detection resistor.

단일광자 검출장치(110)의 캐소드단(C) 및 제1 애노드단(A1)이 외부 장치(미도시)와 연결되어 게이티드 가이거 모드로 동작할 수 있으며, 게이트 온(Ta) 시간 동안 광자를 검출하는 SPAD의 역할을 한다. 반대로, 단일광자 검출장치(200)의 캐소드단(C) 및 제2 애노드단(A2)이 외부 장치(미도시)와 연결되어 프리 런닝모드로 동작할 수 있으며, 시간과 무관하게 광자를 검출하는 NFAD의 역할을 한다. The cathode end (C) and the first anode end (A 1 ) of the single-photon detection device 110 can be connected to an external device (not shown) and operate in gated Geiger mode, and during the gate-on (T a ) time. It functions as a SPAD to detect photons. Conversely, the cathode end (C) and the second anode end (A 2 ) of the single photon detection device 200 can be connected to an external device (not shown) and operate in free running mode, detecting photons regardless of time. It plays the role of NFAD.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SPAD 역할을 하는 단일광자 검출장치 내 포토 다이오드의 수광영역 위치와 APD에서 생성되는 광전류와의 관계를 도시한 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 NFAD 역할을 하는 단일광자 검출장치 내 포토 다이오드의 수광영역 위치와 APD에서 생성되는 광전류와의 관계를 도시한 그래프이다.Figure 5 is a graph showing the relationship between the position of the light-receiving area of a photo diode in a single-photon detection device serving as a SPAD according to an embodiment of the present invention and the photocurrent generated in the APD, and Figure 6 is an embodiment of the present invention. This is a graph showing the relationship between the position of the light-receiving area of the photo diode in the single-photon detection device that acts as an NFAD and the photocurrent generated by the APD.

포토 다이오드(210)는 광자를 입사받아 아발란치 신호(광전류)를 생성하는데, 광자가 입사되는 위치에 따라 생성하는 신호의 크기가 상이해진다. 광자가 포토 다이오드(210)의 수광 영역 내 중심으로 입사할 경우 가장 큰 크기를 갖는 신호가 생성되며, 광자의 입사위치가 중심으로부터 멀어질수록 크기가 감소하게 된다. The photodiode 210 receives photons and generates an avalanche signal (photocurrent), and the size of the generated signal varies depending on the position where the photons are incident. When a photon is incident on the center of the light-receiving area of the photo diode 210, a signal with the largest size is generated, and the size decreases as the incident position of the photon moves away from the center.

이때, 단일광자 검출장치(110)가 게이티드 가이거 모드로 동작(SPAD)할 경우, 상대적으로 차전압(ΔV1)이 크게 형성되는 점 및 애노드단(A1)에 ??칭저항이 존재하지 않는 점에서, 생성되는 아발란치 신호(광전류)의 크기는 도 5에 도시된 그래프와 같이 포토 다이오드(210)의 수광 영역의 위치에 따라 뚜렷하게 구분된다. 도 5에서와 같이, 포토 다이오드(210)가 광자를 자신의 수광 영역 내 중심으로 입사받을 수 있는 위치를 510이라 가정하면, 포토 다이오드(210)가 510에 배치되었을 때 가장 큰 아발란치 신호가 생성되며 510으로부터 멀어질수록 점점 신호의 크기가 감소하게 된다.At this time, when the single photon detection device 110 operates in gated Geiger mode (SPAD), the differential voltage (ΔV 1 ) is formed relatively large and there is no quenching resistance at the anode end (A 1 ). In that, the size of the generated avalanche signal (photocurrent) is clearly distinguished depending on the position of the light receiving area of the photo diode 210, as shown in the graph shown in FIG. 5. As shown in Figure 5, assuming that 510 is the position where the photo diode 210 can receive photons at the center of its light-receiving area, when the photo diode 210 is placed at 510, the largest avalanche signal is It is generated, and as the distance from 510 increases, the size of the signal gradually decreases.

