InGaAs單光子探測(cè)器已廣泛應(yīng)用于激光三維成像、長(zhǎng)距離高速數(shù)字通訊、自由空間光通信和量子通訊等。針對(duì)單元、線列和小面陣器件,已發(fā)展出同軸封裝、蝶形封裝、插針網(wǎng)格陣列封裝等多種封裝形式。
據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道,上海理工大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊上發(fā)表了以“InGaAs單光子探測(cè)器封裝技術(shù)進(jìn)展”為主題的文章,探討了溫度對(duì)InGaAs單光子器件性能的影響及組件溫控方法,系統(tǒng)比較分析了針對(duì)光學(xué)元件如微透鏡、透鏡、光纖等與芯片的高精度耦合方法,針對(duì)高頻信號(hào)輸出,總結(jié)了引線類(lèi)型、布線方式、封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問(wèn)題,展望了InGaAs單光子探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)。
InGaAs單光子探測(cè)器面陣規(guī)模進(jìn)展及常見(jiàn)封裝形式
美國(guó)麻省理工大學(xué)的林肯實(shí)驗(yàn)室是最早從事InGaAs單光子探測(cè)器設(shè)計(jì)與封裝工作,目前也一直處于行業(yè)領(lǐng)先地位。從最初的4 × 4、32 × 32、64 × 64等到近些年的256 × 256面陣,其芯片設(shè)計(jì)能力從小規(guī)模陣列逐步發(fā)展到中大規(guī)模陣列。美國(guó)的Princeton Lightwave公司該項(xiàng)工作也進(jìn)行了深入研究,2010年該公司將32 × 32面陣,像素間距100微米的單光子靈敏度蓋革模式APD(Avalanche Photodiode)陣列應(yīng)用在了三維LADAR(Laser Radar)成像系統(tǒng)上;2014年為了進(jìn)一步滿(mǎn)足三維LADAR成像系統(tǒng)應(yīng)用的要求,他們開(kāi)發(fā)出了128 × 32的Gm-APD(Geiger-mode Avalanche Photodiode)陣列,實(shí)現(xiàn)了100%像素常規(guī)可操作性和性能的均衡性。2019年,德國(guó)的弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所開(kāi)發(fā)了640 × 512的InGaAs APD焦平面陣列,其像素間距為15微米,并將其應(yīng)用于SWIR(Shortwave Infrared)相機(jī)中。其他國(guó)外機(jī)構(gòu),如美國(guó)的JDS Uniphase,加拿大的Excelatas(原Perkinelmer)和日本的Hamamatsu Photonics等均進(jìn)行了研究并開(kāi)發(fā)出了較成熟產(chǎn)品。
圖1 國(guó)內(nèi)外InGaAs單光子探測(cè)器面陣規(guī)模主要進(jìn)展
InGaAs單光子探測(cè)器相應(yīng)的封裝形式主要有同軸封裝、雙列直插封裝、插針網(wǎng)格陣列封裝和蝶形封裝等多種封裝形式。圖2是一些產(chǎn)品的典型封裝形式,其中(a)和(b)為Princeton公司的APD產(chǎn)品;(c)為2009年麻省理工實(shí)驗(yàn)室為驗(yàn)證封裝可靠性使用的128 x 32 APD陣列產(chǎn)品。
圖2 InGaAs單光子探測(cè)器的典型封裝形式:(a)同軸封裝;(b)雙列直插封裝;(c)插針網(wǎng)格陣列封裝
2016年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)(Harbin Institute of Technology, HIT)在32 × 32 InGaAs Gm-APD的基礎(chǔ)上研制了一套激光成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了外場(chǎng)激光的主動(dòng)成像功能。2018年,西南技術(shù)物理研究所(兵器209所)成功研制了64 × 64 Si SPAD(Single-photon Avalanche Diodes)和32 × 32 InGaAs SPAD及更大陣列規(guī)模的SPAD器件,并應(yīng)用到無(wú)人駕駛激光雷達(dá)、激光測(cè)距和量子通信等領(lǐng)域。