SPAD

Single-Photon Avalanche Diodes(SPADs)는 단일광자를 검출할 수 있도록 설계된 초고감도 광검출기로, 탁월한 시간 분해능을 제공합니다. 일반적인 포토다이오드와 달리, SPAD는 avalanche 항복 전압 이상으로 바이어스를 인가한 Geiger 모드에서 동작합니다.

활성 영역에서 단일광자가 흡수되면, 전자-정공 쌍이 생성되고, 강한 전기장에 의해 애벌랜치 증폭 과정이 시작됩니다. 이 과정에서 이득(gain)은 보통 10 ~10 범위에 이르기때문에 단일광자만으로도 큰 전기적 펄스를 생성해 쉽게 검출할 수 있습니다.

우리는 InGaAs을 기반으로 SPAD를 연구합니다.

Application

InGaAs SPAD는 SWIR 영역(Short-Wave Infrared, 단파적외선, 900~1700 nm)에서 고감도/고속 성능을 제공하여 첨단 산업과 연구 전반에서 핵심적이 역할을 합니다.

양자 통신 (Quantum Communication)

기존 광통신망에서 사용하는 고강도 광원은 산란과 흡수로 인해 에너지 손실이 발생하여 전송 신뢰도가 저하됩니다.
양자 통신은 약 1,500 nm 파장 광원을 사용하여 광자 흡수가 적고, 장거리에서도 에너지를 잘 보존합니다.
InGaAs SPAD는 단일 광자를 고정밀/저잡음으로 검출할 수 있어, 양자 키 분배(Quantum Key Distribution, QKD)의 구현에 필수적인 역할을 합니다.

LiDAR 및 3D 이미징 (LiDAR and 3D Imaging)

InGaAs SPAD arrays는 자동차, 로보틱스, 산업 시스템에서 LiDAR용 정밀한 비행시간 (ToF) 측정을 지원합니다.
SWIR 감도를 바탕으로 강한 주변광 환경이나 장거리에서도 안정적인 검출이 가능합니다.
다중 픽셀 배열(Multi-pixel configuration)을 통해 자율주행과 매핑에 필요한 고해상도 3D 이미징을 구현할 수 있습니다.

국방 및 항공우주 시스템 (Defense and Aerospace System)

InGaAs SPAD arrays는 자동차, 로보틱스, 산업 시스템에서 LiDAR용 정밀한 비행시간 (ToF) 측정을 지원합니다.
SWIR 감도를 바탕으로 강한 주변광 환경이나 장거리에서도 안정적인 검출이 가능합니다.
다중 픽셀 배열(Multi-pixel configuration)을 통해 자율주행과 매핑에 필요한 고해상도 3D 이미징을 구현할 수 있습니다.

바이오포토닉스 및 의료 이미징 (Biophotonics and Medical Imaging)

SPAD 기반 검출기는 형광 수명 이미징 현미경 (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy)과 같은 시간 분해 이미징에 필수적입니다.
저조도 환경에서도 고대비 이미징을 제공하여 세포 수준의 생물학적 과정을 관찰할 수 있습니다.
SWIR 이미징에서 심부 조직 진단에 효과적이며, 암 탐지, 신경과학, 생체 내 모니터링 (in-vivo monitoring)에 활용됩니다.

Characteristic

파장 범위 (Wavelength Range)
SPAD가 효과적으로 검출할 수 있는 광자 파장 범위를 의미합니다. 이 범위 밖에서는 장파장에서 광자 에너지가 부족하거나 단파장에서 흡수 깊이가 제한되어 검출 효율이 감소합니다. InGaAs SPAD는 특히 광섬유가 최소 손실을 보이는 통신 윈도우(약 1,550 nm)에서 광자 검출에 적합합니다.

검출 효율 (Detection Efficiency, PDE: Photon Detection Efficiency)
PDE는 입사하는 광자가 SPAD에 의해 성공적으로 검출될 확률을 의미합니다. 이는 검출된 광자 수를 입사한 광자 수로 나눈 값으로 계산됩니다. 실제 조건에서는 잘못된 검출(다크 카운트)이 발생하기 때문에, 실제 PDE는 이를 고려해 조정됩니다.

암신호 발생률 (Dark Count Rate, DCR)
실제 광자가 아니라 열적으로 생성된 캐리어에 의해 발생하는 잘못된 검출 이벤트를 초당 몇 번 일어나는지를 나타냅니다. 낮은 DCR은 신호 대 잡음비(SNR)를 개선하며, 특히 저조도 및 양자 응용에서 중요합니다.

타이밍 지터 (Timing Jitter)
광자 검출의 시간적 정밀도를 측정하는 것으로, 광자가 도착한 정확한 시점을 결정하는 데 있어서의 불확실성을 의미합니다. 낮은 지터는 더 정확한 비행 시간(ToF) 측정과 고해상도 시간 이미징을 가능하게 합니다.

데드 타임 (Dead Time)
광자를 검출한 후 SPAD가 리셋되어 다음 이벤트를 준비하는 데 필요한 짧은 시간 구간을 의미합니다. 이 시간은 최대 카운트 속도에 영향을 주며, 퀜칭 회로 설계에 의해 좌우됩니다.

애프터펄싱 (Afterpulsing)광자를 검출한 후 SPAD가 리셋되어 다음 이벤트를 준비하는 데 필요한 짧은 시간 구간을 의미합니다. 이 시간은 최대 카운트 속도에 영향을 주며, 퀜칭 회로 설계에 의해 좌우됩니다.