彭啟康+張磊+佟首峰

摘要：?jiǎn)喂庾犹綔y(cè)技術(shù)能夠有效提高系統(tǒng)的精度和探測(cè)效率。在空間激光通信系統(tǒng)中，入射光場(chǎng)強(qiáng)度十分微弱，幾乎到達(dá)光子量級(jí)，一般的光電探測(cè)器所探測(cè)到的信號(hào)這時(shí)就會(huì)被噪聲所干擾甚至淹沒(méi)，而單光子探測(cè)技術(shù)則是用來(lái)測(cè)量這種極微弱的光信號(hào)?；陂T控的InGaAs/InP 雪崩光電二極管的單光子探測(cè)技術(shù)有后脈沖概率低，時(shí)間抖動(dòng)小，計(jì)數(shù)率高的特點(diǎn)。為了抑制門控充放電噪聲提取微弱雪崩信號(hào)，本文介紹了國(guó)內(nèi)外基于門控探測(cè)的InGaAs/InP APD的主要幾種方案：放電脈沖探測(cè)技術(shù)、正弦門控濾波技術(shù)和差分平衡探測(cè)技術(shù)?？偨Y(jié)了單光子探測(cè)近年來(lái)的發(fā)展與應(yīng)用，最后對(duì)該技術(shù)的前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)喂庾犹綔y(cè)；空間激光通信；雪崩二極管；后脈沖概率

中圖分類號(hào)：O572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)1672-3791（2017）01（a）-0000-00

激光測(cè)距由于其具備精準(zhǔn)、快速的特點(diǎn)，并隨著光電技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，已在工業(yè)控制、軍事遙感以及空間光通信等多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。其中，除了傳統(tǒng)的脈沖測(cè)距技術(shù)外，一些新的測(cè)距方案不斷地被提出，如基于光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)的單光子探測(cè)技術(shù)，通過(guò)提高對(duì)單個(gè)光子信號(hào)的探測(cè)效率及抑制噪聲的方式從而提高系統(tǒng)的測(cè)距精度。在單光子測(cè)距中，單光子探測(cè)器的時(shí)間抖動(dòng)和激光脈沖寬度決定了測(cè)距系統(tǒng)的精度。近年來(lái)，大功率皮秒激光器發(fā)展迅速，因此單光子探測(cè)器的時(shí)間抖動(dòng)成為影響單光子測(cè)距系統(tǒng)分辨精度的主要問(wèn)題。而采用InGaAs材料做吸收層、InP材料做倍增層，可以實(shí)現(xiàn)近紅外波段光子信號(hào)的探測(cè)，基于InGaAs/InP APD的單光子探測(cè)技術(shù)發(fā)展成為當(dāng)前最實(shí)用的近紅外單光子探測(cè)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(fā)雪崩效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的探測(cè)，如圖1所示二極管的原理示意圖。當(dāng)其工作在擊穿電壓以下時(shí)會(huì)發(fā)生載流子的碰撞電離，但這一碰撞電離還不足以引發(fā)雪崩效應(yīng)，此時(shí)器件的輸出電流與入射光子數(shù)成線性比例，這時(shí)候稱之為線性模式。當(dāng)單光子雪崩二極管的反向偏置電壓高于雪崩擊穿電壓時(shí)，耗盡區(qū)中的單個(gè)載流子就會(huì)產(chǎn)生連鎖的碰撞電離反應(yīng)，從而引發(fā)雪崩效應(yīng)，此時(shí)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(lái)對(duì)碰撞電離加以說(shuō)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(qū)，厚度為 ， 區(qū)材料的電子和空穴的碰撞電離系數(shù)分別為 和 （碰撞電離系數(shù)與空間電荷區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)，其表示在單位距離上發(fā)生碰撞電離的次數(shù)）?？紤]在空間電荷區(qū) 處因光吸收或熱效應(yīng)產(chǎn)生一電子空穴對(duì)，在電場(chǎng)的作用下，電子和空穴分別向相反方向漂移。在經(jīng)過(guò) 的距離后，電子和空穴分別產(chǎn)生 和 次的碰撞電離，這些碰撞電離產(chǎn)生的載流子在電場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)一段距離獲得足夠能量又能產(chǎn)生新的碰撞電離，該過(guò)程不斷重復(fù)，直至電子和空穴漂移出空間電荷區(qū)。我們用 來(lái)表示 區(qū) 處的一個(gè)電子空穴對(duì)所引發(fā)的平均碰撞電離次數(shù)，那么有[2]：