2022年,中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所(半導(dǎo)體所)研制了用于1550 nm波長(zhǎng)三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)的64 × 64 InGaAs/InP單光子雪崩二極管陣列,像素間距分別為25微米和150微米,在1550 nm波長(zhǎng)處有著25.72%的高單光子探測(cè)效率。2022年,中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所(44所)基于64 × 64和64 × 256的InGaAs APD焦平面陣列建立了理論分析模型和相應(yīng)的成像設(shè)備,對(duì)單光子陣列成像進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)。2022年,上海技術(shù)物理研究所(Shanghai Institute of Technical Physics of the Chinese Academy of Sciences, SITP)基于64 × 64 Gm-APD開(kāi)發(fā)了一款單光子3D成像激光雷達(dá),其像素間距50微米,能夠在短采集時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的成像效率。國(guó)內(nèi)其他研究單位如昆明物理研究所等對(duì)InGaAs單光子探測(cè)器設(shè)計(jì)也有著深入研究。
封裝影響因素
溫度的影響
APD的電流增益與反偏置驅(qū)動(dòng)電壓的大小和其溫度密切相關(guān)。溫度越高,過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓越大,電流增益越大,則感應(yīng)靈敏度越高,但同時(shí)暗計(jì)數(shù)率也越高(暗計(jì)數(shù)率是指在特定的溫度下由暗電流觸發(fā)雪崩電流而形成一次計(jì)數(shù)的概率)。研究表明,對(duì)于InGaAs單光子探測(cè)器,降低溫度會(huì)導(dǎo)致器件的暗計(jì)數(shù)率顯著下降,其變化關(guān)系如圖3(a)所示。
敖天宏等通過(guò)探究溫度對(duì)InGaAs SPAD器件的影響,對(duì)器件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性的改進(jìn),研制出光敏面直徑70微米的InGaAs SPAD器件;并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了不同工作偏壓下SPAD器件暗計(jì)數(shù)率DCR和激活能的關(guān)系曲線,如圖3(b)所示。激活能越大,說(shuō)明SPAD器件暗計(jì)數(shù)受溫度的影響越大。
圖3 APD暗電流測(cè)試曲線:(a)暗計(jì)數(shù)率隨溫度變化關(guān)系曲線;(b)InGaAs SPAD器件DCR與激活能關(guān)系圖
頻率的影響
InGaAs單光子探測(cè)器往往在高頻下工作。由經(jīng)典電磁場(chǎng)理論可知,當(dāng)傳導(dǎo)的信號(hào)頻率高到一定程度時(shí)(一般高于677 MHz),導(dǎo)線以及分立元件必須用分布參數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。徐光輝基于同軸封裝管殼,分別建立了芯片和管座的等效電路模型,如圖4所示。圖中,電源IopH等效為APD芯片、Rp和Cp分別是串聯(lián)電阻和并聯(lián)電容、LB1和LB2是金絲電感,電容和電感的組合等效為管座。
圖4 芯片和管座的等效電路模型:(a)芯片等效電路;(b)TO管座等效電路
減短金絲長(zhǎng)度會(huì)減小金絲電感,在高頻工作時(shí)金絲不能太長(zhǎng),但也存在一個(gè)最佳值,需與APD芯片和管座匹配。當(dāng)傳輸速率受限于金絲時(shí),輸出端可用高頻傳輸線來(lái)取代鍵合金絲完成引線互連。作為高頻傳輸線,衡量它的性能指標(biāo)主要有以下因素:電磁效應(yīng)、串?dāng)_、傳輸速率、阻抗容忍控制、損耗和頻率帶寬等。其封裝實(shí)現(xiàn)形式主要有微帶線、多層陶瓷互連、共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、同軸連接器等。較長(zhǎng)的引線會(huì)引入外界電磁干擾,分布電感和引線的長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致較大的淬滅延遲,使得難于消除尖峰脈沖噪聲。劉俊良等設(shè)計(jì)了主動(dòng)淬滅專(zhuān)用的集成式制冷封裝,內(nèi)含兩級(jí)TEC,安裝有平衡電容等元件的電路板與SPAD一起被封裝在管殼中。該構(gòu)造使SPAD線路和平衡電容共享相似的電磁環(huán)境和分布參數(shù),二者產(chǎn)生的噪聲較為容易消除。
