單光子探測器具有最高的光探測靈敏度，在激光雷達（LiDAR）系統中使用單光子探測器可以極大提升系統的綜合性能。近紅外二區（1.0 ~ 1.7 μm）激光具有大氣透過率高、散射弱、太陽背景輻射弱等優勢，是大氣遙感、三維成像等激光雷達系統的理想工作波段。近紅外波段單光子探測技術主要包括超導納米線單光子探測器、上轉換單光子探測器和InGaAs/InP單光子探測器。其中，InGaAs/InP單光子探測器具有體積小、低成本、易于系統集成和良好的綜合性能指標等優勢，是實用化1.5 μm激光雷達的最佳選擇。

據麥姆斯咨詢報道，近期，科大國盾量子技術股份有限公司、中國科學院量子信息與量子科技創新研究院和山東國耀量子雷達科技有限公司的聯合科研團隊在《紅外與激光工程》期刊上發表了以“微型化自由運行InGaAs/InP單光子探測器”為主題的文章。該文章第一作者為蔣連軍高級工程師，主要從事單光子探測器、量子通信方面的研究工作；通訊作者為方余強中級工程師，主要從事單光子探測器、量子通信方面的研究工作。

本研究研制了一種基于InGaAs/InP負反饋雪崩光電二極管的微型化自由運行單光子探測器。

自由運行單光子探測器的設計實現

QCD600系列使用NFAD器件實現自由運行單光子探測的基本電路原理如圖1所示。

圖1 自由運行單光子探測電路原理圖

由于NFAD器件的雪崩時間非常短，僅為百皮秒量級，使得原始雪崩信號的幅度僅為1~2 mV。通過級聯的低噪聲放大器（LNA）將雪崩信號放大40 dB后，幅度提升至100~200 mV，再經過甄別器（Disc）甄別轉化為數字信號，送至現場可編程邏輯門陣列（FPGA）進行后續處理。NFAD器件的性能受溫度影響較大，一般通過低溫制冷以獲得更低的暗計數率。但在低溫下，雪崩后被俘獲載流子的壽命也變得更長，導致更高的后脈沖概率。在探測到每次雪崩事件后，通過FPGA主動設置一段長度可調的死時間（Hold-off），可以在犧牲一定飽和計數率的條件下有效抑制后脈沖效應。從FPGA輸出的死時間信號電平一般僅為3.3 V，通過運算放大器（OPA）將其幅度提升至6 V以上，以適配過壓接近于5 V時NFAD兩端偏壓低于雪崩擊穿電壓的需求。當應用死時間信號于NFAD陽極時，由于NFAD為容性器件，死時間信號的前后沿將在NFAD陰極產生尖銳的微分響應信號，特別是后沿的負向微分信號與雪崩信號方向一致，為了避免誤甄別，通過FPGA輸出與死時間信號同相位但略長一些的鎖存信號（Latch）給帶有鎖存功能的甄別器，使得微分信號出現時甄別器為鎖存狀態，濾除微分信號的影響。下面詳細介紹偏壓控制與偏流檢測、制冷溫度控制、TDC功能及后脈沖修正算法等實現方案。

偏壓控制與偏流檢測

偏壓直接決定了單光子探測器的性能指標，其穩定性至關重要。由于NFAD器件的雪崩擊穿電壓一般在50~80 V，選用DC/DC升壓芯片LT3482，其最高輸出電壓可達90 V，具有電流鏡像輸出管腳，便于監測偏流以實施強光保護。偏壓控制與偏流監測電路原理如圖2所示。

圖2 偏壓控制與偏流檢測電路原理圖

制冷溫度控制

溫度是單光子探測器性能指標的另一個決定性因素。QCD600系列的NFAD器件采用帶光纖耦合的TO-46封裝，通過設計管夾及制冷盒，使用半導體制冷器（TEC）提供制冷，在環境溫度30 ℃下NFAD器件的制冷溫度最低可至?50 ℃，可有效抑制暗計數。制冷溫度控制電路原理如圖3所示。

