آرا پرتو

همه‌چیز درباره SPAD: دیود آوالانچ تک‌فوتونی

مقدمه: SPAD چیست و چرا اهمیت دارد؟

در دنیای نوری و کوانتومی، گاهی تشخیص یک فوتون منفرد می‌تواند کل تفاوت را رقم بزند. SPAD یا Sin­gle-Pho­ton Avalanche Diode نوعی آشکارساز نوری است که توانایی ثبت حضور یک فوتون منفرد را با دقت بالا و سرعت زیاد دارد. این ویژگی باعث شده تا SPAD به یکی از حیاتی‌ترین اجزای فناوری‌های نوین تبدیل شود؛ از رمزنگاری کوانتومی گرفته تا تصویربرداری بیولوژیکی و سیستم‌های لایدار (LiDAR).

 ساختار و عملکرد SPAD

ساختار پایه:

SPAD نوع خاصی از دیودهای آوالانچ (APD) است که در حالت بایاس فراتر از ولتاژ شکست (Geiger mode) کار می‌کند.

• جنس: معمولاً سیلیکون (برای طیف مرئی تا 1000 نانومتر) یا InGaAs (برای 1550 نانومتر)

• ساختار: ناحیه‌های p‑n یا p‑i-n با منطقه گسترش‌شده برای افزایش احتمال جذب فوتون

 مکانیسم عملکرد:

1. دیود SPAD در حالت Geiger بایاس می‌شود (ولتاژی بالاتر از آستانه شکست).

2. یک فوتون وارد می‌شود → ایجاد جفت الکترون–حفره

3. این جفت باعث شروع واکنش آوالانچ در منطقه فعال می‌شود.

4. جریان ناگهانی تولید می‌شود که نشان‌دهنده تشخیص یک فوتون است.

5. مدار کوئنچینگ (خاموش‌کننده) جریان را قطع می‌کند تا دیود برای تشخیص بعدی آماده شود.

مشخصه‌های کلیدی SPAD

 اجزای کلیدی سیستم SPAD

1. دیود SPAD: عنصر حسگر اصلی

2. مدار کوئنچینگ:

   • Pas­sive Quench­ing: ساده، ولی با زمان بازیابی بالا

   • Active Quench­ing: سریع‌تر، مناسب نرخ‌های بالا

3. مدارهای پردازش سیگنال: برای شمارش، تایم‌تگینگ، و تشخیص زمان

4. خنک‌کننده‌ها (در برخی مدل‌ها): برای کاهش نویز تاریک

🌍 کاربردهای صنعتی و علمی SPAD

1. رمزنگاری کوانتومی (Quantum Key Distribution — QKD)

• تشخیص فوتون‌های منفرد در سیستم‌های امن

• SPAD در QKD مبتنی بر BB84 یا E91 نقش کلیدی دارد

 2. تصویربرداری بیولوژیکی و پزشکی

• بیولومینسانس و فلورسانس با شدت پایین

• SPAD array برای Time-Cor­re­lat­ed Sin­gle Pho­ton Count­ing (TCSPC)

 3. فناوری LiDAR

• تشخیص فوتون بازتابی از اشیا در فواصل دور

• SPAD با رزولوشن زمانی بالا برای اندازه‌گیری عمق

 4. تحقیقات کوانتومی

• در تداخل‌سنجی، همبستگی فوتونی و تست‌های کوانتومی

 5. مخابرات نوری

• تشخیص فوتون‌های منفرد در سیستم‌های Free-Space Opti­cal یا فیبر نوری

 تولیدکنندگان معتبر SPAD

 مزایا و معایب SPAD

 مزایا:

• حساسیت بالا به تک‌فوتون‌ها

• زمان پاسخ سریع

• قابلیت استفاده در ماتریس‌ها (array)

• قیمت پایین‌تر از SNSPD

• عملکرد در دمای اتاق (در برخی مدل‌ها)

 معایب:

• نویز تاریک بالا در دمای اتاق

• after­puls­ing

• محدودیت در طول‌موج نسبت به SNSPD

• اشباع در نرخ‌های بالا

 نوآوری‌ها و روندهای آینده

• SPAD Array ها: نسل جدید سنسورها با صدها یا هزاران پیکسل برای تصویربرداری تک‌فوتونی

• CMOS SPAD: یکپارچه‌سازی SPAD با چیپ‌های دیجیتال برای تصویربرداری و سیستم‌های هوشمند

• LiDAR سه‌بعدی با SPAD: استفاده در خودروهای خودران و رباتیک

• ادغام با FPGA: برای زمان‌بندی دقیق و شمارش سریع در سیستم‌های تحقیقاتی

 نتیجه‌گیری

SPAD پلی است میان فیزیک کلاسیک و کوانتومی. این دیودهای ساده ولی قدرتمند، امکان مشاهده و اندازه‌گیری پدیده‌هایی را فراهم می‌کنند که پیش از این خارج از دسترس ما بودند. با رشد فناوری‌های کوانتومی، حسگرهای تک‌فوتونی مانند SPAD در قلب بسیاری از کاربردهای آینده قرار خواهند گرفت — از امنیت دیجیتال گرفته تا هوش مصنوعی نوری.