基于InGaAs NFAD的集成型低噪聲近紅外單光子探測(cè)器

近年來(lái)，基于InGaAs單光子雪崩二極管（SPAD）的近紅外單光子探測(cè)技術(shù)在遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)等系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，展現(xiàn)了其低功耗、小體積等優(yōu)勢(shì)。然而，其暗計(jì)數(shù)較Si基探測(cè)器高，且在一次探測(cè)事件后出現(xiàn)后脈沖噪聲計(jì)數(shù)的概率較大，因此較高的噪聲計(jì)數(shù)是該類器件實(shí)際應(yīng)用中不可忽視的問題。

負(fù)反饋雪崩二極管（NFAD）是通過在SPAD上集成一個(gè)大阻值的淬滅電阻來(lái)引入負(fù)反饋，在不影響制冷溫度的前提下大幅降低了寄生參數(shù)和淬滅延遲。然而，NFAD的主要缺點(diǎn)也來(lái)源于這一內(nèi)置的大阻值淬滅電阻。首先，淬滅后NFAD需要通過該電阻向SPAD結(jié)電容充電，通常需要數(shù)十至上百ns，遠(yuǎn)大于常規(guī)SPAD。其次，這一電阻使得大多數(shù)雪崩電流均“內(nèi)耗”，僅有數(shù)十μA的電流輸出，因此各研究機(jī)構(gòu)均使用了前置放大電路，將信號(hào)放大到至少數(shù)十mV后再進(jìn)行鑒別。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，山東大學(xué)的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“基于InGaAs NFAD的集成型低噪聲近紅外單光子探測(cè)器（特邀）”為主題的文章。該文章第一作者為董亞魁，主要從事單光子探測(cè)和弱光成像系統(tǒng)方面的研究工作；通訊作者為劉俊良副研究員，主要從事單光子探測(cè)器電子學(xué)及其激光雷達(dá)應(yīng)用方面的研究工作。

本文針對(duì)1550 nm激光雷達(dá)對(duì)單光子探測(cè)器高集成度、低噪聲的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種基于InGaAs NFAD的單光子探測(cè)器，包括專用于NFAD的低功耗的無(wú)前置放大器高速混合淬滅電路，以及高速計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)讀出電子學(xué)，并著重考慮了散熱和抗干擾設(shè)計(jì)。該模塊可工作在自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式和寬門控模式，尤其適用于激光雷達(dá)應(yīng)用。

探測(cè)器設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用了北京潤(rùn)銘宇的PNA-308-MM型NFAD，有效光敏面直徑為22 μm，耦合了62.5/125 μm多模尾纖，內(nèi)置三級(jí)TEC熱電制冷器，采用六管腳的TO-8管殼封裝。

為解決集成TEC制冷的探測(cè)器件較長(zhǎng)的引線導(dǎo)致的易受外界干擾和尖峰噪聲難以消除的問題，課題組提出了針對(duì)NFAD的無(wú)前置放大器高速主動(dòng)淬滅電路，如圖1所示。

圖1 無(wú)前置放大器的高速混合淬滅電路設(shè)計(jì)圖

設(shè)計(jì)以帶鎖存功能的SiGe異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT）工藝的超高速比較器為核心構(gòu)成主動(dòng)淬滅電路，結(jié)合外部晶體管和C-RC電容平衡消噪電路實(shí)現(xiàn)雪崩信號(hào)的提取、NFAD淬滅及淬滅狀態(tài)保持，如圖1中深紅色部分所示。以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）為核心，結(jié)合運(yùn)算放大器等部分外圍電路實(shí)現(xiàn)NFAD淬滅后恢復(fù)控制，偏壓、鑒別電平、死時(shí)間等參數(shù)的調(diào)整，以及雪崩信號(hào)的計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和輸出功能，如圖1中深藍(lán)色部分所示。

