在线观看www成人影院-在线观看www日本免费网站-在线观看www视频-在线观看操-欧美18在线-欧美1级

0
  • 聊天消息
  • 系統消息
  • 評論與回復
登錄后你可以
  • 下載海量資料
  • 學習在線課程
  • 觀看技術視頻
  • 寫文章/發帖/加入社區
會員中心
創作中心

完善資料讓更多小伙伴認識你,還能領取20積分哦,立即完善>

3天內不再提示

基于InGaAs NFAD的集成型低噪聲近紅外單光子探測器

MEMS ? 來源:光電e+ ? 2023-06-21 09:37 ? 次閱讀

近年來,基于InGaAs單光子雪崩二極管(SPAD)的近紅外單光子探測技術在遠距離激光雷達等系統中的應用日益廣泛,展現了其低功耗、小體積等優勢。然而,其暗計數較Si基探測器高,且在一次探測事件后出現后脈沖噪聲計數的概率較大,因此較高的噪聲計數是該類器件實際應用中不可忽視的問題。

負反饋雪崩二極管(NFAD)是通過在SPAD上集成一個大阻值的淬滅電阻來引入負反饋,在不影響制冷溫度的前提下大幅降低了寄生參數和淬滅延遲。然而,NFAD的主要缺點也來源于這一內置的大阻值淬滅電阻。首先,淬滅后NFAD需要通過該電阻向SPAD結電容充電,通常需要數十至上百ns,遠大于常規SPAD。其次,這一電阻使得大多數雪崩電流均“內耗”,僅有數十μA的電流輸出,因此各研究機構均使用了前置放大電路,將信號放大到至少數十mV后再進行鑒別。

據麥姆斯咨詢報道,近期,山東大學的聯合科研團隊在《紅外與激光工程》期刊上發表了以“基于InGaAs NFAD的集成型低噪聲近紅外單光子探測器(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和弱光成像系統方面的研究工作;通訊作者為劉俊良副研究員,主要從事單光子探測器電子學及其激光雷達應用方面的研究工作。

本文針對1550 nm激光雷達對單光子探測器高集成度、低噪聲的應用需求,設計了一種基于InGaAs NFAD的單光子探測器,包括專用于NFAD的低功耗的無前置放大器高速混合淬滅電路,以及高速計時、計數讀出電子學,并著重考慮了散熱和抗干擾設計。該模塊可工作在自由運轉模式和寬門控模式,尤其適用于激光雷達應用。

探測器設計

電路設計

設計采用了北京潤銘宇的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,內置三級TEC熱電制冷器,采用六管腳的TO-8管殼封裝。

為解決集成TEC制冷的探測器件較長的引線導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NFAD的無前置放大器高速主動淬滅電路,如圖1所示。

8cbb8374-0f84-11ee-962d-dac502259ad0.jpg

圖1 無前置放大器的高速混合淬滅電路設計圖

設計以帶鎖存功能的SiGe異質結雙極型晶體管(HBT)工藝的超高速比較器為核心構成主動淬滅電路,結合外部晶體管和C-RC電容平衡消噪電路實現雪崩信號的提取、NFAD淬滅及淬滅狀態保持,如圖1中深紅色部分所示。以現場可編程門陣列(FPGA)為核心,結合運算放大器等部分外圍電路實現NFAD淬滅后恢復控制,偏壓、鑒別電平、死時間等參數的調整,以及雪崩信號的計時、計數和輸出功能,如圖1中深藍色部分所示。

主動淬滅電路的具體工作原理如下:NFAD陽極側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采用50 Ω端接電阻的方法不同,設計使用了高達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時即可達到約20 mV,可直接被比較器鑒別。

NFAD的陰極通過由CD1、RD1和CD2構成的C-RC平衡消噪網絡連接至比較器反相端,用于NFAD恢復時電壓突變導致的尖峰噪聲的消除。同時,反相端通過RN連接至可變的鑒別電平。當雪崩信號被鑒別到時,比較器同相輸出端反轉驅動淬滅晶體管(GaAs增強型贗配高電子遷移率晶體管,GaAs E-pHEMT)輸出翻轉,降低陰極電壓,NFAD雪崩淬滅;同時,比較器反相輸出端反轉,并通過鎖存使能反相輸入端(LE-)鎖存該淬滅狀態。雪崩淬滅后,受FPGA控制的高速運算放大器切斷淬滅晶體管偏置,以實現最低的功耗;同時通過LE+端解除比較器鎖存狀態,恢復其比較功能。設定的死時間過后,或門控“開”信號到達時,FPGA控制高速運算放大器恢復淬滅晶體管偏置,NFAD恢復工作。

