用于单光子探测的APD的低温特性

采用半导体致冷技术,对雪崩光电二极管(APD)快速降温,最低温度可达到-35℃,并对其低温特性进行了测试.结果表明:APD在低温下工作其雪崩电压下降,暗电流噪声降低,解决了量子密码通信中的红外单光子探测的一个关键技术点.     

APD单光子探测的电路设计

在气体分析领域,由于分子密度的减小,拉曼技术很难获得足够强的信号,为提高检测灵敏度,利用雪崩光电二极管设计了单光子探测器,来检测微弱的拉曼光。系统围绕APD设计了三个主要模块：偏置/测试电源、温控模块、信号调理。测试了系统的暗计数率,并用标准气校验了系统的准确度。实验结果表明：标准差最大为0.905,按总量程计算可得重复性相对偏差为0.905%,而非线性误差取最大引用误差0.13%。其多次测量结果的线性度很好,能够用于线性检测。     

用InGaAs/InP APD的红外单光子探测技术

由于在量子信息技术特别是量子密钥分配系统中的应用，以InGaAs／InP雪崩二极管为基础的红外单光子探测技术，近年来成为研究的热点之一。主要介绍了单光子探测用InGaAs／InP APD的选择和实现红外单光子探测器的关键技术：半导体制冷精密温控技术和APD的驱动控制技术，重点介绍了门控电路。     

基于InGaAs NFAD的集成型低噪声近红外单光子探测器

近年来,单光子探测技术在激光雷达等方面的应用越来越受到研究人员的关注。研制了基于InGaAs负反馈雪崩二极管(Negative Feedback Avalanche Diode, NFAD)的自由运转式集成型近红外单光子探测器。设计将被动淬灭原理的NFAD与主动淬灭技术结合,针对NFAD的信号读出电路易受电磁干扰的问题,创新地提出了无前级放大器的雪崩信号高阻抗差分提取电路,并采用吸波材料对关键电路部分进行了屏蔽,同时提高了淬灭性能和稳定性。此外,为了降低暗噪声计数率,针对集成制冷型NFAD器件的散热进行了详细的热设计,对集成热电制冷的NFAD器件和高速淬灭电路发热量较大的特点进行了电路和散热结构设计优化。通过实验对淬灭电路性能、散热设计和抗干扰设计进行了验证。结果表明：无前置放大器设计的探测器性能稳定,对1 550 nm波长光子的最高探测效率可达33%,在-50℃、10%探测效率时可用死时间低至120 ns,此时暗计数率890 Hz,后脉冲概率10.6%。探测器散热性能良好,环境20℃风冷下的最低制冷温度可稳定在-58℃。上述结果表明这一低噪声计数、高集成度的通信波段近红外单光子探测器...     

可作光子计数的雪崩光电二极管

对于光电倍增管不适用的高灵敏度弱光探测应用，存在一种固体替代器件，即雪崩光电二极管。这种器件在半导体内产生光电倍增，而光电倍增管在真空中产生电子倍增。雪崩光电二极管具有与半导体技术有关的微型化优点。由于这种器件能对单光子计数和探测很短时间间隔，它们已在光雷达、测距仪探测器和超灵敏光谱学方面找到日益增长的应用。另外，雪崩光电二极管在光纤通讯方面正与PIN光电二极管相竞争。雪崩光电二极管如何工作与任何光电二极管，样，雪崩光电二极管中由两类半导体组成的p-n结只允许电流在一个方向流动。光电二极管由一个掺有…     

基于雪崩光电二极管的1550 nm单光子探测模块

单光子探测模块在多个领域中有重要的用途,然而现有的单光子探测模块依赖进口芯片.研制了一种基于国产元器件的1550 nm的单光子探测模块,改进了触发信号处理电路,避免了使用进口芯片.在触发信号的作用下,雪崩光电二极管进入盖革模式,处在盖革模式下的雪崩光电二极管接收到光子以后,产生雪崩信号;雪崩光电二极管的输出信号中的雪崩...     

基于SiC APD的日盲紫外单光子计数读出电路设计与应用

针对宽禁带半导体SiC APD紫外单光子探测器,本文提出了一种1×8线阵型单光子计数读出电路.根据光强条件并通过合适的时序控制,可选取固定门控或互补门控探测方式,实现宽动态范围紫外光子信号的探测计数.读出电路采用TSMC 0.18μm CMOS工艺制备,测试结果表明,读出电路具备单光子探测功能,性能与仿真分析预期结果吻合.最终,借助微动系统二维转台完成对日盲紫外单波长光子的探测与成像,实现对多个独立紫外光源的准确区分与目标定位.     