2 InGaAs/InP APD的種類與性能指標(biāo)

目前針對(duì)InGaAs/InP APD主要有三種雪崩抑制模式：被動(dòng)抑制、主動(dòng)抑制和門控探測(cè)。被動(dòng)抑制增大了雪崩光電二極管的死時(shí)間，嚴(yán)重減小了探測(cè)器的最大計(jì)數(shù)率，而主動(dòng)抑制則因?yàn)橐种齐娐愤^(guò)于復(fù)雜，信號(hào)級(jí)聯(lián)容易發(fā)生發(fā)射，門控探測(cè)模式目前在單光子探測(cè)中應(yīng)用最為廣泛。門控探測(cè)模式可以有效減小后脈沖，同時(shí)暗噪聲計(jì)數(shù)也能大大減少[3]，而缺點(diǎn)就在于需要抑制雪崩產(chǎn)生的尖峰噪聲并提取微弱的雪崩信號(hào)。

2.1 放電脈沖甄別技術(shù)

當(dāng)門控脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)雪崩光電二極管時(shí)，由于阻抗不匹配，在沒(méi)有發(fā)生雪崩效應(yīng)時(shí)，門控信號(hào)響應(yīng)則輸出充放電正負(fù)脈沖的尖峰噪聲。在有光生雪崩時(shí)，由于門控開(kāi)啟時(shí)刻沒(méi)有雪崩，從而導(dǎo)致產(chǎn)生充電正脈沖，當(dāng)雪崩電流出現(xiàn)后，此時(shí)二極管相當(dāng)于低阻抗電阻，因此通過(guò)探測(cè)有無(wú)放電負(fù)脈沖，即可以判斷二極管究竟是電容還是電阻，沒(méi)有甄別到放電負(fù)脈沖時(shí)表示有光生雪崩信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)雪崩信號(hào)的鑒別和提取[4]。

2.2 正弦門濾波技術(shù)

2006年，日本的研究人員首先提出了正弦波門控濾波探測(cè)技術(shù)[5]，利用正弦波作為門控信號(hào)與控制直流偏置電壓加載到單光子雪崩二極管上，當(dāng)?shù)竭_(dá)正弦波波峰時(shí)，偏置電壓在雪崩點(diǎn)之上，此時(shí)會(huì)有光子信號(hào)入射形成光生雪崩，隨后到達(dá)正弦門控信號(hào)的波谷時(shí)雪崩被抑制，因?yàn)榇藭r(shí)偏置電壓在雪崩點(diǎn)以下。由于結(jié)電容對(duì)正弦門控信號(hào)的非線性響應(yīng)，會(huì)導(dǎo)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(yīng)的帶阻濾波器客去除相應(yīng)頻譜的尖峰噪聲從而提取雪崩信號(hào)，其中帶阻濾波對(duì)門控基頻信號(hào)的抑制比可達(dá)100dB，再經(jīng)高增益放大器放大輸出，即可輕易的甄別出雪崩信號(hào)。該方案實(shí)現(xiàn)了當(dāng)門控頻率為800MHz，探測(cè)效率為8.5%時(shí)，后脈沖概率為6.0%，暗記數(shù)為 /門。

2.3 雙APD平衡技術(shù)

A. Tomita等人利用兩個(gè)性能參數(shù)完全相同的雪崩二極管，并把這兩個(gè)二極管進(jìn)行并聯(lián)，提出了基于平衡門控的單光子探測(cè)器的方法，其原理如圖3所示。兩個(gè)完全相同的SPAD由兩路相同的門控電路驅(qū)動(dòng)，輸出產(chǎn)生形狀相同的尖峰噪聲 [6]，兩個(gè)二極管的輸出信號(hào)通過(guò)一個(gè) 180?的混合接口并經(jīng)過(guò)自差分運(yùn)算相減，繼而消除掉尖峰噪聲。當(dāng)兩個(gè)SPAD中的一個(gè)產(chǎn)生了雪崩效應(yīng)時(shí)，輸出端就會(huì)相應(yīng)的輸出正或負(fù)的雪崩信號(hào)。鑒別器將雪崩信號(hào)進(jìn)行幅度鑒別后，交由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。這種抑制尖峰噪聲的方案，能夠有效地提取雪崩信號(hào)，噪聲抑制比可達(dá)26dB以上。但是，該方案的關(guān)鍵在于幾乎很難找到兩個(gè)完全相同的單光子雪崩二極管器件，與此同時(shí)還要精確控制光子到達(dá)時(shí)間，使得該方案實(shí)施起來(lái)尤為困難。

2.4 電容補(bǔ)償平衡

釆用與單光子雪崩二極管電學(xué)特性類似的二極管替換雙APD平衡方案的一個(gè)APD，工作原理如圖4所示[7]。一個(gè)雪崩光電二極管與一個(gè)普通二極管并聯(lián)，門控脈沖信號(hào)經(jīng)二極管結(jié)電容后，產(chǎn)生與雪崩響應(yīng)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(shí)際中與雪崩二極管結(jié)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(cè)技術(shù)

