基于InGaAs(P)InP APD的单光子探测器的研制和性能研究

基于InGaAs(P)/InP APD的单光子探测器的研制和性能研究

单光子探测器是目前量子信息领域、激光雷达和生物医学等领域的关键器件。基于InGaAs(P)/InP雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器适用于近红外波段,制冷要求低,响应速度快,体积小巧,光纤与器件耦合较容易,实用性较强。然而,相对于超导纳米线等性能更高的探测器以及用于可见光波段探测的光电倍增管和SiAPD,基于InGaAs(P)/InPAPD的单光子探测器的主要缺点在于其探测效率相对偏低,后脉冲概率较大。单光子探测器常用于量子通信、激光雷达、荧光寿命分析等应用,不同应用对探测器的性能和工作条件要求差别较大,且其各项性能指标受外部参数影响较大。

研究单光子探测器的性能与其工作模式和参数的关系,特别是后脉冲效应与各参数的关系,针对不同应用系统研究不同侧重点的单光子探测技术,具有重要的研究意义和应用价值。本论文研制了基于InGaAs(P)/InPAPD的近红外自由运转单光子探测器和门控单光子探测器,对其性能的测试方法和影响因素进行了研究,重点针对后脉冲效应进行了深入研究,并在激光测距系统应用中比较了两种探测器的性能及其对系统性能的影响。主要的研究内容如下:1.综合现有猝灭恢复电路的优点,设计了超低延迟的主动猝灭主动恢复(AQAR)电路,研制了高性能的自由运转单光子探测器。设计了在APD的阳极或阴极进行雪崩提取和猝灭的多种不同AQAR电路组合,不同电路组合具有不同的猝灭延迟和不同的最大过偏压。

对不同电路组合的雪崩猝灭性能进行了比较研究,并以此为指导对电路结构进行改进。利用商用SiGe集成电路比较器、高速E-pHEMT射频晶体管和电容平衡噪声抑制电路设计了超低延迟的AQAR电路,其中巧妙地利用了比较器自身的锁存功能实现雪崩后猝灭状态的锁存,降低了反馈环路延迟;引入了电容平衡法,较好地消除了微分噪声。改进的AQAR电路使雪崩持续时间短至约1ns,显著提高了自由运转探测器的性能。而且,该电路兼容门控功能,便于应用和性能研究。

研制的基于PGA-284型InGaAsP/InP APD的自由运转探测器在-40℃、10%探测效率、1μs死时间时后脉冲概率仅约4%,暗计数约482 Hz,最短死时间35 ns,最大探测效率25%,综合性能达到甚至部分超过了其他基于主动猝灭技术的探测器和基于负反馈雪崩二极管(NFAD)的自由运转探测器,达到世界先进水平。2.为了研究与自由运转探测器相比后脉冲效应较小的高速门控单光子探测器的性能

指标,研制了门控频率可调的高速门控单光子探测器。设计了窄脉冲成型电路和二级射频放大电路,用于生成大幅度、窄脉宽的门控信号。结合多种平衡和滤波噪声抑制技术的优点,提出了基于APD-PIN结电容平衡电路和贝塞尔型低通滤波器的门控微分噪声抑制技术,其中APD-PIN结电容平衡电路对200MHz以下门控的门控微分噪声抑制比约34dB,且具有较小的插入损耗(2.2dB)。

采用该技术研制的高速门控探测器在-50℃、200MHz以下门控频率时,探测效率10%时的暗计数概率约4×10-6/门,后脉冲概率不超过2%,最大可用探测效率25%;在1.25 GHz门控频率时,探测效率10%时的暗计数概率为1.84×10-6/门,后脉冲概率为1%,最大可用探测效率29%。该探测器综合性能较好,成本低,易于使用,参数变更方便,便于进行探测器性能研究。3.研制了自动化的单光子探测器性能测试系统,对单光子探测器的性能指标测量和表征方法进行了系统性的总结和发展。主要包括以下内容:(1)搭建了单光子探测器性能测试系统,设计了内置于单光子探测器的基于FPGA的性能测试模块,包括了温度控制、偏压控制、多功能计数器、时间数字转换器(TDC)等功能,并实现了自动化的变参数测量。