实时激光通信用自由运行InGaAs/InP单光子探测器（特邀）

为实现高速、高灵敏度、低成本的激光通信,优化改进一种新的InGaAs/InP单光子雪崩二极管(SPAD)以更好地使其应用于单个单光子探测器(SPD)探测的近红外激光通信系统。与上一代相比,优化各层结构的同时,在其中加入了介质-金属反射层并改进了双Zn扩散工艺。在1.25 GHz高频正弦门控(SWG)工作模式、225 K温度和6 V偏置下,所制备的InGaAs/InP SPAD实现了光子探测效率(PDE)为30%、暗计数率(DCR)为3 kHz和后脉冲概率(P_ap)为2.4%的单光子性能。将基于高性能SPAD制备的自由运行负反馈雪崩二极管(NFAD)作为接收机,应用到已有实时激光通信系统中,实验得到了单个NFAD的激光通信性能参数。结果表明,在使用4进制脉冲相位调制(4PPM)方案中,在1 Mbit/s比特率条件下,单个InGaAs/InP NFAD具有1.1×10^-5误码率和-69.6 dBm灵敏度。     

采样时间对光子计数图像的影响

夜暗环境下,为了弥补人眼在能量、光谱和分辨能力等方面的局限性,利用雪崩光电二极管作为探测元件构建了光子计数成像平台。借助该平台设置环境照度为10-4lx,采样时间分别取10 ms、2.6 ms和780μs,探测到了目标采样点的光子数,从而得到了三组反映目标特征的光子计数图像序列。根据对探测目标判断的程度,应用多帧累加处理方法,可以在保证成像平台具有较高帧频的条件下,选择合适的累加帧数以实现对目标不同等级的探测。     

基于InGaAs/InP雪崩光电二极管的高速单光子探测器雪崩特性研究

报道了一种基于InGaAs/InP雪崩光电二极管、1.25 GHz正弦波门控及贝塞尔低通滤波器的1.25 GHz高速短波红外单光子探测器.通过调整比较电路的鉴别电平, 实验研究了单光子探测器雪崩信号幅度随反向直流偏压的变化.随着鉴别电平的提高, 单光子探测器的探测效率及暗计数率均呈指数衰减, 而后脉冲概率先增大到一个峰值, 然后减小.研究表明, 为获得更高的性能, 需要尽量降低单光子探测器的鉴别电平.     

GHz重复频率可调InGaAs/InP单光子探测器

InGaAs/InP雪崩光电二极管（avalanche photodiode APD）可实现近红外波段的单光子检测,具有集成度高功耗低等优势,被广泛应用于量子信息科学、激光测绘、深空通信等领域。通常,为了减小误计数,InGaAs/InP APD工作在门控盖革模式,其门控信号的重复频率直接决定了探测器的工作速率。基于此,采用低通滤波方案,结合集成了GHz正弦门控信号产生、雪崩信号采集、温度控制、偏置电压调节等功能的处理电路,搭建了GHz重复频率可调的高性能InGaAs/InP单光子探测器。GHz门控信号重复频率升高到2 GHz,其相位噪声仍优于-70 dBc/Hz@10 kHz,且尖峰噪声被抑制到热噪声水平,当探测效率为10%时,暗计数仅为2.4×10^-6/门。此外,还验证了该方案下探测器的长时间稳定性,测试了工作速率、偏置电压等对APD关键性能参数的影响,为GHz InGaAs/InP APD的进一步集成及推广奠定基础。     

基于InGaAs/InP APD的单光子探测器设计与实现

针对现有单光子探测器模块价格昂贵和电路复杂的不足,设计了基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的便携式单光子探测器,给出了APD门控驱动信号和雪崩信号鉴别电路的设计方案,门控信号的产生和雪崩信号的提取由FPGA完成。实验结果表明:在200 MHz门控条件且制冷温度为-55℃时,探测器的最大光子探测效率(PDE)约为20%,当探测效率为16%时,暗计数率(DCR)约为7.2×10-6/ns。     

用于高速量子密码系统的1.25 GHz InGaAs/InP单光子探测器的研制

随着量子密码领域的快速发展,近红外单光子探测器的研究已经成为该领域的研究重点和技术制高点。报道了一种基于正弦门控与滤波技术的InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)高速单光子探测器,门控频率达到1.25GHz。在探测效率为10.3%时,暗计数概率为1.3×10-6/gate,后脉冲概率为5.6×10-5/ns。这种高速单光子探测器将大幅度提升量子密码系统的两个关键指标——密钥率和传输距离,为下一代高速量子密码系统的实用化应用奠定了基础。     