主動(dòng)淬滅電路的具體工作原理如下：NFAD陽(yáng)極側(cè)集成淬滅電阻后通過耦合電容CC連接至比較器同相輸入端。與通常使用該類比較器時(shí)采用50 Ω端接電阻的方法不同，設(shè)計(jì)使用了高達(dá)2.4 kΩ的電阻RP作為電流提取電阻，這一變更使得NFAD的輸出在過偏壓1.5 V時(shí)即可達(dá)到約20 mV，可直接被比較器鑒別。

NFAD的陰極通過由CD1、RD1和CD2構(gòu)成的C-RC平衡消噪網(wǎng)絡(luò)連接至比較器反相端，用于NFAD恢復(fù)時(shí)電壓突變導(dǎo)致的尖峰噪聲的消除。同時(shí)，反相端通過RN連接至可變的鑒別電平。當(dāng)雪崩信號(hào)被鑒別到時(shí)，比較器同相輸出端反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)淬滅晶體管（GaAs增強(qiáng)型贗配高電子遷移率晶體管，GaAs E-pHEMT）輸出翻轉(zhuǎn)，降低陰極電壓，NFAD雪崩淬滅；同時(shí)，比較器反相輸出端反轉(zhuǎn)，并通過鎖存使能反相輸入端（LE-）鎖存該淬滅狀態(tài)。雪崩淬滅后，受FPGA控制的高速運(yùn)算放大器切斷淬滅晶體管偏置，以實(shí)現(xiàn)最低的功耗；同時(shí)通過LE+端解除比較器鎖存狀態(tài)，恢復(fù)其比較功能。設(shè)定的死時(shí)間過后，或門控“開”信號(hào)到達(dá)時(shí)，F(xiàn)PGA控制高速運(yùn)算放大器恢復(fù)淬滅晶體管偏置，NFAD恢復(fù)工作。

恢復(fù)和淬滅瞬間NFAD陰極上的電壓瞬變均會(huì)通過NFAD的結(jié)電容和寄生電容耦合至輸出端。然而，NFAD所需的阻值更大的提取電阻RP使該尖峰噪聲信號(hào)幅度增大了數(shù)十倍，并展寬至數(shù)十ns，常規(guī)的電容平衡消噪電路不足以將噪聲抑制在鑒別電平以下。因此，在C-RC平衡消噪電路的基礎(chǔ)上，在NFAD恢復(fù)信號(hào)發(fā)出前5 ns時(shí)由FPGA驅(qū)動(dòng)鑒別電平控制電路提高比較器反相端（In-）的電平約200 mV，但在NFAD恢復(fù)時(shí)降為原數(shù)值，使比較器反相端處的信號(hào)與NFAD產(chǎn)生的尖峰噪聲同步衰減的同時(shí)始終略高于噪聲電平，實(shí)現(xiàn)該噪聲的消除。

除此以外，探測(cè)器的主控FPGA除了實(shí)現(xiàn)上述淬滅和死時(shí)間控制等功能外，還集成了精度達(dá)48 ps的時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（TCSPC）功能，并可實(shí)現(xiàn)直方圖統(tǒng)計(jì)輸出，在不顯著增加功耗的情況下，極大地增加了探測(cè)器的實(shí)用性。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

探測(cè)器的整體設(shè)計(jì)示意圖如圖2（a）所示。其尺寸為：54 mm × 42.8 mm × 50 mm，主要包括外殼、1550 nm集成制冷型NFAD器件、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)、電源電路板、控制電路板、淬滅電路板等組成。

圖2 基于InGaAs NFAD的集成型低噪聲近紅外單光子探測(cè)器設(shè)計(jì)圖：（a）探測(cè)器剖視圖；（b）探測(cè)器散熱結(jié)構(gòu)；紅色虛線圈內(nèi)為淬滅電路板及貼抗干擾屏蔽材料位置；藍(lán)色區(qū)域?yàn)镹FAD管殼與散熱結(jié)構(gòu)接觸面

