InGaAs/InP APD近紅外單光子探測技術的研究進展

彭啟康+張磊+佟首峰

摘要：單光子探測技術能夠有效提高系統的精度和探測效率。在空間激光通信系統中，入射光場強度十分微弱，幾乎到達光子量級，一般的光電探測器所探測到的信號這時就會被噪聲所干擾甚至淹沒，而單光子探測技術則是用來測量這種極微弱的光信號?；陂T控的InGaAs/InP 雪崩光電二極管的單光子探測技術有后脈沖概率低，時間抖動小，計數率高的特點。為了抑制門控充放電噪聲提取微弱雪崩信號，本文介紹了國內外基于門控探測的InGaAs/InP APD的主要幾種方案：放電脈沖探測技術、正弦門控濾波技術和差分平衡探測技術?？偨Y了單光子探測近年來的發展與應用，最后對該技術的前景進行了展望。

關鍵詞：單光子探測；空間激光通信；雪崩二極管；后脈沖概率

中圖分類號：O572 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2017）01（a）-0000-00

激光測距由于其具備精準、快速的特點，并隨著光電技術的持續進步，已在工業控制、軍事遙感以及空間光通信等多領域發揮著重要的作用。其中，除了傳統的脈沖測距技術外，一些新的測距方案不斷地被提出，如基于光子計數系統的單光子探測技術，通過提高對單個光子信號的探測效率及抑制噪聲的方式從而提高系統的測距精度。在單光子測距中，單光子探測器的時間抖動和激光脈沖寬度決定了測距系統的精度。近年來，大功率皮秒激光器發展迅速，因此單光子探測器的時間抖動成為影響單光子測距系統分辨精度的主要問題。而采用InGaAs材料做吸收層、InP材料做倍增層，可以實現近紅外波段光子信號的探測，基于InGaAs/InP APD的單光子探測技術發展成為當前最實用的近紅外單光子探測器[1]。

1單光子雪崩二極管的理論模型

雪崩光電二極管主要是利用器件中的載流子碰撞電離而引發雪崩效應來實現對光子的探測，如圖1所示二極管的原理示意圖。當其工作在擊穿電壓以下時會發生載流子的碰撞電離，但這一碰撞電離還不足以引發雪崩效應，此時器件的輸出電流與入射光子數成線性比例，這時候稱之為線性模式。當單光子雪崩二極管的反向偏置電壓高于雪崩擊穿電壓時，耗盡區中的單個載流子就會產生連鎖的碰撞電離反應，從而引發雪崩效應，此時稱之為蓋格模式。

單光子雪崩二極管器件的原理主要是載流子的碰撞電離，在這里我采用最基本的 - - 器件來對碰撞電離加以說明，如圖2所示。 - - 器件工作在反向偏置電壓下，其空間電荷主要集中在 區，厚度為 ， 區材料的電子和空穴的碰撞電離系數分別為 和 （碰撞電離系數與空間電荷區電場強度相關，其表示在單位距離上發生碰撞電離的次數）。考慮在空間電荷區 處因光吸收或熱效應產生一電子空穴對，在電場的作用下，電子和空穴分別向相反方向漂移。在經過 的距離后，電子和空穴分別產生 和 次的碰撞電離，這些碰撞電離產生的載流子在電場的作用下運動一段距離獲得足夠能量又能產生新的碰撞電離，該過程不斷重復，直至電子和空穴漂移出空間電荷區。我們用 來表示 區 處的一個電子空穴對所引發的平均碰撞電離次數，那么有[2]：

2 InGaAs/InP APD的種類與性能指標

目前針對InGaAs/InP APD主要有三種雪崩抑制模式：被動抑制、主動抑制和門控探測。被動抑制增大了雪崩光電二極管的死時間，嚴重減小了探測器的最大計數率，而主動抑制則因為抑制電路過于復雜，信號級聯容易發生發射，門控探測模式目前在單光子探測中應用最為廣泛。門控探測模式可以有效減小后脈沖，同時暗噪聲計數也能大大減少[3]，而缺點就在于需要抑制雪崩產生的尖峰噪聲并提取微弱的雪崩信號。

2.1 放電脈沖甄別技術

當門控脈沖信號驅動雪崩光電二極管時，由于阻抗不匹配，在沒有發生雪崩效應時，門控信號響應則輸出充放電正負脈沖的尖峰噪聲。在有光生雪崩時，由于門控開啟時刻沒有雪崩，從而導致產生充電正脈沖，當雪崩電流出現后，此時二極管相當于低阻抗電阻，因此通過探測有無放電負脈沖，即可以判斷二極管究竟是電容還是電阻，沒有甄別到放電負脈沖時表示有光生雪崩信號，從而實現雪崩信號的鑒別和提取[4]。