采用APD单光子阵列读出集成电路的红外测距技术

红外单光子探测因其超高的检测灵敏度和信噪比，有效提升了弱光检测系统的性能水平。基于TSMC 0.35m CMOS工艺，提出了一种阵列型数字式红外读出电路及其应用系统的设计方法。采用由OSC多相时钟构成的低段全局共享TDC和高段像素独享TDC的两段式阵列结构，在170 MHz时钟频率下，实测获得了小于1 ns的时间分辨率和3s的量程，并在1 kHz的帧率下采用串行模式输出数据，经相关数据处理，最终实现测距轮廓成像的功能。     

室温下高探测效率InGaAsP/InP单光子雪崩二极管

我们描述了一种高性能平面InGaAsP/InP单光子雪崩二极管（SPAD）,该二极管具有单独的吸收、分级、电荷和倍增（SAGCM）异质结构。通过电场调节和缺陷控制,SPAD在293 K的门控模式下工作,光子探测效率（PDE）为70%,暗计数率（DCR）为14.93 kHz,后脉冲概率（APP）为0.89%。此外,在死区时间为200 ns的主动淬灭模式下工作时,室温下实现了12.49%的PDE和72.29 kHz的DCR。     

基于噪声平衡抑制的近红外单光子高速探测方法

针对现有基于尖峰噪声电容平衡方法的单光子探测技术工作频率较低的问题,设计了利用高速二极管平衡的InGaAs/InP雪崩光电二极管信号提取方案.配合高速信号处理电路,实现了工作频率最高达700 MHz的近红外单光子探测器.雪崩二极管制冷至218 K,在脉宽小于1 ns、重复频率700 MHz的门脉冲触发下,当探测效率为10%时,暗计数率为7×10~(-6)/pulse,后脉冲率为7.4%.该方案提供了一种重复频率连续可调宽带高速单光子探测方法,结构简单且性能良好.     

基于APD的气体拉曼单光子探测器设计

根据拉曼散射光的特点,选用一种由硅雪崩光电二极管（APD）组成的多像素倍增器件作为光电转换器,设计了一套单光子探测器。为降低探测过程的噪声,探测器部分设计有低纹波偏压、恒温控制和快速雪崩抑制模块,并配有用于雪崩特性研究的测试模块,并通过调整电路参数优化探测性能。测试结果表明：探测器具有响应灵敏度高、分析速度快、体积小巧、功耗低等特点,适合在气体拉曼分析系统中使用。     

微型化自由运行InGaAs/InP单光子探测器(特邀)

单光子探测器具有最高的光探测灵敏度,在激光雷达系统中使用单光子探测器可以极大提升系统的综合性能。近红外二区(1.0～1.7μm)激光具有大气透过率高、散射弱、太阳背景辐射弱等优势,是大气遥感、三维成像等激光雷达系统的理想工作波段。研制了一种基于InGaAs/InP负反馈雪崩光电二极管的微型化自由运行单光子探测器。该探测器长宽高为116 mm×107.5 mm×80 mm,在1.5μm最大探测效率超过35%,时间抖动(半高宽)低至80 ps。为满足激光雷达系统对光子飞行时间测量的需求,探测器内部集成时间数字转换(TDC)功能,时间精度100 ps。同时,探测器集成一套后脉冲修正及计数率修正算法,可以有效降低探测器所引起的雷达信号畸变。     

用于APD激光探测的电荷灵敏前置放大器设计

雪崩光电二极管（APD）作为探测元件实现光电转换广泛应用于激光脉冲探测技术中。前置放大器是影响APD激光脉冲探测系统好坏的关键因素,前置放大器的信噪比决定了整个探测系统的信噪比优劣。提出了电荷灵敏前置放大器应用于APD激光脉冲探测系统以提高探测距离和探测精度的方法。讨论了激光脉冲探测技术和APD特性,在此基础上设计了以结型场效应管和集成运放为主要器件的低噪声电荷灵敏前置放大器电路并对设计电路进行了实验分析。实验结果表明：将电荷灵敏前置放大器应用于APD激光脉冲探测系统可以有效提高系统的信噪比,改善激光探测性能。     

基于APD参数建模的单光子探测研究

单光子探测技术对于量子密钥分配乃至量子通信有重要的意义。针对单光子雪崩光电二极管（SPADs）的单光子量子效率（SPQE）,提出了一种严格的数学模型。模型适用于工作波长为1.3和1.5um的In052Al048As、InP倍增层和In052Al048As-InP异质结倍增层的SPADs。模型作为器件结构、工作电压、倍增层材料的函数,可用来优化SPQE,进而评估和优化盖革模式下APDs的性能。