반면, 단일광자 검출장치(110)가 프리 런닝모드로 동작(NFAD)할 경우, ??칭저항(RQ)의 존재에 의해 애노드단(A2)에 일정 크기 이상의 전류가 흐르면 차단되는 점에서, 도 6에 도시된 그래프와 같이 저항에 의한 아발란치 신호의 강하가 발생한다. 510으로부터 일정한 거리만큼 떨어진 위치에서 510으로 근접할수록 아발란치 신호의 크기는 증가하나, 510으로부터 기 설정된 반경 내에서는 510과의 거리차와 무관하게 아발란치 신호가 포화(Saturation)되어 유사한 크기의 아발란치 신호가 생성된다. On the other hand, when the single photon detection device 110 operates in free running mode (NFAD), the anode terminal (A 2 ) is blocked when a current of a certain size or more flows due to the presence of the quenching resistance (R Q ). , a drop in the avalanche signal occurs due to resistance, as shown in the graph shown in FIG. 6. The size of the avalanche signal increases as it approaches 510 at a certain distance away from the 510, but within a preset radius from the 510, the avalanche signal is saturated regardless of the distance difference from the 510 and becomes a signal of similar size. An avalanche signal is generated.

이와 같은 특징은 다음의 결과를 불러올 수 있다. NFAD가 광자를 검출할 장소에 배치될 필요가 있는 상황에서 NFAD가 바로 해당 장소에 배치될 경우, NFAD로부터 생성되는 아발란치 신호의 포화로 인해 포토 다이오드(210)가 수광영역 내 광자를 정확히 수광할 수 있는 위치(510)에 정확히 배치될 수 있는 확률은 지극히 낮아진다. 반면, 단일광자 검출장치(110)는 NFAD 역할과 SPAD 역할을 모두 수행할 수 있기에, NFAD 역할의 장치(110)가 배치될 필요가 있는 상황이더라도, 장치(110)가 SPAD 역할을 먼저 수행하여 포토 다이오드(210)가 광자를 수광할 수 있는 최적의 위치(510)를 찾을 수 있으며, 해당 위치에 배치된 장치가 NFAD의 역할을 수행할 수 있다. 단일광자 검출장치(110)는 외부장치(미도시)와 연결되는 단자(또는 터미네이션되는 단자)만 달라지면 수행하는 역할이 달라질 수 있기 때문에, 단일광자 검출장치(110)가 NFAD의 역할을 수행할 필요가 있는 상황에서라도, 위치(510)로의 정렬에 있어 SPAD의 역할을 우선하여 수행함으로써 최적의 위치(510)를 손쉽게 찾을 수 있다.These characteristics can lead to the following results: In a situation where the NFAD needs to be placed at a location to detect photons, if the NFAD is placed at that location, the photo diode 210 accurately receives photons within the light receiving area due to saturation of the avalanche signal generated from the NFAD. The probability of being accurately placed in the possible position 510 is extremely low. On the other hand, the single photon detection device 110 can perform both the NFAD role and the SPAD role, so even in a situation where the NFAD device 110 needs to be deployed, the device 110 performs the SPAD role first to detect the photo. The optimal position 510 where the diode 210 can receive photons can be found, and a device placed at that position can perform the role of an NFAD. Since the role that the single photon detection device 110 performs may vary if only the terminal (or terminated terminal) connected to an external device (not shown) changes, the single photon detection device 110 needs to perform the role of an NFAD. Even in a situation where there is, the optimal position 510 can be easily found by prioritizing the role of the SPAD in aligning to the position 510.

광자의 검출에 있어 최적의 위치를 찾는 것과 그렇지 못한 것은 다음과 같은 차이를 불러올 수 있다.Finding the optimal location for photon detection or not can lead to the following differences.

