論文の概要: Exponential-recovery model for free-running SPADs with capacity-induced dead-time imperfections
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.10361v1
- Date: Mon, 14 Jul 2025 15:03:29 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-07-15 18:48:25.256111
- Title: Exponential-recovery model for free-running SPADs with capacity-induced dead-time imperfections
- Title（参考訳）: キャパシティによる致命的不完全性を有する自由走行SPADの指数回復モデル
- Authors: Jan Krause, Nino Walenta,
- Abstract要約: 単一光子アバランシェダイオード(SPAD)の現在のカウントレートモデルは、デッドタイム後の量子効率の即時回復を仮定する。
デッドタイム後の量子効率の非瞬時的指数的回復をモデル化するフリーランニングSPADに対する一般化された解析的カウントレートモデルを提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Current count-rate models for single-photon avalanche diodes (SPADs) typically assume an instantaneous recovery of the quantum efficiency following dead-time, leading to a systematic overestimation of the effective detection efficiency for high photon flux. To overcome this limitation, we introduce a generalized analytical count-rate model for free-running SPADs that models the non-instantaneous, exponential recovery of the quantum efficiency following dead-time. Our model, framed within the theory of non-homogeneous Poisson processes, only requires one additional detector parameter -- the exponential-recovery time constant $\tau_\mathrm{r}$. The model accurately predicts detection statistics deep into the saturation regime, outperforming the conventional step-function model by two orders of magnitude in terms of the impinging photon rate. For extremely high photon flux, we further extend the model to capture paralyzation effects. Beyond photon flux estimation, our model simplifies SPAD characterization by enabling the extraction of quantum efficiency $\eta_0$, dead-time $\tau_\mathrm{d}$, and recovery time constant $\tau_\mathrm{r}$ from a single inter-detection interval histogram. This can be achieved with a simple setup, without the need for pulsed lasers or externally gated detectors. We anticipate broad applicability of our model in quantum key distribution (QKD), time-correlated single-photon counting (TCSPC), LIDAR, and related areas. Furthermore, the model is readily adaptable to other types of dead-time-limited detectors. A Python implementation is provided as supplementary material for swift adoption.
- Abstract（参考訳）: 単一光子アバランシェダイオード(SPAD)の現在のカウントレートモデルは、デッドタイム後の量子効率の即時回復を前提とし、高光子フラックスに対する効果的な検出効率を体系的に過大評価する。
この制限を克服するために、デッドタイム後の量子効率の非瞬時的指数的回復をモデル化する、フリーランニングSPADに対する一般化された解析的カウントレートモデルを導入する。
我々のモデルは、不均一なポアソン過程の理論の中に組み込まれており、指数的回復時間定数$\tau_\mathrm{r}$という1つの追加検出器パラメータしか必要としない。
このモデルは、飽和状態の奥深くにある検出統計を正確に予測し、干渉光子率の点で従来のステップ関数モデルより2桁高い精度で予測する。
非常に高い光子フラックスに対して、パラリン化効果を捉えるためにモデルをさらに拡張する。
光子フラックス推定の他に、我々のモデルは、量子効率$\eta_0$、デッドタイム$\tau_\mathrm{d}$、リカバリ時間定数$\tau_\mathrm{r}$を単一の検出間隔ヒストグラムから抽出することでSPAD特性を単純化する。
これは、パルスレーザーや外部ゲート検出器を必要とせずに、簡単な設定で実現できる。
我々は、量子鍵分布(QKD)、時間関連単一光子計数(TCSPC)、LIDAR、および関連する領域における我々のモデルの適用性を期待する。
さらに、このモデルは、他のタイプのデッドタイム制限検出器にも容易に適応できる。
Pythonの実装は、迅速な採用のための補助材料として提供される。
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