Dalam perkembangan terbaru di dunia fotonik kuantum, tim peneliti dari Yonsei University, Korea, telah berhasil mengoptimalkan kinerja Single-Photon Avalanche Diodes (SPAD), yang menjanjikan terobosan signifikan dalam perangkat fotonik kuantum yang dapat beroperasi pada suhu ruang. Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan efisiensi deteksi foton dan mempercepat waktu respons dari SPAD, yang sering kali digunakan dalam aplikasi seperti distribusi kunci kuantum (QKD) dan pengukuran optik lainnya.
SPAD merupakan alternatif yang lebih praktis dan hemat biaya dibandingkan dengan detektor foton berbasis superconducting nanowire (SNSPDs), yang selama ini memerlukan sistem pendinginan kriogenik. Ketergantungan SNSPD pada suhu rendah membawa tantangan terkait konsumsi daya yang tinggi dan biaya operasional yang mahal. Sebaliknya, SPAD yang dapat beroperasi pada suhu ruang menghapus kebutuhan sistem pendinginan besar dan berfungsi sebagai solusi hemat biaya.
Namun, meskipun SPAD menawarkan keuntungan dalam hal suhu operasional dan biaya, kinerjanya masih perlu dioptimalkan, khususnya dalam hal waktu jitter dan efisiensi deteksi foton. Dalam penelitian ini, peneliti mengoptimalkan struktur guard-ring (GR) pada SPAD untuk mengurangi hambatan internal dan memperluas wilayah multiplikasi longsoran yang memungkinkan peningkatan efisiensi deteksi foton.
Melalui penggunaan simulasi perangkat berbasis TCAD, tim berhasil menunjukkan bahwa dengan mengganti guard-ring tradisional dengan struktur GR virtual, resistansi seri dapat dikurangi hingga 5,4 kali lipat, dan wilayah multiplikasi longsoran diperluas sekitar 20%. Peningkatan ini berdampak langsung pada peningkatan probabilitas deteksi foton (PDP) hingga 48% pada panjang gelombang 425 nm, yang merupakan salah satu parameter kunci dalam performa detektor foton.
Selain itu, optimasi ini juga mengurangi waktu jitter secara signifikan, yang meningkatkan kecepatan respon SPAD dalam mendeteksi foton dengan akurasi lebih tinggi. Meskipun ada sedikit peningkatan dalam tingkat hitungan gelap (dark count rate/DCR), nilai tersebut tetap berada dalam tingkat yang dapat diterima, yakni 3,9 cps/µm².
Penemuan ini membuka jalan bagi pengembangan lebih lanjut dari perangkat fotonik kuantum yang lebih efisien dan lebih murah, serta berpotensi mengubah berbagai aplikasi teknologi, mulai dari komunikasi kuantum hingga sensor optik.
Peneliti berharap, melalui pendekatan optimasi berbasis pemodelan ini, SPAD dapat lebih banyak diterapkan dalam aplikasi dunia nyata tanpa memerlukan biaya dan perangkat yang rumit. Inovasi ini juga menunjukkan potensi besar bagi integrasi perangkat SPAD dalam teknologi fotonik kuantum masa depan, yang akan mendukung kemajuan di berbagai bidang, termasuk keamanan data dan pemrosesan informasi kuantum.
Sumber:
Kim, E.-J., Choi, H.-S., Eom, D., Kim, J.-H., Zheng, P., Toh, E.-H., Quek, E., Kandasamy, D., Chow, Y. T., Choi, W.-Y., & Lee, M.-J. (2025). Modeling-Based Optimization of a Single-Photon Avalanche Diode: Towards Integrated Quantum Photonics Devices Operating at Room-Temperature. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 31(5), 3801509. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2025.3552673