2.2 正弦門濾波技術

2006年，日本的研究人員首先提出了正弦波門控濾波探測技術[5]，利用正弦波作為門控信號與控制直流偏置電壓加載到單光子雪崩二極管上，當到達正弦波波峰時，偏置電壓在雪崩點之上，此時會有光子信號入射形成光生雪崩，隨后到達正弦門控信號的波谷時雪崩被抑制，因為此時偏置電壓在雪崩點以下。由于結電容對正弦門控信號的非線性響應，會導致充放電噪聲和高次諧波噪聲也一起輸出，所以此方案采用相應的帶阻濾波器客去除相應頻譜的尖峰噪聲從而提取雪崩信號，其中帶阻濾波對門控基頻信號的抑制比可達100dB，再經高增益放大器放大輸出，即可輕易的甄別出雪崩信號。該方案實現了當門控頻率為800MHz，探測效率為8.5%時，后脈沖概率為6.0%，暗記數為 /門。

2.3 雙APD平衡技術

A. Tomita等人利用兩個性能參數完全相同的雪崩二極管，并把這兩個二極管進行并聯，提出了基于平衡門控的單光子探測器的方法，其原理如圖3所示。兩個完全相同的SPAD由兩路相同的門控電路驅動，輸出產生形狀相同的尖峰噪聲 [6]，兩個二極管的輸出信號通過一個 180?的混合接口并經過自差分運算相減，繼而消除掉尖峰噪聲。當兩個SPAD中的一個產生了雪崩效應時，輸出端就會相應的輸出正或負的雪崩信號。鑒別器將雪崩信號進行幅度鑒別后，交由計數器計數。這種抑制尖峰噪聲的方案，能夠有效地提取雪崩信號，噪聲抑制比可達26dB以上。但是，該方案的關鍵在于幾乎很難找到兩個完全相同的單光子雪崩二極管器件，與此同時還要精確控制光子到達時間，使得該方案實施起來尤為困難。

2.4 電容補償平衡

釆用與單光子雪崩二極管電學特性類似的二極管替換雙APD平衡方案的一個APD，工作原理如圖4所示[7]。一個雪崩光電二極管與一個普通二極管并聯，門控脈沖信號經二極管結電容后，產生與雪崩響應基本一致的尖峰噪聲，隨后分別接入魔T差分電路，共模尖峰噪聲因此相互抵消，但是實際中與雪崩二極管結電容完全匹配的二極管幾乎很難找到，因此尖峰噪聲抑制～18dB。

2.5 自差分平衡探測技術

英國劍橋實驗室和東芝研宄小組提出了自差分平衡探測技術，原理如圖5所示，門控脈沖驅動雪崩光電二極管，響應輸出信號進入由功分器和差分器組成的自差分電路，其中功分器將二極管響應信號分成幅度相等的兩路信號，其中兩路電纜線長度不同，使得一路信號經過電纜線相對另一路延遲了一個門控周期，兩路信號進入差分器相減后合成輸出，即可完全抵消尖峰噪聲，可達21dB以上的噪聲抑制比，從而有效提取出微弱的雪崩信號。由于一分二的兩路信號是完全相同的，采用自差分平衡方案提取雪崩信號，比其它平衡方案獲得更高的噪聲抑制比，極微弱的雪崩信號可通過降低雪崩閾值電平即可甄別出來，也就是說在低增益條件下即可獲得高探測效率，同時有效減小后脈沖[8]。

2.6 光平衡探測技術

光平衡的探測方案，是基于光學方法的自差分方案，不僅避免的電路中的固有延遲及損耗，而且通過光學的方法還可以持續的調整門重頻。其基本工作原理如圖6所示，光生雪崩產生后，雪崩信號被淹埋在門控瞬態響應的尖峰噪聲中，響應輸出的雪崩信號和尖峰噪聲經放大后驅動1550nm的激光二極管，由于激光二極管響應帶寬足夠高確保APD響應輸出信號轉換為光脈沖信號，光脈沖進入了一個由摻鉺光纖放大、內置濾波和偏振分束器組成的，類似于魔T差分電路的一個光路，而其中一路延時一個門控周期，最后經普通的光電二極管探測后差分輸出，實現了雪崩信號的甄別提取[9]。光平衡探測技術實現了31dB的噪聲抑制比，使雪崩二極管工作在亞飽和增益區域，從而實現單個雪崩二極管光子數可分辨探測，此外，光平衡技術相比電學自差分平衡，不僅輸出穩定，頻率可持續調整，而且不受磁場干擾。

3結束語

我們已經闡述了單光子雪崩二極管在門控探測下，需要超窄的門脈沖寬度才能降低暗計數和后脈沖效應，目前的研究人員主要通過抑制充放電噪聲和通過基于差分平衡，進而提取微弱的雪崩信號。這些措施一方面提高探測效率，并且將時鐘頻率提高到GHz量級。另一方面，高噪聲抑制比可使二極管工作于亞飽和狀態，從而實現光子數的分辨探測。從實用的角度考慮，單光子雪崩二極管仍然是今后空間激光通信中最為合適的單光子探測器件，因此隨著門控頻率的進一步提高和采用更高性能的單光子探測器，可進一步拓展該技術的優勢，并應用到空間激光探測與通信系統中。

參考文獻

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