恢復和淬滅瞬間NFAD陰極上的電壓瞬變均會通過NFAD的結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使該尖峰噪聲信號幅度增大了數十倍,并展寬至數十ns,常規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上,在NFAD恢復信號發出前5 ns時由FPGA驅動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恢復時降為原數值,使比較器反相端處的信號與NFAD產生的尖峰噪聲同步衰減的同時始終略高于噪聲電平,實現該噪聲的消除。

除此以外,探測器的主控FPGA除了實現上述淬滅和死時間控制等功能外,還集成了精度達48 ps的時間相關單光子計數(TCSPC)功能,并可實現直方圖統計輸出,在不顯著增加功耗的情況下,極大地增加了探測器的實用性。

結構設計

探測器的整體設計示意圖如圖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、導熱結構、電源電路板、控制電路板、淬滅電路板等組成。

8ce2105c-0f84-11ee-962d-dac502259ad0.jpg

圖2 基于InGaAs NFAD的集成型低噪聲近紅外單光子探測器設計圖:(a)探測器剖視圖;(b)探測器散熱結構;紅色虛線圈內為淬滅電路板及貼抗干擾屏蔽材料位置;藍色區域為NFAD管殼與散熱結構接觸面

NFAD的TEC在使用過程中,由于Peltier效應會在TEC的底面產生熱量堆積,而TEC底面已與管殼底部焊接,因此需要精細設計導熱結構,以盡量降低管殼溫度,保證NFAD的工作溫度。如圖2(b)所示,設計將淬滅電路板主體朝向器件外側,平行于管殼底面,僅連接NFAD的陰陽兩極和兩個測溫電阻管腳,避開管殼中心關鍵導熱部分。經軟件建模測算,管殼底面與散熱結構的接觸部分占管殼底面的73.2%。

抗干擾設計

由于探測器中最易受干擾的部分為NFAD引腳和淬滅電路,設計最小化了NFAD的陰陽極管腳到電路板的長度,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。經上述處理后,探測器在無電磁屏蔽的環境內雪崩檢測閾值低至9 mV,而該電路驅動的NFAD在10%探測效率時的典型雪崩信號幅度約28 mV,不會出現因雪崩信號漏檢而導致探測效率下降的情況。

實驗結果及分析

雪崩波形及分析

將恢復延遲設置為250 ns,用示波器探頭同時采集比較器同相輸入端和反相輸入端信號,如圖3所示,其中雪崩信號作了局部放大。上述結果表明,雪崩提取和主動淬滅電路實現了其功能,避免了前置放大器的使用,減少了總熱量產出。

8d0ffa94-0f84-11ee-962d-dac502259ad0.jpg

圖3 比較器同相端(實線)和反相端(虛線)波形圖

探測器性能參數及分析

探測性能方面,實驗獲得了基于上述主動淬滅電路驅動的NFAD在自由運轉模式下的性能參數,包括不同偏壓、溫度、死時間等條件下的探測效率、暗計數率和后脈沖概率,具體結果如下:

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

8d3417a8-0f84-11ee-962d-dac502259ad0.jpg

圖4 暗計數率在不同探測效率下隨死時間的變化

實驗測量了NFAD制冷至?50 ℃,探測器在不同探測效率時的暗計數率和后脈沖概率隨死時間的變化,分別如圖5和圖6所示。當探測效率為10%時,短死時間使暗計數率上漲的程度較小,死時間為120 ns的數值與死時間為10 μs的數值相比僅增加了19.4%左右;探測效率為20%時約為1.5倍。而在探測效率高于25%時,暗計數率隨死時間的降低迅速上升,這是由于在死時間較短時,后脈沖概率陡增,出現大量由暗計數引發的后脈沖及次生高階后脈沖所致。

8d538584-0f84-11ee-962d-dac502259ad0.jpg

圖5 總后脈沖概率在不同探測效率下隨死時間的變化

8d80ca8a-0f84-11ee-962d-dac502259ad0.jpg

圖6 總后脈沖概率在不同探測效率下隨死時間的變化

在無前置放大器的低延遲主動淬滅電路和NFAD集成大淬滅電阻的共同作用下,探測器的總后脈沖概率較同類研究進一步降低。實際應用通常需將總后脈沖概率控制在15%以下,該探測器若需達到該要求,在10%、15%、20%、25%和30%時分別需將死時間設置在120 ns、600 ns、2 μs、5 μs和10 μs即可,見圖6。在設為最短死時間120 ns、探測效率10%時,其暗計數率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較大時對目標的探測,可以應用于激光雷達等應用。

在室溫為20 ℃時,探測器最低可在制冷溫度設置為?58 ℃時穩定工作,在120 ns死時間下,探測效率10%、15%、20%時的后脈沖概率分別約14%、51%和190%,略高于?50 ℃時的結果。為了更好地表征不同溫度對探測器性能的影響,設定死時間為350 ns,測得探測效率分別為10%、15%、20%和25%時暗計數率和總后脈沖概率隨溫度的變化,如圖7所示。

