基于InGaAs(P)-InP APD的單光子探測器的研制和性能研究.pdf

1、單光子探測器是目前量子信息領(lǐng)域、激光雷達(dá)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的關(guān)鍵器件。基于InGaAs(P)/InP雪崩光電二極管(APD)的單光子探測器適用于近紅外波段，制冷要求低，響應(yīng)速度快，體積小巧，光纖與器件耦合較容易，實用性較強(qiáng)。然而，相對于超導(dǎo)納米線等性能更高的探測器以及用于可見光波段探測的光電倍增管和Si APD，基于InGaAs(P)/InP APD的單光子探測器的主要缺點(diǎn)在于其探測效率相對偏低，后脈沖概率較大。
　　單光子探測器常

2、用于量子通信、激光雷達(dá)、熒光壽命分析等應(yīng)用，不同應(yīng)用對探測器的性能和工作條件要求差別較大，且其各項性能指標(biāo)受外部參數(shù)影響較大。研究單光子探測器的性能與其工作模式和參數(shù)的關(guān)系，特別是后脈沖效應(yīng)與各參數(shù)的關(guān)系，針對不同應(yīng)用系統(tǒng)研究不同側(cè)重點(diǎn)的單光子探測技術(shù)，具有重要的研究意義和應(yīng)用價值。
　　本論文研制了基于InGaAs(P)/InP APD的近紅外自由運(yùn)轉(zhuǎn)單光子探測器和門控單光子探測器，對其性能的測試方法和影響因素進(jìn)行了研究，重點(diǎn)針

3、對后脈沖效應(yīng)進(jìn)行了深入研究，并在激光測距系統(tǒng)應(yīng)用中比較了兩種探測器的性能及其對系統(tǒng)性能的影響。主要的研究內(nèi)容如下:
　　1.綜合現(xiàn)有猝滅恢復(fù)電路的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計了超低延遲的主動猝滅主動恢復(fù)(AQAR)電路，研制了高性能的自由運(yùn)轉(zhuǎn)單光子探測器。設(shè)計了在APD的陽極或陰極進(jìn)行雪崩提取和猝滅的多種不同AQAR電路組合，不同電路組合具有不同的猝滅延遲和不同的最大過偏壓。對不同電路組合的雪崩猝滅性能進(jìn)行了比較研究，并以此為指導(dǎo)對電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)

4、。利用商用SiGe集成電路比較器、高速E-pHEMT射頻晶體管和電容平衡噪聲抑制電路設(shè)計了超低延遲的AQAR電路，其中巧妙地利用了比較器自身的鎖存功能實現(xiàn)雪崩后猝滅狀態(tài)的鎖存，降低了反饋環(huán)路延遲;引入了電容平衡法，較好地消除了微分噪聲。改進(jìn)的AQAR電路使雪崩持續(xù)時間短至約1ns，顯著提高了自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測器的性能。而且，該電路兼容門控功能，便于應(yīng)用和性能研究。研制的基于PGA-284型InGaAsP/InP APD的自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測器在-40

5、℃、10％探測效率、1μs死時間時后脈沖概率僅約4％，暗計數(shù)約482Hz，最短死時間35ns，最大探測效率25％，綜合性能達(dá)到甚至部分超過了其他基于主動猝滅技術(shù)的探測器和基于負(fù)反饋雪崩二極管(NFAD)的自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測器，達(dá)到世界先進(jìn)水平。
　　2.為了研究與自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測器相比后脈沖效應(yīng)較小的高速門控單光子探測器的性能指標(biāo)，研制了門控頻率可調(diào)的高速門控單光子探測器。設(shè)計了窄脈沖成型電路和二級射頻放大電路，用于生成大幅度、窄脈寬的門控

6、信號。結(jié)合多種平衡和濾波噪聲抑制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提出了基于APD-PIN結(jié)電容平衡電路和貝塞爾型低通濾波器的門控微分噪聲抑制技術(shù)，其中APD-PIN結(jié)電容平衡電路對200MHz以下門控的門控微分噪聲抑制比約34dB，且具有較小的插入損耗(2.2dB)。采用該技術(shù)研制的高速門控探測器在-50℃、200MHz以下門控頻率時，探測效率10％時的暗計數(shù)概率約4×10-6/門，后脈沖概率不超過2％，最大可用探測效率25％;在1.25GHz門控頻率時，

7、探測效率10％時的暗計數(shù)概率為1.84×10-6/門，后脈沖概率為1％，最大可用探測效率29％。該探測器綜合性能較好，成本低，易于使用，參數(shù)變更方便，便于進(jìn)行探測器性能研究。
　　3.研制了自動化的單光子探測器性能測試系統(tǒng)，對單光子探測器的性能指標(biāo)測量和表征方法進(jìn)行了系統(tǒng)性的總結(jié)和發(fā)展。主要包括以下內(nèi)容:
　　(1)搭建了單光子探測器性能測試系統(tǒng)，設(shè)計了內(nèi)置于單光子探測器的基于FPGA的性能測試模塊，包括了溫度控制、偏壓控制

8、、多功能計數(shù)器、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)等功能，并實現(xiàn)了自動化的變參數(shù)測量。其中，基于FPGA的TDC的時間分辨率為99ps，基于TDC-GPX的TDC分辨率為25ps。
　　(2)發(fā)展了基于APD自發(fā)光和變鑒別電平的雪崩脈沖波形測量方法。采用時間相關(guān)單光子計數(shù)技術(shù)，測量APD雪崩過程自發(fā)光以獲得雪崩脈沖的波形，并提出了通過改變鑒別電平計算獲得雪崩脈沖的實際幅度的方法。采用該方法對雪崩脈沖的特性進(jìn)行了表征，得出了其與偏壓的關(guān)系。類