NFAD로 동작하는 장치(110)가 바로 정렬된 경우, SPAD가 우선하여 정렬된 경우에 비해 단일광자 검출장치의 검출효율이 8 내지 12% 감소한다. 검출효율의 감소는 ??칭 저항이 커질 경우 보다 뚜렷이 나타날 수 있다. ??칭 저항의 크기가 증가할 경우, 검출효율은 12 내지 15%까지 감소한다. When the device 110 operating as an NFAD is aligned directly, the detection efficiency of the single photon detection device is reduced by 8 to 12% compared to when the SPAD is aligned first. The decrease in detection efficiency can be more evident when the quenching resistance increases. When the size of the quenching resistor increases, the detection efficiency decreases by 12 to 15%.

단일광자 검출장치(110)가 SPAD와 NFAD 모두로 동작할 수 있기에, 보다 정확히 정렬되어 광자의 검출효율을 향상시킬 수 있다.Since the single photon detection device 110 can operate as both SPAD and NFAD, photon detection efficiency can be improved by more accurate alignment.

다만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 단일광자 검출장치(110)가 SPAD로 동작하기 위해서는 상대적으로 엄격히 제한된 환경에서 동작하여야 한다. 이에, 단일광자 검출장치(110), 특히, 포토 다이오드(210)는 NFAD로 동작할 경우 최적의 위치로 정렬함에 있어, 우선적으로 SPAD 대신 선형 모드로 동작할 수 있다. 포토 다이오드(210) 양단에 포토 다이오드(210)가 선형 모드로 동작할 수 있을 크기의 전압이 인가되도록, 단일광자 검출장치(110)의 캐소드 단(C)으로 적절한 크기의 전압이 인가된다. 포토 다이오드(210)가 선형 모드로 동작할 경우, 제2 애노드단(A2)은 터미네이션 되거나 오픈(Open)될 수 있다. 제2 애노드단이 터미네이션되거나 오픈될 경우, 포토 다이오드에서 생성되는 광전류는 제1 애노드단(A1)으로 출력된다. 포토 다이오드(210)가 선형 모드로 동작할 경우, SPAD로 동작할 때의 출력과 같이 제1 애노드단(A1)에서 광자가 정확히 수광되는 위치에서 가장 큰 크기의 신호가 검출된다. 이에 따라, 단일광자 검출장치(110)는 광자를 수광할 수 있는 최적의 위치(510)를 찾을 수 있다. However, it is not necessarily limited to this. In order for the single photon detection device 110 to operate as a SPAD, it must operate in a relatively strictly restricted environment. Accordingly, when operating as an NFAD, the single photon detection device 110, especially the photo diode 210, may preferentially operate in a linear mode instead of a SPAD when aligning to an optimal position. A voltage of an appropriate size is applied to the cathode terminal (C) of the single photon detection device 110 so that a voltage of a size that allows the photo diode 210 to operate in a linear mode is applied to both ends of the photo diode 210. When the photo diode 210 operates in linear mode, the second anode terminal A 2 may be terminated or open. When the second anode stage is terminated or open, the photocurrent generated by the photo diode is output to the first anode stage (A 1 ). When the photo diode 210 operates in linear mode, the largest signal is detected at the position where photons are accurately received at the first anode terminal (A 1 ), like the output when operating as a SPAD. Accordingly, the single photon detection device 110 can find the optimal position 510 for receiving photons.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치가 NFAD로 동작함에 있어 광자가 입사되는 최적의 위치로 정렬되는 방법을 도시한 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating how the single photon detection device according to an embodiment of the present invention is aligned to the optimal position where photons are incident when operating as an NFAD.

단일광자 검출장치(110)는 SPAD로 동작한다(S710). 단일광자 검출장치(110)는 NFAD로 동작하기에 앞서, 먼저 게이티드 가이거 모드로 동작하여 SPAD로서 동작한다. 다만, 전술한 대로, 반드시 단일광자 검출장치(110)가 SPAD로서 동작하는 것에 한정되는 것은 아니고, 선형 모드로 동작할 수 있다. The single photon detection device 110 operates as a SPAD (S710). Before operating as an NFAD, the single photon detection device 110 first operates in gated Geiger mode and operates as a SPAD. However, as described above, the single photon detection device 110 is not necessarily limited to operating as a SPAD, and may operate in a linear mode.