8dae8024-0f84-11ee-962d-dac502259ad0.jpg

圖7總后脈沖概率和暗計數率在不同探測效率下隨溫度的變化

總體看來,在同一探測效率下,后脈沖概率隨溫度的升高而降低,?30 ℃時的后脈沖概率約為?58 ℃時的70%。暗計數率隨溫度的升高迅速增加,?50 ℃、?40 ℃和?30 ℃時的暗計數率分別約為?58 ℃時的1.8倍、4.7倍和13.2倍。而且,由于高階后脈沖的存在,暗計數率的增長速率也在隨溫度的升高而變大。考慮到不同實際應用環境中背景光貢獻的噪聲計數可能差異較大,工作溫度需要根據實際情況靈活選擇。例如,若環境背景噪聲光子數較大,設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數率。

結論

文中針對1550 nm激光雷達對單光子探測器高集成度、低噪聲的應用需求,研制了基于InGaAs NFAD的集成型近紅外單光子探測器。針對NFAD器件易受到外界干擾的問題,通過無前置放大器的高速混合淬滅電路設計,結合優化的器件-電路互聯和屏蔽結構設計,實現了穩定工作。同時,對集成熱電制冷和高速淬滅電路自身高功耗、發熱量較大的特點設計了散熱方案。所研制的探測器最大可用探測效率約為33%,最低制冷溫度為?58 ℃;?50 ℃、死時間120 ns時后脈沖概率僅為10.6%,暗計數率低至890 Hz。綜上所述,探測器的綜合性能優異,非常適用于使用環境體積受限的激光雷達系統。





審核編輯:劉清

聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內容侵權或者其他違規問題,請聯系本站處理。 舉報投訴
  • 雪崩二極管
    +關注

    關注

    2

    文章

    54

    瀏覽量

    12970
  • GaAs
    +關注

    關注

    3

    文章

    887

    瀏覽量

    23606
  • TEC
    TEC
    +關注

    關注

    2

    文章

    51

    瀏覽量

    14578
  • 單光子探測器

    關注

    1

    文章

    31

    瀏覽量

    4568

原文標題:基于InGaAs NFAD的集成型低噪聲近紅外單光子探測器

文章出處:【微信號:MEMSensor,微信公眾號:MEMS】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

收藏 人收藏

    評論

    相關推薦

    紅外探測器像元尺寸詳解

    紅外探測器像元尺寸是紅外熱成像領域中的一個關鍵參數,它指的是在紅外探測器芯片焦平面陣列上,每個像元的實際物理尺寸,通常以微米(μm)為單位來
    的頭像 發表于 03-31 16:33 ?252次閱讀
    <b class='flag-5'>紅外</b><b class='flag-5'>探測器</b>像元尺寸詳解

    使用光子探測技術設計的數字混沌激光雷達系統

    混沌激光雷達具有分辨率高、抗干擾和隱蔽性強的優點,然而受限于混沌光源的功率、線性探測器的靈敏度以及硬件帶寬,其在遠距離探測方面存在瓶頸。另外,光子
    的頭像 發表于 11-13 09:11 ?1921次閱讀
    使用<b class='flag-5'>單</b><b class='flag-5'>光子</b><b class='flag-5'>探測</b>技術設計的數字混沌激光雷達系統

    光電探測器選型噪聲問題

    檢測及其放大器的噪聲特性決定。任何光學探測器系統中都有三個主要的噪聲源:光子相關的散粒噪聲
    的頭像 發表于 10-12 06:30 ?848次閱讀
    光電<b class='flag-5'>探測器</b>選型<b class='flag-5'>噪聲</b>問題

    被動紅外探測器的特點和安裝使用要求

    被動紅外探測器是一種采用被動紅外方式,以達到安保報警功能的探測器。其特點和安裝使用要求如下: 特點 被動接收紅外輻射 :
    的頭像 發表于 09-20 11:43 ?1541次閱讀

    被動紅外探測器接線方法

    被動紅外探測器(Passive Infrared Detector,簡稱PIR)是一種利用人體發出的紅外輻射來檢測人體移動的傳感。它廣泛應用于家庭、辦公室、商場等場所的安全監控系統中
    的頭像 發表于 09-20 11:40 ?1141次閱讀

    被動紅外探測器與主動紅外探測器的原理比較

    被動紅外探測器(Passive Infrared Detector, PIR)和主動紅外探測器(Active Infrared Detector, AID)是兩種常見的安全監控設備,它
    的頭像 發表于 09-20 11:38 ?1830次閱讀