NFAD的TEC在使用過程中，由于Peltier效應(yīng)會(huì)在TEC的底面產(chǎn)生熱量堆積，而TEC底面已與管殼底部焊接，因此需要精細(xì)設(shè)計(jì)導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，以盡量降低管殼溫度，保證NFAD的工作溫度。如圖2（b）所示，設(shè)計(jì)將淬滅電路板主體朝向器件外側(cè)，平行于管殼底面，僅連接NFAD的陰陽(yáng)兩極和兩個(gè)測(cè)溫電阻管腳，避開管殼中心關(guān)鍵導(dǎo)熱部分。經(jīng)軟件建模測(cè)算，管殼底面與散熱結(jié)構(gòu)的接觸部分占管殼底面的73.2%。

抗干擾設(shè)計(jì)

由于探測(cè)器中最易受干擾的部分為NFAD引腳和淬滅電路，設(shè)計(jì)最小化了NFAD的陰陽(yáng)極管腳到電路板的長(zhǎng)度，器件底面到淬滅電路的距離僅為1.4 mm，并在不影響散熱的前提下在淬滅電路的正反面粘貼了鐵氧體吸波材料，如圖2中紅色虛線圈部分所示。經(jīng)上述處理后，探測(cè)器在無(wú)電磁屏蔽的環(huán)境內(nèi)雪崩檢測(cè)閾值低至9 mV，而該電路驅(qū)動(dòng)的NFAD在10%探測(cè)效率時(shí)的典型雪崩信號(hào)幅度約28 mV，不會(huì)出現(xiàn)因雪崩信號(hào)漏檢而導(dǎo)致探測(cè)效率下降的情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

雪崩波形及分析

將恢復(fù)延遲設(shè)置為250 ns，用示波器探頭同時(shí)采集比較器同相輸入端和反相輸入端信號(hào)，如圖3所示，其中雪崩信號(hào)作了局部放大。上述結(jié)果表明，雪崩提取和主動(dòng)淬滅電路實(shí)現(xiàn)了其功能，避免了前置放大器的使用，減少了總熱量產(chǎn)出。

圖3 比較器同相端（實(shí)線）和反相端（虛線）波形圖

探測(cè)器性能參數(shù)及分析

探測(cè)性能方面，實(shí)驗(yàn)獲得了基于上述主動(dòng)淬滅電路驅(qū)動(dòng)的NFAD在自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式下的性能參數(shù)，包括不同偏壓、溫度、死時(shí)間等條件下的探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)率和后脈沖概率，具體結(jié)果如下：

NFAD制冷到?50 ℃，探測(cè)器工作在自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式，死時(shí)間為2 μs時(shí)，探測(cè)效率與過偏壓的關(guān)系如圖4所示。該NFAD在?50 ℃時(shí)的擊穿電壓為77.0 V。過偏壓在5.8 V以下時(shí)，探測(cè)效率隨過偏壓上升而增大。在過偏壓為1.5、2.8、4.7 V時(shí)，探測(cè)效率分別為10%、20%和30%。在過偏壓5.8 V時(shí)，探測(cè)效率最高可達(dá)33%，此時(shí)的過偏壓率已達(dá)7.5%；繼續(xù)提高過偏壓，探測(cè)效率則隨過偏壓的升高不增反降。該現(xiàn)象可能由高偏壓下過高的噪聲計(jì)數(shù)率導(dǎo)致死時(shí)間占比過大，NFAD趨于飽和，使得正常探測(cè)光子的時(shí)間窗口減少所致。

圖4 暗計(jì)數(shù)率在不同探測(cè)效率下隨死時(shí)間的變化

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了NFAD制冷至?50 ℃，探測(cè)器在不同探測(cè)效率時(shí)的暗計(jì)數(shù)率和后脈沖概率隨死時(shí)間的變化，分別如圖5和圖6所示。當(dāng)探測(cè)效率為10%時(shí)，短死時(shí)間使暗計(jì)數(shù)率上漲的程度較小，死時(shí)間為120 ns的數(shù)值與死時(shí)間為10 μs的數(shù)值相比僅增加了19.4%左右；探測(cè)效率為20%時(shí)約為1.5倍。而在探測(cè)效率高于25%時(shí)，暗計(jì)數(shù)率隨死時(shí)間的降低迅速上升，這是由于在死時(shí)間較短時(shí)，后脈沖概率陡增，出現(xiàn)大量由暗計(jì)數(shù)引發(fā)的后脈沖及次生高階后脈沖所致。