圖3 偏壓控制與偏流檢測電路原理圖

TDC功能

在激光雷達系統中，光子飛行時間的測量是非常重要的一環，且時間測量的精度直接決定了激光雷達的距離分辨率。在探測器中集成高精度TDC功能，可以有效提升激光雷達系統集成度和性能表現。QCD600系列探測器具備外部輸入觸發信號接口，信號接入后經過甄別送入FPGA作為TDC的開始（Start）信號，而在探測器內部，探測信號直接送入FPGA作為TDC的結束（Stop）信號。在FPGA內通過進位延遲鏈時鐘內插技術，一方面，使用時鐘計數的方式測量粗時間，以實現10 ns粗時間間隔，100 μs量程；另一方面，利用進位鏈最低100 ps的傳輸延時，通過延時鏈內插法實現精細時間測量，最終組合實現寬范圍、高精度的時間測量。基于進位延時鏈的細時間測量設計原理如圖4所示。

圖4 基于進位延時鏈的TDC設計原理框圖

后脈沖修正及計數率修正算法

由于材料的雜質和缺陷濃度較高，InGaAs/InP單光子探測器通常具有較大的后脈沖效應，需要增加死時間來抑制后脈沖。在動態范圍要求較高的單光子激光雷達應用中，后脈沖和死時間都會引起雷達回波信號的畸變，需要通過后處理算法修正來恢復原始回波光信號的分布。單個雪崩信號在后續時間內引發后脈沖計數的概率分布Pap(i)，可以在標定過程中通過輸入窄脈沖光，使用TDC的時間-計數分布計算得出，其中i代表時間-計數分布的橫軸時間bin序號。

QCD600系列探測器內置單片機（MCU），使用上述算法專用于TDC數據的后脈沖修正及計數率修正。FPGA將實時的TDC數據由RAM傳輸至MCU，MCU通過USB接口對外輸出算法修正后數據，實現實時的數據后處理。

探測器結構

QCD600系列探測器包含主控板、制冷盒、散熱器、風扇以及產品外殼，產品爆炸圖及外觀如圖5所示，產品長寬高為116 mm × 107.5 mm × 80 mm，體積小于1 dm3，作為對比ID Qube的長寬高為95 mm × 95 mm × 95 mm。其中制冷盒使用光纖堵頭點膠及平行封焊技術，確保氣密性，保證產品的可靠性。

圖5 （a）產品爆炸圖；（b）外觀

探測器性能指標測試

探測器性能標定使用衰減到單光子水平的窄脈沖光方案。對于弱相干光源，其光子數符合泊松分布。首先，核心NFAD器件的響應波長范圍為900~1700 nm，針對雷達應用中常用的1550、1310、1064 nm分別進行測試，以1550 nm探測效率25%為參考，測試結果如表1所示。

表1 不同波長下的探測效率

其次，測試1550 nm波長下探測效率-暗計數率曲線，如圖6所示。15%探測效率時，暗計數率最低可至250 cps；25%探測效率時，暗計數率僅1 kcps。

圖6 探測效率-暗計數率曲線

最后，測試探測效率-時間抖動曲線，如圖7所示。可以看出，探測效率越高，時間抖動越小。在探測效率35%時，最低時間抖動可至80 ps。

圖7 探測效率-時間抖動曲線

探測器在雷達中的應用

單光子探測器替代傳統光電探測器應用于激光雷達系統中，可有效提升探測距離和分辨率。得益于多模光纖耦合接口，集成的TDC功能和實時后脈沖、計數率修正算法等優勢，QCD600系列探測器在1550 nm大氣氣溶膠激光雷達中的應用，極大地提升了激光雷達系統的集成度、降低了成本。圖8展示的是國耀量子雷達科技有限公司使用QCD600系列單光子探測器的小型化激光雷達產品，其單脈沖能量僅需75 μJ，最遠探測距離可達15 km，距離分辨率低于30 m，可適應?25~40 ℃工作環境溫度。作為對比，傳統的商用氣溶膠激光雷達難以實現10 km以上的探測距離。

圖8 使用QCD600系列單光子探測器的激光雷達產品

圖9展示了該激光雷達產品使用QCD600系列單光子探測器采集的激光雷達信號，在實施后脈沖、計數率修正前后的數據對比，修正有效降低了探測器后脈沖和死時間所引起的雷達信號畸變。

圖9 激光雷達信號修正前后數據對比

結論

QCD600系列微型化自由運行InGaAs/InP單光子探測器為激光雷達系統提供了緊湊的近紅外波段高效率、低噪聲、低時間抖動并實時數據后處理的單光子探測解決方案。未來的自由運行單光子探測器產品將面向使用集成制冷技術的更小型化方向以及使用深度制冷技術的超低噪聲方向發展，為激光雷達、QKD等應用提供更為有力的技術支撐。

審核編輯：湯梓紅