基于InGaAs NFAD的集成型低噪聲近紅外單光子探測器

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(shù)在遠距離激光雷達等系統(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。然而，其暗計數(shù)較Si基探測器高，且在一次探測事件后出現(xiàn)后脈沖噪聲計數(shù)的概率較大，因此較高的噪聲計數(shù)是該類器件實際應(yīng)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(shù)和淬滅延遲。然而，NFAD的主要缺點也來源于這一內(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，因此各研究機構(gòu)均使用了前置放大電路，將信號放大到至少數(shù)十mV后再進行鑒別。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，山東大學(xué)的聯(lián)合科研團隊在《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(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器電子學(xué)及其激光雷達應(yīng)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(yīng)用需求，設(shè)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(shù)讀出電子學(xué)，并著重考慮了散熱和抗干擾設(shè)計。該模塊可工作在自由運轉(zhuǎn)模式和寬門控模式，尤其適用于激光雷達應(yīng)用。

探測器設(shè)計

電路設(shè)計

設(shè)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(nèi)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(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NFAD的無前置放大器高速主動淬滅電路，如圖1所示。

圖1 無前置放大器的高速混合淬滅電路設(shè)計圖

設(shè)計以帶鎖存功能的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)成主動淬滅電路，結(jié)合外部晶體管和C-RC電容平衡消噪電路實現(xiàn)雪崩信號的提取、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)場可編程門陣列（FPGA）為核心，結(jié)合運算放大器等部分外圍電路實現(xiàn)NFAD淬滅后恢復(fù)控制，偏壓、鑒別電平、死時間等參數(shù)的調(diào)整，以及雪崩信號的計時、計數(shù)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(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采用50 Ω端接電阻的方法不同，設(shè)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(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)時電壓突變導(dǎo)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(dāng)雪崩信號被鑒別到時，比較器同相輸出端反轉(zhuǎn)驅(qū)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(zhuǎn)，降低陰極電壓，NFAD雪崩淬滅；同時，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控制的高速運算放大器切斷淬滅晶體管偏置，以實現(xiàn)最低的功耗；同時通過LE+端解除比較器鎖存狀態(tài)，恢復(fù)其比較功能。設(shè)定的死時間過后，或門控“開”信號到達時，F(xiàn)PGA控制高速運算放大器恢復(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)信號發(fā)出前5 ns時由FPGA驅(qū)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(fù)時降為原數(shù)值，使比較器反相端處的信號與NFAD產(chǎn)生的尖峰噪聲同步衰減的同時始終略高于噪聲電平，實現(xiàn)該噪聲的消除。

除此以外，探測器的主控FPGA除了實現(xiàn)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(guān)單光子計數(shù)（TCSPC）功能，并可實現(xiàn)直方圖統(tǒng)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(jié)構(gòu)設(shè)計

探測器的整體設(shè)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(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器設(shè)計圖：（a）探測器剖視圖；（b）探測器散熱結(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；藍色區(qū)域為NFAD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，因此需要精細設(shè)計導(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的陰陽兩極和兩個測溫電阻管腳，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

由于探測器中最易受干擾的部分為NFAD引腳和淬滅電路，設(shè)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(jīng)上述處理后，探測器在無電磁屏蔽的環(huán)境內(nèi)雪崩檢測閾值低至9 mV，而該電路驅(qū)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(xiàn)因雪崩信號漏檢而導(dǎo)致探測效率下降的情況。

實驗結(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(jié)果表明，雪崩提取和主動淬滅電路實現(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（實線）和反相端（虛線）波形圖

探測器性能參數(shù)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(qū)動的NFAD在自由運轉(zhuǎn)模式下的性能參數(shù)，包括不同偏壓、溫度、死時間等條件下的探測效率、暗計數(shù)率和后脈沖概率，具體結(jié)果如下：

NFAD制冷到?50 ℃，探測器工作在自由運轉(zhuǎn)模式，死時間為2 μs時，探測效率與過偏壓的關(guān)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(xù)提高過偏壓，探測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數(shù)率導(dǎo)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。

圖4 暗計數(shù)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(shù)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(dāng)探測效率為10%時，短死時間使暗計數(shù)率上漲的程度較小，死時間為120 ns的數(shù)值與死時間為10 μs的數(shù)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(shù)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(xiàn)大量由暗計數(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效率下隨死時間的變化

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(yīng)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(shè)置在120 ns、600 ns、2 μs、5 μs和10 μs即可，見圖6。在設(shè)為最短死時間120 ns、探測效率10%時，其暗計數(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)較大時對目標(biāo)的探測，可以應(yīng)用于激光雷達等應(yīng)用。

在室溫為20 ℃時，探測器最低可在制冷溫度設(shè)置為?58 ℃時穩(wěn)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(jié)果。為了更好地表征不同溫度對探測器性能的影響，設(shè)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(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數(shù)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(shù)率隨溫度的升高迅速增加，?50 ℃、?40 ℃和?30 ℃時的暗計數(shù)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(shù)率的增長速率也在隨溫度的升高而變大?？紤]到不同實際應(yīng)用環(huán)境中背景光貢獻的噪聲計數(shù)可能差異較大，工作溫度需要根據(jù)實際情況靈活選擇。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數(shù)率。

結(jié)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(yīng)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(shè)計，結(jié)合優(yōu)化的器件-電路互聯(lián)和屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了穩(wěn)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(fā)熱量較大的特點設(shè)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(shù)率低至890 Hz。綜上所述，探測器的綜合性能優(yōu)異，非常適用于使用環(huán)境體積受限的激光雷達系統(tǒng)。

審核編輯：劉清