단일광자 검출장치(110)는 위치를 조정하며 각 위치에서의 광전류량을 측정한다(S720). 광자가 자신의 중심으로 입사할 수 있는 위치로의 정렬을 위해, 단일광자 검출장치(110)는 조정될 수 있는 범위 내에서 위치를 조정하며 각 위치에서의 아발란치 신호(광전류)의 크기를 측정한다.The single photon detection device 110 adjusts its position and measures the amount of photocurrent at each position (S720). In order to align the photon to a position where it can enter its center, the single photon detection device 110 adjusts the position within an adjustable range and measures the size of the avalanche signal (photocurrent) at each position. do.

단일광자 검출장치(110)는 가장 큰 광전류가 발생한 위치로 위치를 조정한다(S730). 단일광자 검출장치(110)는 SPAD로 동작하면서 가장 큰 광전류가 발생한 위치로 위치를 조정한다. 단일광자 검출장치(110)가 SPAD로 동작하기 때문에, 광자가 자신의 중심으로 입사할 수 있는 위치로 정확히 정렬을 할 수 있다.The single photon detection device 110 adjusts its position to the position where the largest photocurrent occurs (S730). The single photon detection device 110 operates as a SPAD and adjusts its position to the location where the largest photocurrent occurs. Since the single photon detection device 110 operates as a SPAD, it can accurately align the photon to a position where it can enter its center.

단일광자 검출장치(110)는 해당 위치에서 NFAD로 동작한다(S740). The single photon detection device 110 operates as an NFAD at the corresponding location (S740).

도 7에서는 각 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 각 도면에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 각 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 7은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.In Figure 7, each process is described as being sequentially executed, but this is merely an illustrative explanation of the technical idea of an embodiment of the present invention. In other words, a person skilled in the art to which an embodiment of the present invention pertains can change the order depicted in each drawing or perform one or more of the processes without departing from the essential characteristics of an embodiment of the present invention. Since various modifications and variations can be applied by executing in parallel, FIG. 7 is not limited to a time series order.

한편, 도 7에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽힐 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.Meanwhile, the processes shown in FIG. 7 can be implemented as computer-readable codes on a computer-readable recording medium. Computer-readable recording media include all types of recording devices that store data that can be read by a computer system. That is, computer-readable recording media include storage media such as magnetic storage media (eg, ROM, floppy disk, hard disk, etc.) and optical read media (eg, CD-ROM, DVD, etc.). Additionally, computer-readable recording media can be distributed across networked computer systems so that computer-readable code can be stored and executed in a distributed manner.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an illustrative explanation of the technical idea of the present embodiment, and those skilled in the art will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Accordingly, the present embodiments are not intended to limit the technical idea of the present embodiment, but rather to explain it, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these examples. The scope of protection of this embodiment should be interpreted in accordance with the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of rights of this embodiment.

110: 단일광자 검출장치
120: 직류 전원
125: 게이트 전원
200: 단일광자 검출 시스템
110: Single photon detection device
120: DC power
125: gate power
200: Single photon detection system

Claims (7)

