【新品】全球首款带宽高达20 GHz的量子级联探测器

2023-05-06 13:43:21, 刘善良滨松光子学商贸（中国）有限公司

量子级联探测器(quantum cascade detector, QCD)于21世纪初被提出，是新型的光伏型量子阱红外探测器。其工作原理基于电子吸收光子后在量子阱的子带间跃迁并且激发态电子形成无需外加偏置电压的定向输运。量子级联探测器通常由两种禁带宽度不同的半导体材料交替生长而成，通过能带将材料的导带设计成量子阱结构，其探测波长可覆盖红外与太赫兹波段。无外加电场时，量子级联探测器在无光照条件下不会产生电流（无暗电流），仅在有光子入射的情况下，才会输出光电流。

全球首款高速量子级联探测器P16309-01

一直以来全球范围内有许多科研机构从事QCD的研究和开发，但在产品化的路上没有实质性突破。滨松公司利用层压半导体薄膜所产生的量子效应来实现高截止频率，针对QCD自身灵敏度偏低的问题，凭借多年的量子结构设计技术以及滨松自有的晶体生长技术和半导体工艺技术，成功推出了全球首款高速量子级联探测器P16309-01，带宽高达20 GHz，灵敏度高达1 mA/W。

图1 滨松QCD探测器P16309-01示意图

P16309-01产品特点

1、室温工作，无需制冷；

2、峰值波长4.65 μm，灵敏度1 mA/W，探测率1.5*10⁹ cm*Hz^1/2/W；

3、工作时无需外加电压，即不需要外部电源；

4、紧凑小巧（40*13.7*24 mm），内置聚焦透镜，便于光路调节；

5、截止频率高达20 GHz（-3dB）。

图2 滨松QCD探测器P16309-01实测信号

P16309-01应用范围

1、皮秒级超快现象

如植物的光合作用、超大规模集成电路产生的电脉冲、激光器产生的超短激光脉冲等，持续时间小于1 μs的现象称为超快现象。

图3 物质微观体系中各瞬态现象的时间尺度

2、时间拉伸红外光谱（Time-stretch infrared spectroscopy）

当前红外光谱仪的最高采样频率约1 MHz，这速率对于气体燃烧、蛋白结构变化等过程来讲还是不够快。基于时间拉伸技术设计的超快红外光谱仪（又称色散傅里叶变换红外光谱仪），可以将检测速率提升至80 MHz。fs级的混合激光脉冲在FACED系统中被延迟伸展为ns级的时间相关光谱，通过样品后被量子级联探测器（QCD）探测。

图4 时间拉伸红外光谱仪的结构及工作示意图

3、自由空间中红外通信

适用于自由空间光通信的窗口包括0.8 μm、1.55 μm近红外波段以及4.5~5.2 μm、8~12 μm中红外波段，长波红外激光所受到的大气影响较近红外激光要小，可以增加系统传输距离，提高通信系统稳定性。

图5 自由空间中红外通信示意图

4、外差探测

光信号探测分为直接探测和外差探测两种。直接探测响应的是信号光强信息，但不响应光波的相位信息，仅适用于强度调制检测。外差探测是一种光频相干检测，基于相干的参考光和入射信号光在光敏面上混频的原理实现。与直接探测相比，外差探测具有良好的滤波性能、良好的空间和偏振鉴别能力，可以响应信号的振幅、频率和相位信息。

图6 激光外差探测系统示意图

5、其它潜在应用：细胞分选、中红外光频梳

图7 左：细胞分选信号探测示意图右：中红外光频梳示意图

QCD探测系统装置示意图

QCD探测器信号采集和读取需要配套高速放大器和示波器，对于放大器的要求带宽不低于26 GHz，示波器的带宽不低于16 GHz。

图8 QCD探测系统装置示意图

量子级联探测器功耗低、发热量低，可用于制备低能耗的成像芯片阵列。基于以上优点，量子级联探测器有望成为微光探测、卫星遥感、星地高速激光通信以及高对比度红外成像等应用极具前景的红外探测器。

有关滨松量子级联探测器QCD的介绍就到此结束了，如果还有疑问欢迎在评论区留言，工程师在线真人回复。

参考文献：

[1] Kawai, A. , Badarla, V. R. , Hashimoto, K. , Imamura, T. , & Ideguchi, T. . (2019). Time-stretch infrared spectroscopy.

文章链接：https://www.nature.com/articles/s42005-020-00420-3#citeas

[2] Dougakiuchi T , Akikusa N . Application of High-Speed Quantum Cascade Detectors for Mid-Infrared, Broadband, High-Resolution Spectroscopy.[J]. Sensors (Basel, Switzerland), 2021, 21(17).

文章链接：https://www.mdpi.com/1424-8220/21/17/5706