其中,基于FPGA的TDC的时间分辨率为99 ps,基于TDC-GPX的TDC分辨率为25 ps。(2)发展了基于APD自发光和变鉴别电平的雪崩脉冲波形测量方法。采用时间相关单光子计数技术,测量APD雪崩过程自发光以获得雪崩脉冲的波形,并提出了通过改变鉴别电平计算获得雪崩脉冲的实际幅度的方法。采用该方法对雪崩脉冲的特性进行了表征,得出了其与偏压的关系。

类似地,利用测量不同鉴别电平下雪崩计数率的方法获得门控单光子探测器雪崩脉冲幅度分布及其与偏压的关系。这两种方法为后续的探测效率和后脉冲概率研究提供了有力支撑。(3)提出了一种基于激光周期内计数统计法的后脉冲概率测量方法,通过统计每个激光周期内0、1、2个或以上雪崩脉冲计数发生的情况估算探测效率和后脉冲概率。该方法降低了暗计数波动对测量结果的影响,可以快速、低成本地评估单光子探测器的性能。

(4)对暗计数和后脉冲概率进行了变温、变压等实验,得出了其主要的影响因素。暗计数的实验结果表明,对于非特意挑选的器件,其暗计数的主要来源是暗计数产生的后脉冲,缺陷和杂质产生的载流子引发的雪崩,以及InGaAs的本征载流子引发的雪崩;InGaAsP的本征载流子产生的暗计数相对较少。对后脉冲概率进

行了深入研究,对20 ns至12μs这一宽时间范围内的后脉冲概率进行了分段研究,通过变压、变温测量并对结果进行积分,得出了载流子的释放速率随温度的上升而上升,而被俘获率随温度的上升而下降,随偏压的升高而下降的结论,并从释放速率和被俘获率两者的变温测量结果出发进行了陷阱激活能的计算,对现有的载流子释放速率模型和激活能模型进行了验证和发展。(5)研究还对多光子入射时的性能指标进行了测量,结果表明高速门控探测器在多光子入射时的单光子探测效率和后脉冲概率会有一定程度的增大,并分析了引起该性能变化的原因。

4.针对目前迅速发展的激光雷达应用,对自由运转探测器和高速门控单光子探测器在非同轴激光测距系统中的性能进行了比较研究。实验研究了两种探测器的暗计数、后脉冲、以及自由运转探测器的掩蔽效应对激光测距系统峰值信噪比等性能指标的影响。结果表明,对于光子到来时间不可预计的应用,高速门控单光子探测器的实际探测效率低,仅其峰值探测效率的20%左右,但其信噪比与自由运转探测器死时间适中时的结果相近。使用自由运转探测器时对目标的探测性能会受到暗计数和前一目标的综合影响,即“掩蔽”效应。

在死时间短于500ns时,探测效率、信噪比等指标开始急剧下降。因此可以得出结论,高速门控单光子探测器工作在“准连续”状态下时的信噪比较好,但实际探测效率较低,仅适用于短时间内可以积累足够的光子计数的情形;自由运转探测器在死时间1μs左右时的综合性能较好,但应注意适当降低回波光子数,使目标的探测概率保持在较低的数量级以减轻掩蔽效应。论文中的主要创新点总结如下:1.设计了超低延迟的主动猝灭主动恢复电路,显著提高了自由运转探测器的性能,且兼容了门控功能。研制的基于PGA-284型InGaAsP/InP APD的自由运转探测器综合性能达到甚至部分超过了其他基于主动猝灭技术的探测器和基于NFAD的自由运转探测器。

2.发展了基于电容平衡法的门控微分噪声抑制电路,提出了基于APD-PIN结电容平衡与低通滤波相结合的低插入损耗、高抑制比的雪崩脉冲提取电路。基于该电路研制的探测器综合性能较好,门控频率等参数调整方便,易于使用。3.发展了雪崩脉冲波形的定量间接测量方法。改进了基于APD自发光的雪崩脉冲波形测量方法,利用不同鉴别电平下APD自发光的时间相关单光子计数重建雪崩脉冲的波形并计算获得实际幅度。