SPAD(Single Photon Avalanche Diode)로 동작되는 단일광자 검출소자 및 NFAD(Negative Feedback Avalanche Diode)로 동작되는 단일광자 검출소자 모두로 동작 가능하되, 어느 하나로 선택적으로 동작하는 아발란치 포토 다이오드가 NFAD로서 광자를 자신의 중심으로 입사받기 위한 위치로 정렬되는 방법에 있어서,
상기 아발란치 포토 다이오드가 SPAD로서 동작하는 제1 동작과정;
SPAD로서 동작하는 아발란치 포토 다이오드가 위치를 조정하며 각 위치에서의 아발란치 신호를 측정하는 측정과정;
상기 측정과정에서 측정된 아발란치 신호 중 가장 큰 아발란치 신호가 발생한 위치로 상기 아발란치 포토 다이오드의 위치를 조정하는 조정과정; 및
상기 아발란치 포토 다이오드가 NFAD로서 동작하는 제2 동작과정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 아발란치 포토 다이오드 위치 정렬 방법.
It can be operated as both a single photon detection device operated by SPAD (Single Photon Avalanche Diode) and a single photon detection device operated by NFAD (Negative Feedback Avalanche Diode), but an avalanche photo diode that selectively operates as an NFAD is a photon detection device. In the method of arranging the position to receive employment with its center,
A first operation process in which the avalanche photo diode operates as a SPAD;
A measurement process in which an avalanche photo diode operating as a SPAD adjusts its position and measures the avalanche signal at each position;
An adjustment process of adjusting the position of the avalanche photo diode to a position where the largest avalanche signal among the avalanche signals measured in the measurement process occurred; and
Second operation process in which the avalanche photodiode operates as an NFAD
Avalanche photodiode position alignment method comprising:
제1항에 있어서,
상기 아발란치 포토 다이오드는,
제1 직류 전원과 게이트 전원 또는 제2 직류 전원을 인가받는 캐소드단, 접지단, 광자가 입사될 때 SPAD로서의 아발란치 신호를 출력하는 제1 애노드단 및 광자가 입사될 때, NFAD로서의 아발란치 신호를 출력하는 제2 애노드단을 포함하는 것을 특징으로 하는 아발란치 포토 다이오드 위치 정렬 방법.
According to paragraph 1,
The avalanche photodiode is,
A cathode terminal receiving the first direct current power and gate power or a second direct current power supply, a ground terminal, a first anode terminal outputting an avalanche signal as a SPAD when a photon is incident, and an avalanche terminal as an NFAD when a photon is incident. An avalanche photodiode position alignment method comprising a second anode stage that outputs a value signal.
제2항에 있어서,
상기 아발란치 포토 다이오드가 SPAD로서 동작할 경우, 상기 캐소드단, 상기 접지단 및 상기 제1 애노드단이 연결되는 것을 특징으로 하는 아발란치 포토 다이오드 위치 정렬 방법.
According to paragraph 2,
When the avalanche photo diode operates as a SPAD, the cathode terminal, the ground terminal, and the first anode terminal are connected.
제3항에 있어서,
상기 제1 애노드단으로 제1 검출 저항이 연결되며, 생성되는 아발란치 신호가 검출되는 것을 특징으로 하는 아발란치 포토 다이오드 위치 정렬 방법.
According to paragraph 3,
An avalanche photo diode position alignment method, characterized in that a first detection resistor is connected to the first anode terminal, and the generated avalanche signal is detected.
제2항에 있어서,
상기 아발란치 포토 다이오드가 NFAD로서 동작할 경우, 상기 캐소드단, 상기 접지단 및 상기 제2 애노드단이 연결되는 것을 특징으로 하는 아발란치 포토 다이오드 위치 정렬 방법.
According to paragraph 2,
When the avalanche photo diode operates as an NFAD, the avalanche photo diode position alignment method is characterized in that the cathode terminal, the ground terminal, and the second anode terminal are connected.
제5항에 있어서,
상기 아발란치 포토 다이오드가 NFAD로서 동작할 경우, 상기 제2 애노드단으로 ??칭(Quenching) 저항이 연결되는 것을 특징으로 하는 아발란치 포토 다이오드 위치 정렬 방법.
According to clause 5,
When the avalanche photo diode operates as an NFAD, a quenching resistor is connected to the second anode terminal.
제6항에 있어서,
상기 ??칭저항은,
아발란치 신호의 강하를 발생시키는 것을 특징으로 하는 아발란치 포토 다이오드 위치 정렬 방법.

According to clause 6,
The above ??quenching resistance is,
An avalanche photodiode position alignment method characterized by generating a drop in the avalanche signal.

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