英國(guó)劍橋?qū)嶒?yàn)室和東芝研宄小組提出了自差分平衡探測(cè)技術(shù)，原理如圖5所示，門控脈沖驅(qū)動(dòng)雪崩光電二極管，響應(yīng)輸出信號(hào)進(jìn)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(yīng)信號(hào)分成幅度相等的兩路信號(hào)，其中兩路電纜線長(zhǎng)度不同，使得一路信號(hào)經(jīng)過(guò)電纜線相對(duì)另一路延遲了一個(gè)門控周期，兩路信號(hào)進(jìn)入差分器相減后合成輸出，即可完全抵消尖峰噪聲，可達(dá)21dB以上的噪聲抑制比，從而有效提取出微弱的雪崩信號(hào)。由于一分二的兩路信號(hào)是完全相同的，采用自差分平衡方案提取雪崩信號(hào)，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(hào)可通過(guò)降低雪崩閾值電平即可甄別出來(lái)，也就是說(shuō)在低增益條件下即可獲得高探測(cè)效率，同時(shí)有效減小后脈沖[8]。

2.6 光平衡探測(cè)技術(shù)

光平衡的探測(cè)方案，是基于光學(xué)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(guò)光學(xué)的方法還可以持續(xù)的調(diào)整門重頻。其基本工作原理如圖6所示，光生雪崩產(chǎn)生后，雪崩信號(hào)被淹埋在門控瞬態(tài)響應(yīng)的尖峰噪聲中，響應(yīng)輸出的雪崩信號(hào)和尖峰噪聲經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)1550nm的激光二極管，由于激光二極管響應(yīng)帶寬足夠高確保APD響應(yīng)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為光脈沖信號(hào)，光脈沖進(jìn)入了一個(gè)由摻鉺光纖放大、內(nèi)置濾波和偏振分束器組成的，類似于魔T差分電路的一個(gè)光路，而其中一路延時(shí)一個(gè)門控周期，最后經(jīng)普通的光電二極管探測(cè)后差分輸出，實(shí)現(xiàn)了雪崩信號(hào)的甄別提取[9]。光平衡探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了31dB的噪聲抑制比，使雪崩二極管工作在亞飽和增益區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)單個(gè)雪崩二極管光子數(shù)可分辨探測(cè)，此外，光平衡技術(shù)相比電學(xué)自差分平衡，不僅輸出穩(wěn)定，頻率可持續(xù)調(diào)整，而且不受磁場(chǎng)干擾。

3結(jié)束語(yǔ)

我們已經(jīng)闡述了單光子雪崩二極管在門控探測(cè)下，需要超窄的門脈沖寬度才能降低暗計(jì)數(shù)和后脈沖效應(yīng)，目前的研究人員主要通過(guò)抑制充放電噪聲和通過(guò)基于差分平衡，進(jìn)而提取微弱的雪崩信號(hào)。這些措施一方面提高探測(cè)效率，并且將時(shí)鐘頻率提高到GHz量級(jí)。另一方面，高噪聲抑制比可使二極管工作于亞飽和狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)光子數(shù)的分辨探測(cè)。從實(shí)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(cè)器件，因此隨著門控頻率的進(jìn)一步提高和采用更高性能的單光子探測(cè)器，可進(jìn)一步拓展該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并應(yīng)用到空間激光探測(cè)與通信系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)

1X.Sun，D.Skillman et al.. Free space laser communication experiments from Earth to the Lunar Reconnaissance Orbiter in lunar orbit[J].Opt.Express，2013，21（2），1865-1871.

2R.J.McIntyre.Multiplication noise in uniform avalanche diodes[J].IEEE Trans on Electron Devices，1966，13：164-168

3G.E.Stillman and C.M.Wolfe. Avalanche photodiodes，in Semiconductors and Semimetals[M].New York：Academic，1977，12：291-393

4A.Yoshizawa，R.Kaji，andH.Tsuchid. Gated-mode single-photon detection at 1550nm by discharge pulse counting[J].Appl.Phys.Lett，2004，84（18），3606-3608.

5N.Namekata，S.Adachi，andS.Inoue. 1.5GHz single-photon detection at telecommunication wavelengths using sinusoidally gated InGaAs/InP avalanche photodiode[J]Opt.Express，2009，17（8），6275-6282.

6A.Tomita，K.Nakamura.Balanced. Gated-mode photon detector for quantum-bit discrimination at 1550nm[J].Opt.Lett，2002，27（20），1827-1829.

7G.Wu，C.Zhou，X.Chen，andH.Zeng. High performance of gated-mode single-photon detector at 1.55um[J].Opt.Communications，2006，265，126-131.

8Z.L.Yuan，B.E.Kardynal，A.W.Sharpe，A.J.Shields. High speed single photon detection in the near infared[J].Appl.Phys.Lett，2007，91（4），041114.

9Y.Jian，E.Wu，G.Wu，andH.Zeng. Optically Self-Balanced InGaAs-InP Avalanche Photodiode for Infared Single-photon Detection[J].IEEE Photon.Technol.Lett，2010，22（3），173-175.