在10 Git/s或者更高的傳輸系統(tǒng)中,一般會(huì)采用共面波導(dǎo)和同軸連接器的方案。圖6為共面波導(dǎo)和同軸線場(chǎng)分布,可以看出,共面波導(dǎo)和同軸連接器的電磁場(chǎng)分布很相似,可以很好解決兩者在過(guò)渡電磁場(chǎng)中的不連貫現(xiàn)象。
圖6 共面波導(dǎo)和同軸電磁場(chǎng)分布:(a)共面波導(dǎo)場(chǎng)分布;(b)同軸線場(chǎng)分布
封裝關(guān)鍵技術(shù)
TEC(Thermoelectric cooler)封裝設(shè)計(jì)
在InGaAs單光子探測(cè)器工作過(guò)程中,目前普遍采用2~4級(jí)熱電制冷器進(jìn)行制冷。半導(dǎo)體熱電制冷器為全固態(tài)結(jié)構(gòu),體積小、成本低、無(wú)噪音和長(zhǎng)壽命等特點(diǎn),在小溫差制冷的使用狀況下有著巨大的優(yōu)勢(shì)。前已述及,降低溫度能降低熱噪聲,但要同時(shí)得到高靈敏度、高響應(yīng)度和高響應(yīng)速度,則要求控制于一個(gè)最佳工作溫度并保持精確穩(wěn)定。在封裝設(shè)計(jì)時(shí),需重點(diǎn)考慮以下三個(gè)方面:(1)TEC的選擇、(2)封裝環(huán)境、(3)溫控。
集成光學(xué)元件的封裝
在InGaAs單光子探測(cè)器封裝過(guò)程中,提高光耦合效率和降低背景輻射是比較關(guān)心的問(wèn)題。受單光子器件制作工藝的限制,特別是對(duì)于面陣型器件,焦平面芯片的占空比很低,采用微透鏡在器件焦平面芯片近表面耦合是比較有效的措施。Princeton Lightwave公司在響應(yīng)波長(zhǎng)為1.06微米的 InP/InGaAs(P)單光子探測(cè)器(其焦平面規(guī)模為32 × 32,像元中心距100微米,像元直徑34微米)上采用微透鏡以后,其填充因子從9%提高到75%。
為了實(shí)現(xiàn)微透鏡和探測(cè)器芯片準(zhǔn)確對(duì)齊,Chang-Mo Kang和Simone Bianconi等在微透鏡和芯片上制作了對(duì)準(zhǔn)鍵(圖7(a)中直徑2微米的圓),利用圖7中(a)和(b)顯微鏡圖像中的十字對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)鍵的校準(zhǔn)對(duì)位。結(jié)果表明,當(dāng)十字標(biāo)識(shí)的左邊緣和右邊緣都在圓形對(duì)準(zhǔn)鍵的中心時(shí),整個(gè)探測(cè)器芯片上就實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的對(duì)齊。
麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,當(dāng)APD探測(cè)器光敏元為10微米時(shí),需要能夠?qū)崿F(xiàn)的對(duì)中精度≤1微米。為此,他們研制了一個(gè)利用器件結(jié)構(gòu)識(shí)別方向的對(duì)中實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng),如圖7(c)所示。單光子陣列規(guī)模為128 × 32,安裝在六自由度可調(diào)的裝置上,步進(jìn)小于100 nm。
圖7 芯片與微透鏡對(duì)中方法:(a)微透鏡上對(duì)準(zhǔn)鍵與十字標(biāo)記圖像;(b)探測(cè)器上對(duì)準(zhǔn)鍵與十字標(biāo)記圖像;(c)芯片與微透鏡對(duì)中系統(tǒng)示意圖
InGaAs單光子探測(cè)器探測(cè)信號(hào)非常微弱,為提高探測(cè)效率,降低其背景光的影響非常關(guān)鍵。主要有三種方法:時(shí)間分辨法,空間分辨法和光譜分光法。
光纖耦合封裝
InGaAs單光子探測(cè)器與光纖的耦合是目前其應(yīng)用的主要形式,能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)線列封裝應(yīng)用需求,而且光纖直徑小,可以有效降低空間光背景輻射。
封裝對(duì)準(zhǔn)工藝中,光纖與芯片之間耦合對(duì)準(zhǔn)的方法主要有兩類(lèi),一類(lèi)是有源對(duì)準(zhǔn),另一類(lèi)是無(wú)源對(duì)準(zhǔn)。
