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。     

InP基单光子探测器的发展和应用

InP/InGaAs单光子探测器经过近40年的发展,其主要性能指标探测效率达到了60％,暗计数率在20 kHz以内(-20℃温度下),时间抖动、后脉冲以及光子计数率也在进一步提高,目前已经获得百ps以内的时间抖动,后脉冲概率1％～5％,光子计数率达到GHz.进一步的性能提升需要考虑具有更小离化系数比和过剩噪声的材料系统...     

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。     

单光子探测器制冷系统研究

负反馈雪崩光电二极管是一款单片集成负反馈电阻的砷化镓铟雪崩光电二极管光子计数器件。在基于负反馈雪崩光电二极管的单光子探测器中,高灵敏度的制冷系统是保障其正常工作的必备条件。采用被动制冷和主动制冷相结合的方式,设计了一套高灵敏度制冷系统。通过理论计算、仿真和实测该制冷系统,表明该系统内部功耗降低58.63%,且在室温25 oC和高温65 oC环境下,该系统均能使负反馈雪崩光电二极管工作温度控制在(-20±0.3) oC,具有环境适应性强、制冷温差大、制冷温度可控等优点。     

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。     

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.     

集成化高速APD的研究进展

理论分析了降低雪崩光电二极管(APD)噪声、提高其增益及带宽的一般方法。面向APD综合响应度与带宽之间存在的固有矛盾问题,提出了采用三维纳米化技术降低APD的噪声,以及采用集成光学技术提高APD的响应度的解决方案。在此基础上,从表面等离基元聚光结构与垂直光入射型APD的混合集成、超透镜与垂直光入射型APD的混合集成,以及阵列波导光栅(AWG)与光侧入射倏逝波耦合波导(EC)APD的单片集成等三个方面,综述了集成化高速APD的研究进展,对该领域的发展趋势进行了展望。     

2×8低噪声InGaAs/InP APD读出电路设计

对In0.53Ga0.47As/InP雪崩光电二极管(APD)探测器进行了特性分析.以大阵列研究为基础,结合器件特性设计了一个2×8低噪声读出电路(ROIC),电路主要由电容反馈互阻放大器(CTIA)和相关双采样(CDS)电路单元构成,并对读出电路的时序、积分电容等进行了设计.电路采用0.6 μm CMOS工艺流片,芯片面积为2 mm×2 mm,电荷存储能力为5×107个,功耗小,噪声低,设计达到预期要求.     

单光子计数传感器列阵

固体单光子计数雪崩光电二极管可用于荧光衰变实验和其它用途。它们发展的下一步应该是低噪声的微型探测器列阵,然而,这种发展却受到了器件之间的串话的阻挠。爱尔兰国立大学的研究人员正在对这种探测器之间的串话进行建模并通过测试来验证他们的模型。 这种列阵的集成方式是产生问题的原因之一,因     

高速InP/InGaAs雪崩光电二极管

采用分层吸收渐变电荷倍增(SAGCM)结构,通过两次扩散、多层介质淀积、AuZn p型欧姆接触、AuGeNi n型欧姆接触等工艺,设计制造了正面入射平面InP/InGaAs雪崩光电二极管,器件利用InGaAs做吸收层,InP做增益层,光敏面直径50 μm;测试结果表明器件有正常的光响应特性,击穿电压32～42 V,在低于击穿电压2 V左右可以得到大约10A/W的光响应度,在0到小于击穿电压1 V的偏压范围内,暗电流只有1 nA左右;器件在2.7 GHz以下有平坦的增益.     

SiGe/Si单光子雪崩光电二极管仿真

通过理论模拟CMOS工艺兼容的SiGe/Si 单光子雪崩二极管,研究并讨论了掺杂条件对于电场分布、频宽特性、以及器件量子效率的影响。设计出具有浅结结构、可在盖革模式下工作、低击穿电压(30 V)的1.06 m单光子技术雪崩光电二极管。器件采用分离吸收倍增区结构,其中Si材料作为倍增区、SiGe材料作为吸收区,这充分利用了硅材料较高的载流子离化比差异,降低了器件噪声;在1.06 m波长下,SiGe探测器的量子效率为4.2%,相比于Si探测器的效率提高了4 倍。仿真表明优化掺杂条件可以优化电场分布,从而在APD击穿电压处获得更好的带宽特性。     

Near room temperature 1.3 ?m single photon counting with a InGaAs avalanche photodiode

We report the first single-photon counting experiments in a III?V APD. High quantum efficiency, ?=12%, near-room-temperature operation, T=?20°C, has been achieved at long wavelengths ?=1.3 ?m.     

An optimized avalanche photodiode

The feasibility of a fast, high-gain photodetector based on the phenomenon of avalanche multiplication in semiconductors has been investigated. Based on the process of carrier multiplication in a high electric field, criteria for the design of an optimized avalanche photodiode and for the choice of the best semiconductor material are developed. The device theory of an optimized, realizable avalanche photodiode is presented. A practical silicon device optimized for the detection of light with a wavelength of 9000Å is suggested and design parameters are presented. Details of the fabrication process are given and the performance of experimental devices is compared to the device theory presented. The results of the study indicate that it is possible to achieve a silicon photomultiplier with a quantum efficiency-bandwidth product of the order of 100 GHz for the detection of light up to a wavelength of over 9000Å.     

一种高速雪崩光电探测器

High-speed avalanche photodiodes are widely used in optical communication systems. Nowadays, separate absorption charge and multiplication structure is widely adopted. In this article, a structure with higher speed than separate absorption charge and multiplication structure is reported. Besides the traditional absorption layer, charge layer and multiplication layer, this structure introduces an additional charge layer and transit layer and thus can be referred to as separate absorption, charge, multiplication, charge and transit structure. The introduction of the new charge layer and transit layer brings additional freedom in device structure design. The benefit of this structure is that the carrier transit time and device capacitance can be reduced independently, thus the 3 dB bandwidth could be improved by more than 50% in contrast to the separate absorption charge and multiplication structure with the same size.     

碲镉汞雪崩焦平面器件

碲镉汞雪崩光电二极管以其高增益、高灵敏度和高速探测的优点成为第3代红外光电探测器的重要发展方向之一.制备了截止波长3.56μm的雪崩光电二极管焦平面器件,面阵规模为16×16.焦平面器件在0～6V偏压下有效像元率大于90%,非均匀性小于20%.6 V偏压下NEPh约为60,过剩噪声因子为1.2.     

Physics and numerical simulation of single photon avalanche diodes

We present results of the numerical simulation of the transient behavior of shallow junction single photon avalanche diodes (SPAD's). We developed a bidimensional model for above breakdown simulations and show that the initially photogenerated charge density builds up locally by an avalanche multiplication process and then spreads over the entire detector area by a diffusion-assisted process. To model real geometries, we developed a simplified model based on the obtained results. The importance of the photon-assisted spreading mechanism is evaluated and compared with the diffusive one. The contribution of the photon-assisted mechanism is minor in these geometries. The model is compared with the experimental data on the avalanche leading edge and the timing resolution; the agreement is good. We conclude that the model can be considered to be a useful tool for the design of improved structures