9、似地，利用測量不同鑒別電平下雪崩計數(shù)率的方法獲得門控單光子探測器雪崩脈沖幅度分布及其與偏壓的關(guān)系。這兩種方法為后續(xù)的探測效率和后脈沖概率研究提供了有力支撐。
　　(3)提出了一種基于激光周期內(nèi)計數(shù)統(tǒng)計法的后脈沖概率測量方法，通過統(tǒng)計每個激光周期內(nèi)0、1、2個或以上雪崩脈沖計數(shù)發(fā)生的情況估算探測效率和后脈沖概率。該方法降低了暗計數(shù)波動對測量結(jié)果的影響，可以快速、低成本地評估單光子探測器的性能。
　　(4)對暗計數(shù)和后脈沖概率進(jìn)

10、行了變溫、變壓等實驗，得出了其主要的影響因素。暗計數(shù)的實驗結(jié)果表明，對于非特意挑選的器件，其暗計數(shù)的主要來源是暗計數(shù)產(chǎn)生的后脈沖，缺陷和雜質(zhì)產(chǎn)生的載流子引發(fā)的雪崩，以及InGaAs的本征載流子引發(fā)的雪崩;InGaAsP的本征載流子產(chǎn)生的暗計數(shù)相對較少。對后脈沖概率進(jìn)行了深入研究，對20ns至12μs這一寬時間范圍內(nèi)的后脈沖概率進(jìn)行了分段研究，通過變壓、變溫測量并對結(jié)果進(jìn)行積分，得出了載流子的釋放速率隨溫度的上升而上升，而被俘獲率隨溫度的

11、上升而下降，隨偏壓的升高而下降的結(jié)論，并從釋放速率和被俘獲率兩者的變溫測量結(jié)果出發(fā)進(jìn)行了陷阱激活能的計算，對現(xiàn)有的載流子釋放速率模型和激活能模型進(jìn)行了驗證和發(fā)展。
　　(5)研究還對多光子入射時的性能指標(biāo)進(jìn)行了測量，結(jié)果表明高速門控探測器在多光子入射時的單光子探測效率和后脈沖概率會有一定程度的增大，并分析了引起該性能變化的原因。
　　4.針對目前迅速發(fā)展的激光雷達(dá)應(yīng)用，對自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測器和高速門控單光子探測器在非同軸激光測距系

12、統(tǒng)中的性能進(jìn)行了比較研究。實驗研究了兩種探測器的暗計數(shù)、后脈沖、以及自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測器的掩蔽效應(yīng)對激光測距系統(tǒng)峰值信噪比等性能指標(biāo)的影響。結(jié)果表明，對于光子到來時間不可預(yù)計的應(yīng)用，高速門控單光子探測器的實際探測效率低，僅其峰值探測效率的20％左右，但其信噪比與自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測器死時間適中時的結(jié)果相近。使用自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測器時對目標(biāo)的探測性能會受到暗計數(shù)和前一目標(biāo)的綜合影響，即“掩蔽”效應(yīng)。在死時間短于500ns時，探測效率、信噪比等指標(biāo)開始急劇下降

13、。因此可以得出結(jié)論，高速門控單光子探測器工作在“準(zhǔn)連續(xù)”狀態(tài)下時的信噪比較好，但實際探測效率較低，僅適用于短時間內(nèi)可以積累足夠的光子計數(shù)的情形;自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測器在死時間1μs左右時的綜合性能較好，但應(yīng)注意適當(dāng)降低回波光子數(shù)，使目標(biāo)的探測概率保持在較低的數(shù)量級以減輕掩蔽效應(yīng)。
　　論文中的主要創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下:
　　1.設(shè)計了超低延遲的主動猝滅主動恢復(fù)電路，顯著提高了自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測器的性能，且兼容了門控功能。研制的基于PGA-284

14、型InGaAsP/InP APD的自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測器綜合性能達(dá)到甚至部分超過了其他基于主動猝滅技術(shù)的探測器和基于NFAD的自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測器。
　　2.發(fā)展了基于電容平衡法的門控微分噪聲抑制電路，提出了基于APD-PIN結(jié)電容平衡與低通濾波相結(jié)合的低插入損耗、高抑制比的雪崩脈沖提取電路?；谠撾娐费兄频奶綔y器綜合性能較好，門控頻率等參數(shù)調(diào)整方便，易于使用。
　　3.發(fā)展了雪崩脈沖波形的定量間接測量方法。改進(jìn)了基于APD自發(fā)光的雪崩脈

15、沖波形測量方法，利用不同鑒別電平下APD自發(fā)光的時間相關(guān)單光子計數(shù)重建雪崩脈沖的波形并計算獲得實際幅度。該方法為探測效率和后脈沖概率研究提供了有力支撐。
　　4.提出了一種利用激光脈沖周期內(nèi)雪崩脈沖計數(shù)的統(tǒng)計特性估算探測效率和后脈沖概率的統(tǒng)計測量方法，減小了暗計數(shù)波動對后脈沖概率測量結(jié)果的影響，硬件實現(xiàn)和計算復(fù)雜度低，可以在保持與其他方法相似準(zhǔn)確度的前提下實時、快速、低成本地評估探測器的性能。
　　5.基于寬死時間范圍內(nèi)后脈