有源對(duì)準(zhǔn)是在有光信號(hào)的情況下進(jìn)行光纖的實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn),利用高精度位移平臺(tái)進(jìn)行偏差調(diào)整,這種方法耦合效率較高。例如圖8,GLEBOV A L等設(shè)計(jì)的一套光學(xué)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng),可以通過(guò)調(diào)整圖中所示的WD1和WD2、選擇不同的波長(zhǎng)以及透鏡的替換,來(lái)實(shí)現(xiàn)將不同的光纖與不同的二極管有源區(qū)域的對(duì)準(zhǔn)耦合。在該系統(tǒng)中,在不考慮菲涅耳反射和散射損耗的情況下,對(duì)于450 nm-900 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的105 μm/0.22 NA MMF(Multi-Mode Fiber)與100微米直徑有源區(qū)的耦合和SMF28(Single Mode Fiber)與25微米直徑有源區(qū)的耦合,其理論耦合效率保持在90%以上。
圖8 光學(xué)系統(tǒng)示意圖及其耦合效率曲線。(a)光學(xué)系統(tǒng)示意圖;(b)105 μm/0.22 NA MMF與100微米直徑有源區(qū)的耦合效率曲線;(c)SMF28與25微米直徑有源區(qū)的耦合效率曲線
無(wú)源對(duì)準(zhǔn)是在無(wú)光信號(hào)情況下,封裝時(shí)通過(guò)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記或者限位槽來(lái)完成對(duì)準(zhǔn)耦合。對(duì)于一維光纖陣列,光纖限位通常使用V形槽,而二維限位結(jié)構(gòu)則可采用微孔陣列,其制作材料可以是Si、金屬、陶瓷、玻璃等。圖9為典型的V形槽限位結(jié)構(gòu)。
圖9?V形槽限位結(jié)構(gòu)
無(wú)源對(duì)準(zhǔn)可以依靠精密的加工技術(shù)來(lái)達(dá)到高耦合效率。唐君等人設(shè)計(jì)了一套用于無(wú)源耦合的組件,包含標(biāo)準(zhǔn)光纖接頭和精確定位插針等組件,如圖10所示。在倒裝焊設(shè)備的幫助下,帶有精密插孔的標(biāo)準(zhǔn)MT接頭可與芯片陣列精密對(duì)準(zhǔn),對(duì)準(zhǔn)精度可達(dá)0.1微米。將兩者用護(hù)托臨時(shí)固定后,再對(duì)接有著精密插針的光纖陣列與標(biāo)準(zhǔn)MT接頭。對(duì)接完成后拆除護(hù)托,進(jìn)行金絲壓焊等。由于標(biāo)準(zhǔn)MT接頭上的插孔與定位插針是精確配合的,最終此方式的平均耦合效率在80%以上,且各個(gè)單元的耦合效率具有良好的一致性。
圖10 無(wú)源耦合示意圖
按耦合方式,光纖與芯片之間的對(duì)準(zhǔn)方法也可以分為兩類(lèi),即直接耦合與間接耦合。
直接耦合時(shí)中間無(wú)聚焦透鏡等元件,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且規(guī)模不受限制。直接耦合有兩種探測(cè)器芯片的貼裝方法:臥式耦合和立式耦合,這兩種方法都是為了減小鍵合金絲的跨距從而減少級(jí)聯(lián)次數(shù),進(jìn)而盡量減少射頻損耗和波動(dòng),如圖11所示。
圖11 探測(cè)器芯片貼裝方案:(a)臥式耦合;(b)立式耦
間接耦合通常采用微光學(xué)元件來(lái)提高耦合效率。用于耦合的微光學(xué)元件包括透鏡光纖、自聚焦透鏡、球透鏡、圓柱透鏡和非球面透鏡等。
針對(duì)光纖耦合型單光子探測(cè)器的氣密性封裝,直接耦合可采用光纖金屬化,將光纖與金屬管先進(jìn)行氣密性焊接;而間接耦合則可采用光窗式耦合,即采用光窗密封后再與光纖耦合。
總結(jié)與展望
本文主要介紹了InGaAs單光子探測(cè)器面陣規(guī)模進(jìn)展和常見(jiàn)封裝形式、封裝的主要影響因素和封裝的關(guān)鍵技術(shù)。溫度與探測(cè)器的電流增益和感應(yīng)靈敏度息息相關(guān);探測(cè)器的高信號(hào)傳導(dǎo)頻率要求其導(dǎo)線和分立元件必須用分布參數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì);TEC封裝設(shè)計(jì)、微透鏡與芯片的高精度耦合以及探測(cè)器與光纖的耦合是降低熱噪聲、提高響應(yīng)度和光耦合效率的關(guān)鍵。InGaAs單光子探測(cè)器具有廣闊的應(yīng)用前景,目前國(guó)外已向512 × 512以上規(guī)模發(fā)展,國(guó)內(nèi)則主要集中在單元探測(cè)器、線列或小面陣探測(cè)器,相應(yīng)的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚未完全系統(tǒng)化。近紅外單光子探測(cè)器封裝時(shí)需綜合考慮芯片低溫工作性能、封裝系統(tǒng)溫度均勻性、抗干擾、抗背景輻射和光纖耦合精準(zhǔn)度等一系列問(wèn)題,仍有待深入研究。
審核編輯:劉清
評(píng)論