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

1、單光子探測(cè)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?；贗nGaAs(P)/InP雪崩光電二極管(APD)的單光子探測(cè)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(shí)用性較強(qiáng)。然而，相對(duì)于超導(dǎo)納米線等性能更高的探測(cè)器以及用于可見光波段探測(cè)的光電倍增管和Si APD，基于InGaAs(P)/InP APD的單光子探測(cè)器的主要缺點(diǎn)在于其探測(cè)效率相對(duì)偏低，后脈沖概率較大。
　　單光子探測(cè)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(duì)探測(cè)器的性能和工作條件要求差別較大，且其各項(xiàng)性能指標(biāo)受外部參數(shù)影響較大。研究單光子探測(cè)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(duì)不同應(yīng)用系統(tǒng)研究不同側(cè)重點(diǎn)的單光子探測(cè)技術(shù)，具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)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(cè)器和門控單光子探測(cè)器，對(duì)其性能的測(cè)試方法和影響因素進(jìn)行了研究，重點(diǎn)針

3、對(duì)后脈沖效應(yīng)進(jìn)行了深入研究，并在激光測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用中比較了兩種探測(cè)器的性能及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響。主要的研究?jī)?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(jì)了超低延遲的主動(dòng)猝滅主動(dòng)恢復(fù)(AQAR)電路，研制了高性能的自由運(yùn)轉(zhuǎn)單光子探測(cè)器。設(shè)計(jì)了在APD的陽(yáng)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(duì)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(duì)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(jì)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(shí)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(shí)間短至約1ns，顯著提高了自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測(cè)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(cè)器在-40

5、℃、10％探測(cè)效率、1μs死時(shí)間時(shí)后脈沖概率僅約4％，暗計(jì)數(shù)約482Hz，最短死時(shí)間35ns，最大探測(cè)效率25％，綜合性能達(dá)到甚至部分超過了其他基于主動(dòng)猝滅技術(shù)的探測(cè)器和基于負(fù)反饋雪崩二極管(NFAD)的自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測(cè)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(cè)器相比后脈沖效應(yīng)較小的高速門控單光子探測(cè)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(cè)器。設(shè)計(jì)了窄脈沖成型電路和二級(jí)射頻放大電路，用于生成大幅度、窄脈寬的門控

6、信號(hào)。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(duì)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(cè)器在-50℃、200MHz以下門控頻率時(shí)，探測(cè)效率10％時(shí)的暗計(jì)數(shù)概率約4×10-6/門，后脈沖概率不超過2％，最大可用探測(cè)效率25％;在1.25GHz門控頻率時(shí)，

7、探測(cè)效率10％時(shí)的暗計(jì)數(shù)概率為1.84×10-6/門，后脈沖概率為1％，最大可用探測(cè)效率29％。該探測(cè)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(cè)器性能研究。
　　3.研制了自動(dòng)化的單光子探測(cè)器性能測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)單光子探測(cè)器的性能指標(biāo)測(cè)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(cè)器性能測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了內(nèi)置于單光子探測(cè)器的基于FPGA的性能測(cè)試模塊，包括了溫度控制、偏壓控制

8、、多功能計(jì)數(shù)器、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)等功能，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的變參數(shù)測(cè)量。其中，基于FPGA的TDC的時(shí)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(cè)量方法。采用時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)，測(cè)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(jì)算獲得雪崩脈沖的實(shí)際幅度的方法。采用該方法對(duì)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(cè)量不同鑒別電平下雪崩計(jì)數(shù)率的方法獲得門控單光子探測(cè)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(cè)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(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)法的后脈沖概率測(cè)量方法，通過統(tǒng)計(jì)每個(gè)激光周期內(nèi)0、1、2個(gè)或以上雪崩脈沖計(jì)數(shù)發(fā)生的情況估算探測(cè)效率和后脈沖概率。該方法降低了暗計(jì)數(shù)波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，可以快速、低成本地評(píng)估單光子探測(cè)器的性能。
　　(4)對(duì)暗計(jì)數(shù)和后脈沖概率進(jìn)

10、行了變溫、變壓等實(shí)驗(yàn)，得出了其主要的影響因素。暗計(jì)數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于非特意挑選的器件，其暗計(jì)數(shù)的主要來(lái)源是暗計(jì)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(jì)數(shù)相對(duì)較少。對(duì)后脈沖概率進(jìn)行了深入研究，對(duì)20ns至12μs這一寬時(shí)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(cè)量并對(duì)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(cè)量結(jié)果出發(fā)進(jìn)行了陷阱激活能的計(jì)算，對(duì)現(xiàn)有的載流子釋放速率模型和激活能模型進(jìn)行了驗(yàn)證和發(fā)展。
　　(5)研究還對(duì)多光子入射時(shí)的性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明高速門控探測(cè)器在多光子入射時(shí)的單光子探測(cè)效率和后脈沖概率會(huì)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(duì)目前迅速發(fā)展的激光雷達(dá)應(yīng)用，對(duì)自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測(cè)器和高速門控單光子探測(cè)器在非同軸激光測(cè)距系

12、統(tǒng)中的性能進(jìn)行了比較研究。實(shí)驗(yàn)研究了兩種探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)、后脈沖、以及自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測(cè)器的掩蔽效應(yīng)對(duì)激光測(cè)距系統(tǒng)峰值信噪比等性能指標(biāo)的影響。結(jié)果表明，對(duì)于光子到來(lái)時(shí)間不可預(yù)計(jì)的應(yīng)用，高速門控單光子探測(cè)器的實(shí)際探測(cè)效率低，僅其峰值探測(cè)效率的20％左右，但其信噪比與自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測(cè)器死時(shí)間適中時(shí)的結(jié)果相近。使用自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測(cè)器時(shí)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)性能會(huì)受到暗計(jì)數(shù)和前一目標(biāo)的綜合影響，即“掩蔽”效應(yīng)。在死時(shí)間短于500ns時(shí)，探測(cè)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(cè)器工作在“準(zhǔn)連續(xù)”狀態(tài)下時(shí)的信噪比較好，但實(shí)際探測(cè)效率較低，僅適用于短時(shí)間內(nèi)可以積累足夠的光子計(jì)數(shù)的情形;自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測(cè)器在死時(shí)間1μs左右時(shí)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(cè)概率保持在較低的數(shù)量級(jí)以減輕掩蔽效應(yīng)。
　　論文中的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下:
　　1.設(shè)計(jì)了超低延遲的主動(dòng)猝滅主動(dòng)恢復(fù)電路，顯著提高了自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測(cè)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(cè)器綜合性能達(dá)到甚至部分超過了其他基于主動(dòng)猝滅技術(shù)的探測(cè)器和基于NFAD的自由運(yùn)轉(zhuǎn)探測(cè)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。基于該電路研制的探測(cè)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(cè)量方法。改進(jìn)了基于APD自發(fā)光的雪崩脈

15、沖波形測(cè)量方法，利用不同鑒別電平下APD自發(fā)光的時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)重建雪崩脈沖的波形并計(jì)算獲得實(shí)際幅度。該方法為探測(cè)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(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性估算探測(cè)效率和后脈沖概率的統(tǒng)計(jì)測(cè)量方法，減小了暗計(jì)數(shù)波動(dòng)對(duì)后脈沖概率測(cè)量結(jié)果的影響，硬件實(shí)現(xiàn)和計(jì)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(shí)時(shí)、快速、低成本地評(píng)估探測(cè)器的性能。
　　5.基于寬死時(shí)間范圍內(nèi)后脈