近年來， InGaAs/InP雪崩光電二極管（APD）體積小、功耗低、響應(yīng)速度快，被廣泛應(yīng)用于近紅外單光子檢測(cè)。基于InGaAs/InP材料的雪崩光電二極管（APD）已成為高速光通信和光學(xué)雷達(dá)等領(lǐng)域中的重要探測(cè)器件之一。相比于傳統(tǒng)的光電二極管，雪崩光電二極管具有更高的增益和更低的噪聲，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度和高速度的信號(hào)檢測(cè)和放大。因此，它們被廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中的高速接收機(jī)、光纖傳感器和光學(xué)雷達(dá)等領(lǐng)域。由于其高速度和高靈敏度，這種探測(cè)器可以被廣泛應(yīng)用于通信、測(cè)量和成像等領(lǐng)域。例如，在光通信系統(tǒng)中，它可以用于接收高速光信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。在光學(xué)測(cè)量中，它可以用于測(cè)量微弱的光信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。在成像領(lǐng)域，它可以被用于制造高分辨率的紅外相機(jī)，用于航空航天、醫(yī)學(xué)和軍事等領(lǐng)域。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“基于InGaAs/InP低噪聲GHz單光子探測(cè)器研究”為主題的文章。該文章第一作者為龍耀強(qiáng)，主要從事單光子探測(cè)器集成方面的研究工作；通訊作者為梁焰副教授，主要從事單光子探測(cè)、激光測(cè)距、光譜檢測(cè)等方面的研究工作。

研究背景

InGaAs/InP材料具有優(yōu)良的光電性能和化學(xué)穩(wěn)定性，特別是在紅外光譜范圍內(nèi)，其光電探測(cè)器具有非常高的量子效率和快速響應(yīng)速度。在雪崩光電二極管中，當(dāng)光子通過InGaAs材料時(shí)，它們會(huì)與半導(dǎo)體晶格中的載流子相互作用，并將它們加速到足夠高的能量，以激發(fā)電離過程并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這些電子-空穴對(duì)會(huì)在高電場(chǎng)的作用下經(jīng)歷雪崩效應(yīng)，從而增加載流子密度和電流，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大。雖然InGaAs/InP雪崩光電二極管具有許多優(yōu)點(diǎn)，但它們也存在一些挑戰(zhàn)和限制。例如，雪崩效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致熱噪聲和暗電流的增加，從而降低探測(cè)器的信噪比和靈敏度。

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，高速、高靈敏度、高分辨率的光電探測(cè)器對(duì)于通信系統(tǒng)和光學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域的需求越來越迫切。在這些應(yīng)用通信、測(cè)量和成像等領(lǐng)域中，特別是在通信領(lǐng)域，要求探測(cè)器的工作頻率高達(dá)數(shù)GHz，因此基于GHz的InGaAs/InP雪崩光電二極管的研究變得尤為重要。

? 主要內(nèi)容

InGaAs/InP APD通常工作在蓋革模式下來響應(yīng)單個(gè)光子。單個(gè)載流子觸發(fā)產(chǎn)生的自持雪崩無法自然停止，為了再次響應(yīng)光子信號(hào)，需要快速將APD加載的偏壓降低至雪崩以下，對(duì)其抑制后恢復(fù)到探測(cè)模式。雪崩過程中，倍增層部分載流子被其中的缺陷及雜質(zhì)捕獲，隨后在不可預(yù)期的時(shí)間點(diǎn)由熱激發(fā)釋放出來觸發(fā)雪崩，即后脈沖。GHz門控信號(hào)加載到APD時(shí)能夠快速實(shí)現(xiàn)雪崩和淬滅的效果，提升了探測(cè)速率，同時(shí)有利于降低載流子數(shù)量，從而降低后脈沖。然而，隨著工作速率的提升，一方面門控信號(hào)在APD上產(chǎn)生的容性噪聲增大，APD雪崩持續(xù)時(shí)間變短導(dǎo)致有效光生信號(hào)變小，探測(cè)器信噪比變低；另一方面，APD冷卻時(shí)間變短，光生載流子無法得到充分釋放，探測(cè)器誤計(jì)數(shù)增大。因此高速門控的關(guān)鍵技術(shù)就是從較大的容性響應(yīng)微分信號(hào)中提取微弱的雪崩信號(hào)。

圖1（a）系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖；（b）尖峰噪聲圖；（c）低通濾波級(jí)聯(lián)下提取信號(hào)圖

我們提出低通濾波技術(shù)，采用截止頻率低于門控信號(hào)基頻的低通濾波器，濾除高頻尖峰噪聲信號(hào)的同時(shí)盡可能多地保留有用的低頻雪崩信號(hào)。為了保障探測(cè)器的信噪比，我們采用了低通濾波級(jí)聯(lián)方案，噪聲抑制比超過40 dB。APD的響應(yīng)帶寬約為2.3 GHz，實(shí)驗(yàn)中我們?cè)O(shè)計(jì)了1.0~2.0 GHz門控系統(tǒng)方案。我們對(duì)門控信號(hào)做了精密的調(diào)控，包括重復(fù)頻率、幅度、延時(shí)等，在溫度控制模塊加入反饋來提高穩(wěn)定性。對(duì)于各個(gè)模塊，我們采用板級(jí)集成來縮小尺寸，并用上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)APD的性能表征，可以快速記錄GHz探測(cè)頻率、APD輸出計(jì)數(shù)、溫度等參數(shù)指標(biāo)。

量子探測(cè)器層析（QDT）省去了傳統(tǒng)“自下而上”的標(biāo)定方法。將量子探測(cè)器視為“暗箱”，由已知的輸入態(tài)和測(cè)量得到的輸出結(jié)果來獲得正定算子取值測(cè)度（POVM）矩陣，可全面表征探測(cè)器。為了更完整的描述探測(cè)器的量子特征，我們引入量子探測(cè)器層析技術(shù)進(jìn)行標(biāo)定，重新構(gòu)建了其正值算符測(cè)度矩陣以及對(duì)應(yīng)的Wigner函數(shù)，為其在量子通信、量子計(jì)算等量子信息技術(shù)的應(yīng)用中提供支撐。

圖2 （a）量子層析裝置圖；（b）擬合結(jié)果圖

結(jié)論

GHz低噪聲的InGaAs/InP探測(cè)器具備更高的探測(cè)速率，更低的噪聲。分析APD的響應(yīng)帶寬后，確定門控頻率適合在1~2GHz。采用了正弦門控結(jié)合低通濾波級(jí)聯(lián)方案，實(shí)現(xiàn)了2 GHz以下低噪聲單光子探測(cè)。低通濾波級(jí)聯(lián)方案在高速門空中，信號(hào)提取的明顯，噪聲抑制比在40dB以上。此外，我們還引入量子層析技術(shù)對(duì)探測(cè)器進(jìn)行了標(biāo)定，驗(yàn)證了其量子特性。該探測(cè)技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，為單光子探測(cè)器在深空通信、激光測(cè)繪、光時(shí)域反射等領(lǐng)域的實(shí)用化提供有力支撐。

審核編輯：劉清