国内外短波红外单光子探测器发展现状(二)发表时间:2023-05-19 09:00 工作在通讯波段1 310 nm 和1 550 nm 波段的InP/InGaAs短波红外单光子探测器(SPAD),在光纤通讯、激光雷达、量子保密通讯等技术领域具有广泛的应用需求。其是目前制备技术较为成熟且获得广泛应用的单光子探测器,通过半导体热电制冷(TEC) 即可达到的工作温度(−40 ℃ 左右),具有体积小、成本低,方便安装和携带的应用优势;另外,基于常规半导体二极管的芯片制造工艺很容易实现大面阵单光子阵列,除了探测信号,还具备三维数字成像功能。 续上个篇章继续介绍世界各国短波红外单光子探测器的发展状况。 ▍高温工作的InP/InGaAs 单光子探测器 表1 国内外报道的室温 SPAD 性能 2021 年,韩国Wooiro 公司设计制备了有源区直径小、具有背面微透镜的InP/InGaAs SPAD,如图1 所示,微透镜可以增强光线采集能力,在减小有源区直径的同时提高填充因子。该SPAD 在门控频率为10 MHz,门高为6.6 V 的门控模式下,对于1 550 nm 的光,在 293 K 的工作温度下,测得探测效率为20.9%,暗计数率为5.1 kHz,后脉冲概率为0.8%。 图1 韩国 Wooiro 公司设计的 SPAD 横截面图 2022 年,洛桑联邦理工学院报道了Zn 扩散之前,在器件的中心处选择性区域内生长约300 nm 厚的未掺杂的锥形InP 层。Zn 扩散时通过锥形InP 层,使InP 内部的掺杂轮廓向外围稳定过渡,确保器件边缘周围的电场低于中心,SPAD 截面图如图2 所示。制成有源区直径为70 μm 的SPAD,对于1 550 nm 的光,温度为300 K,过偏压为5 V 时,探测效率为32%,暗计数率为1.6 MHz,时间抖动为149 ps;过偏压为7 V 时,探测效率为43%,暗计数率为4 MHz,时间抖动为109 ps。 图2 洛桑联邦理工学院 SPAD 结构图,SAG 部分为未掺杂的锥形 InP 层 2017 年,上海理工大学采用两个1.05 GHz 截止的低通滤波器,其中一个在1.5 GHz 频率下衰减高于40 dB,用于滤除尖峰噪声;另外一个用于提高射频放大器放大的雪崩信号信噪比。对于该设计电路,如果门控频率发生变化,则只需相应地更改带通滤波器,而无需更改用于消除尖峰噪声的组件。采用普林斯顿光波公司制造的SPAD(型号为PGA-300-1),对于1 550 nm 的光,温度为293 K,正弦门控频率为1.5 GHz,峰峰值为14 V, 有效门宽为145 ps, 探测效率为约21%,暗计数率为551 kHz (归一化),后脉冲概率为1.4%。 2018 年,国防科技大学报道了室温下门控频率可调(从900~1 000 MHz) 的取样电路研究工作。采用模数转换器将每个周期时钟内APD 输出数字化,调整采样时钟与门控延时以确保每个周期内准确地采样。采用普林斯顿光波公司生产的InP/InGaAsSPAD,对于1 550 nm 的光,温度为294 K 时,正弦门控频率为1 GHz,门宽未知的门控模式下,探测效率约10.6%, 每门暗计数率为2.5×10−5, 后脉冲概率为1.3%。 ▍高计数率的InP/InGaAs 单光子探测器 ▍正弦门控实现高计数率 日本大学的Naoto Namekata 等人在2006 年最早报道将800 MHz 高频正弦门控技术应用到InP/InGaAs SPAD 中用作门控淬灭[19],从而开始了将高速门控InP/InGaAs SPAD 最大计数率引领到GHz 的水平。利用高频正弦门控亚纳秒量级门宽、超窄死时间,以及通过SPAD 后输出信号纯净的频谱成分这三大特点,Naoto Namekata 等人在输出端口利用带阻滤波器滤去正弦门控信号及其高次谐波, 成功从约0.1 mV 的背景噪声中提取到了振幅约1 mV 的微弱雪崩信号。通过不断优化系统,他们在2009 年报道了正弦门控技术实现门控频率达到2 GHz 的InP/InGaAs SPAD,并于2011 年演示了超过100 km的量子密钥分发。在2020 年,报道了过偏压超过12 V 的高探测效率的正弦门控InP/InGaAs SPAD。在1.27 GHz 门控频率下,55.9% 探测效率时,后脉冲概率仅为4.8%,暗计数率为2 350 kHz (归一化)。 利用正弦门控技术,日内瓦大学于2010 年实现了迄今为止速度最快的InP/InGaAs SPAD, 2.23 GHz 的门控频率,已经逼近InP/InGaAs SPAD 的理论带宽极限。 2020 年, 中国科学技术大学在温度为300 K时,使用门高峰峰值为20.4 V,频率为1.25 GHz 正弦门控,获得了探测效率为60%,暗计数率为744 kHz,和后脉冲概率为14.8% 的结果。 ▍自差分技术实现高计数率 2007 年,东芝欧洲研究有限公司使用他们提出的自差分技术实现1.25 GHz 方波门控(方波幅值4.6 V) 下的高速InP/InGaAs SPAD,自差分电路如图3 所示。该技术原理是首先将SPAD 阳极输出的信号用功率分配器分割为两路,其中一路输出信号被延时一个周期,接着再直接将这两路输出信号进行差分,消除SPAD 容性响应及电路寄生电容电感响应,雪崩信号即很容易地被提取。该技术的优点是可以采用多种延时手段、自差分原理可以适应任意SPAD 输出信号的波形,但雪崩互相抵消的缺点导致自差分技术的最大理想计数率仅为门频率的一半。 图3 东芝欧洲有限公司自差分电路 基于2007 年报道的自差分电路技术,2015 年东芝研究欧洲有限公司优化了自差分模式,在该模式下使用频率为1 GHz, 门宽为360 ps 的门控信号,1 550 nm 的激光,温度为293 K, InP/InGaAs SPAD 探测效率与后脉冲概率关系如图4 所示。当探测效率为50% 时,死时间为零时后脉冲概率为7%;当InP/InGaAs APD 的探测效率为55% 时, 采集死时间为10 ns 测量的后脉冲概率仅为10.2%。 图4 东芝研究欧洲有限公司在温度为 20 ℃ 的情况下,每次计数后应用和不应用 10 ns 死区时间的后脉冲概率值比较 |