    被動紅外探測器和主動紅外探測器的區別

    被動紅外探測器和主動紅外探測器是兩種常見的安全監控設備,它們在防盜、監控、邊界防護等方面有著廣泛的應用。這兩種探測器的主要區別在于它們檢測
    的頭像 發表于 09-20 11:35 ?2332次閱讀

    產品推薦|有線雙幕簾被動紅外探測器

    紅外探測器
    SASDSAS
    發布于 :2024年08月30日 21:56:06

    LoRa人體紅外探測器的原理

    LoRa人體活動紅外探測器IDM-ET14款高可靠性的探測人體熱釋電紅外探測器,基于LoRa無線通信技術,具有低功耗、低電壓顯示,防拆報警以
    的頭像 發表于 08-20 15:27 ?516次閱讀
    LoRa人體<b class='flag-5'>紅外</b><b class='flag-5'>探測器</b>的原理

    探索紅外熱成像探測器的基礎原理

    紅外熱成像探測器究竟是什么?它是如何工作的呢?讓我們一起來揭秘。紅外熱成像探測器:神奇的熱能揭示者紅外
    的頭像 發表于 07-03 16:06 ?1330次閱讀
    探索<b class='flag-5'>紅外</b>熱成像<b class='flag-5'>探測器</b>的基礎原理

    非制冷紅外探測器的敏感材料

    紅外熱成像技術,這個我們在科技新聞中經常可以看到的詞匯,它的應用領域非常廣泛,在紅外熱成像技術的研究和應用中,我們不能忽視其中的一個核心元器件——紅外探測器
    的頭像 發表于 06-27 17:24 ?850次閱讀
    非制冷<b class='flag-5'>紅外</b><b class='flag-5'>探測器</b>的敏感材料

    基于超導納米線光子探測器的40萬像素相機提供前所未有的宇宙視野

    一臺基于超導納米線光子探測器(SNSPD)的40萬像素相機為天文學和量子技術應用提供了前所未有的低噪聲、高分辨率成像能力。在探索遙遠恒星和系外行星等微弱天體的過程中,捕捉每一個
    的頭像 發表于 06-04 09:46 ?1.9w次閱讀

    超導光子探測器在生物領域中的應用進展綜述

    自2001年被發明以來,超導納米線光子探測器(SNSPD)迅速成長為紅外波段的明星光子
    的頭像 發表于 05-31 09:31 ?1.7w次閱讀
    超導<b class='flag-5'>單</b><b class='flag-5'>光子</b><b class='flag-5'>探測器</b>在生物領域中的應用進展綜述

    光子雪崩探測器SPAD助力激光掃描顯微鏡發展

    據麥姆斯咨詢介紹,光子雪崩探測器(SPAD)是指工作電壓高于擊穿電壓的APD,也稱為蓋革模式APD,通過配套淬滅電路和讀出電路對雪崩倍增過程進行淬滅和恢復控制從而實現
    的頭像 發表于 05-27 09:28 ?1678次閱讀
    <b class='flag-5'>單</b><b class='flag-5'>光子</b>雪崩<b class='flag-5'>探測器</b>SPAD助力激光掃描顯微鏡發展

    LoRa人體活動紅外探測器的原理

    LoRa人體活動紅外探測器IDM-ET14款高可靠性的探測人體熱釋電紅外探測器,基于LoRa無線通信技術,具有低功耗、低電壓顯示,防拆報警以
    的頭像 發表于 05-13 09:34 ?863次閱讀
    LoRa人體活動<b class='flag-5'>紅外</b><b class='flag-5'>探測器</b>的原理
    主站蜘蛛池模板: 国产亚洲精品aa在线观看 | 51精品视频免费国产专区 | 国产三片高清在线观看 | 欧美一区二区三区影院 | 日日爱网站 | 亚洲一在线 | 人阁色第四影院在线观看 | 狠狠干在线观看 | 国产99热 | 色播六月 | 在线成人 | 亚洲爱爱图片 | 美女黄频 | 欧美1314www伊人久久香网 | 美女淫 | 九色综合伊人久久富二代 | 无毒三级 | 日韩va亚洲va欧美va浪潮 | 亚洲w码欧洲s码免费 | 最新仑乱免费视频 | 热九九精品| 亚洲视频1区 | 5g影院欧美成人免费 | 两性毛片 | 欲色天天| 国产专区日韩精品欧美色 | 天天干天天添 | 天天添天天干 | 亚洲第一免费网站 | 中文天堂最新版www官网在线 | 老师你好大好白好紧好硬 | 国产吧在线 | 日本亚洲高清乱码中文在线观看 | 清朝荒淫牲艳史在线播放 | 色色色色色色色色色色色 | 中文字幕在线第一页 | 国产老头和美女在线观看 | 国产亚洲欧美视频 | 激情六月综合 | 久久永久免费视频 | 黑人黄色片 |