【新品】全球首款帶寬高達20 GHz的量子級聯探測器
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量子級聯探測器(quantum cascade detector, QCD)于21世紀初被提出，是新型的光伏型量子阱紅外探測器。其工作原理基于電子吸收光子后在量子阱的子帶間躍遷并且激發態電子形成無需外加偏置電壓的定向輸運。量子級聯探測器通常由兩種禁帶寬度不同的半導體材料交替生長而成，通過能帶將材料的導帶設計成量子阱結構，其探測波長可覆蓋紅外與太赫茲波段。無外加電場時，量子級聯探測器在無光照條件下不會產生電流（無暗電流），僅在有光子入射的情況下，才會輸出光電流。
一直以來全球范圍內有許多科研機構從事QCD的研究和開發，但在產品化的路上沒有實質性突破。濱松公司利用層壓半導體薄膜所產生的量子效應來實現高截止頻率，針對QCD自身靈敏度偏低的問題，憑借多年的量子結構設計技術以及濱松自有的晶體生長技術和半導體工藝技術，成功推出了全球首款高速量子級聯探測器P16309-01，帶寬高達20 GHz，靈敏度高達1 mA/W。
圖1 濱松QCD探測器P16309-01示意圖
P16309-01產品特點
1、室溫工作，無需制冷； 2、峰值波長4.65 μm，靈敏度1 mA/W，探測率1.5*109 cm*Hz1/2/W； 3、工作時無需外加電壓，即不需要外部電源； 4、緊湊小巧（40*13.7*24 mm），內置聚焦透鏡，便于光路調節； 5、截止頻率高達20 GHz（-3dB）。
圖2 濱松QCD探測器P16309-01實測信號
P16309-01應用范圍
1、皮秒級超快現象 如植物的光合作用、超大規模集成電路產生的電脈沖、激光器產生的超短激光脈沖等，持續時間小于1 μs的現象稱為超快現象。 2、時間拉伸紅外光譜（Time-stretch infrared spectroscopy） 當前紅外光譜儀的最高采樣頻率約1 MHz，這速率對于氣體燃燒、蛋白結構變化等過程來講還是不夠快?；跁r間拉伸技術設計的超快紅外光譜儀（又稱色散傅里葉變換紅外光譜儀），可以將檢測速率提升至80 MHz。fs級的混合激光脈沖在FACED系統中被延遲伸展為ns級的時間相關光譜，通過樣品后被量子級聯探測器（QCD）探測。 3、自由空間中紅外通信 適用于自由空間光通信的窗口包括0.8 μm、1.55 μm近紅外波段以及4.5~5.2 μm、8~12 μm中紅外波段，長波紅外激光所受到的大氣影響較近紅外激光要小，可以增加系統傳輸距離，提高通信系統穩定性。 4、外差探測 光信號探測分為直接探測和外差探測兩種。直接探測響應的是信號光強信息，但不響應光波的相位信息，僅適用于強度調制檢測。外差探測是一種光頻相干檢測，基于相干的參考光和入射信號光在光敏面上混頻的原理實現。與直接探測相比，外差探測具有良好的濾波性能、良好的空間和偏振鑒別能力，可以響應信號的振幅、頻率和相位信息。 5、其它潛在應用：細胞分選、中紅外光頻梳
QCD探測系統裝置示意圖
QCD探測器信號采集和讀取需要配套高速放大器和示波器，對于放大器的要求帶寬不低于26 GHz，示波器的帶寬不低于16 GHz。
參考文獻： [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).
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