圖5 總后脈沖概率在不同探測(cè)效率下隨死時(shí)間的變化

圖6 總后脈沖概率在不同探測(cè)效率下隨死時(shí)間的變化

在無(wú)前置放大器的低延遲主動(dòng)淬滅電路和NFAD集成大淬滅電阻的共同作用下，探測(cè)器的總后脈沖概率較同類研究進(jìn)一步降低。實(shí)際應(yīng)用通常需將總后脈沖概率控制在15%以下，該探測(cè)器若需達(dá)到該要求，在10%、15%、20%、25%和30%時(shí)分別需將死時(shí)間設(shè)置在120 ns、600 ns、2 μs、5 μs和10 μs即可，見圖6。在設(shè)為最短死時(shí)間120 ns、探測(cè)效率10%時(shí)，其暗計(jì)數(shù)率890 Hz，后脈沖概率僅10.6%，非常適用于后向散射和背景光等噪聲光子數(shù)較大時(shí)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)，可以應(yīng)用于激光雷達(dá)等應(yīng)用。

在室溫為20 ℃時(shí)，探測(cè)器最低可在制冷溫度設(shè)置為?58 ℃時(shí)穩(wěn)定工作，在120 ns死時(shí)間下，探測(cè)效率10%、15%、20%時(shí)的后脈沖概率分別約14%、51%和190%，略高于?50 ℃時(shí)的結(jié)果。為了更好地表征不同溫度對(duì)探測(cè)器性能的影響，設(shè)定死時(shí)間為350 ns，測(cè)得探測(cè)效率分別為10%、15%、20%和25%時(shí)暗計(jì)數(shù)率和總后脈沖概率隨溫度的變化，如圖7所示。

圖7總后脈沖概率和暗計(jì)數(shù)率在不同探測(cè)效率下隨溫度的變化

總體看來(lái)，在同一探測(cè)效率下，后脈沖概率隨溫度的升高而降低，?30 ℃時(shí)的后脈沖概率約為?58 ℃時(shí)的70%。暗計(jì)數(shù)率隨溫度的升高迅速增加，?50 ℃、?40 ℃和?30 ℃時(shí)的暗計(jì)數(shù)率分別約為?58 ℃時(shí)的1.8倍、4.7倍和13.2倍。而且，由于高階后脈沖的存在，暗計(jì)數(shù)率的增長(zhǎng)速率也在隨溫度的升高而變大?？紤]到不同實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中背景光貢獻(xiàn)的噪聲計(jì)數(shù)可能差異較大，工作溫度需要根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇。例如，若環(huán)境背景噪聲光子數(shù)較大，設(shè)置稍高的工作溫度反而可能由于后脈沖概率較低而獲得更小的總噪聲計(jì)數(shù)率。

結(jié)論

文中針對(duì)1550 nm激光雷達(dá)對(duì)單光子探測(cè)器高集成度、低噪聲的應(yīng)用需求，研制了基于InGaAs NFAD的集成型近紅外單光子探測(cè)器。針對(duì)NFAD器件易受到外界干擾的問題，通過無(wú)前置放大器的高速混合淬滅電路設(shè)計(jì)，結(jié)合優(yōu)化的器件-電路互聯(lián)和屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定工作。同時(shí)，對(duì)集成熱電制冷和高速淬滅電路自身高功耗、發(fā)熱量較大的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了散熱方案。所研制的探測(cè)器最大可用探測(cè)效率約為33%，最低制冷溫度為?58 ℃；?50 ℃、死時(shí)間120 ns時(shí)后脈沖概率僅為10.6%，暗計(jì)數(shù)率低至890 Hz。綜上所述，探測(cè)器的綜合性能優(yōu)異，非常適用于使用環(huán)境體積受限的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

審核編輯：劉清