超短脈沖門(mén)控高速I(mǎi)nGaAs/InP APD單光子探測(cè)

黃梓楠, 梁 焰

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院, 上海 200093)

引 言

對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行弱光檢測(cè)的器件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于量子保密通信[1]、激光雷達(dá)[2]、熒光壽命測(cè)量[3]等領(lǐng)域。目前基于InGaAs/InP雪崩光電二極管(APD)的單光子探測(cè)器由于其具備體積小、易集成、功耗低(僅需半導(dǎo)體制冷甚至無(wú)需制冷)、探測(cè)效率高、誤計(jì)數(shù)低、時(shí)間抖動(dòng)小、最大計(jì)數(shù)率高等優(yōu)勢(shì),在近紅外通信波段單光子的檢測(cè)中脫穎而出,成為主流探測(cè)器。

InGaAs/InP APD通常具有兩種工作模式,即線(xiàn)性模式(增益倍數(shù)只能達(dá)到103量級(jí))和蓋革模式(增益倍數(shù)高達(dá)106量級(jí))。因此為實(shí)現(xiàn)單光子水平的弱光信號(hào)檢測(cè),APD往往需要工作在蓋革模式下以響應(yīng)單個(gè)光子,而單個(gè)載流子觸發(fā)產(chǎn)生的自持雪崩無(wú)法自然停止,為保護(hù)APD器件,也為了再次響應(yīng)光子信號(hào)進(jìn)行下一次探測(cè),需要快速將APD兩端偏壓降至雪崩電壓以下,以此對(duì)雪崩進(jìn)行抑制并使APD恢復(fù)到探測(cè)模式。在光子到達(dá)時(shí)間預(yù)期可知的應(yīng)用(如量子密鑰分發(fā))中,通常使用門(mén)脈沖控制電路來(lái)抑制雪崩,這種方法在快速恢復(fù)APD探測(cè)提高其工作速率的同時(shí),還可以大大降低探測(cè)器的誤計(jì)數(shù)。然而,由于APD結(jié)電容的微分效應(yīng),經(jīng)門(mén)信號(hào)充放電產(chǎn)生的尖峰噪聲會(huì)將雪崩信號(hào)湮沒(méi),因此從尖峰噪聲中提取出微弱的有效雪崩信號(hào)是門(mén)控蓋革模式單光子雪崩二極管(SPAD)的核心問(wèn)題。近年來(lái),發(fā)展較為成熟的方案主要有等效電容平衡方案、自平衡方案和正弦門(mén)濾波方案[4-8]。其中等效電容平衡方案由于其工作重復(fù)頻率可調(diào)、成本低廉,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于商售的InGaAs/InP APD單光子探測(cè)器中,但其最大工作頻率一般仍局限在200 MHz水平[9]。自平衡方案和正弦門(mén)濾波方案的提出一舉將門(mén)信號(hào)重復(fù)頻率提高至GHz水平,但自平衡方案使用電纜線(xiàn)延時(shí),限制了工作重復(fù)頻率的可調(diào)諧性,而正弦門(mén)濾波在低頻應(yīng)用時(shí)會(huì)帶來(lái)較大的誤計(jì)數(shù),使單光子探測(cè)器在介于低頻(100 MHz)與高頻(GHz水平)之間工作時(shí)仍保持較好的探測(cè)性能成為難點(diǎn)。

本文提出一種超短脈沖門(mén)控的高速低噪聲的單光子探測(cè)方案,將超短脈沖門(mén)控低通濾波與平衡方案結(jié)合起來(lái),使利用電容平衡方案的單光子探測(cè)器工作在700 MHz時(shí)仍保持極佳的探測(cè)性能,當(dāng)探測(cè)效率為10%時(shí),暗計(jì)數(shù)率為7.1×10-7/門(mén),后脈沖概率為3.7%。因充分發(fā)揮了平衡方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、成本較低的優(yōu)點(diǎn),突破了其工作頻率上限,在不改變?nèi)魏卧骷那闆r下使基于InGaAs/InP APD單光子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)工作重復(fù)頻率在較大的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

1 單光子探測(cè)方案設(shè)計(jì)

尖峰噪聲主要來(lái)源于APD的容性效應(yīng),門(mén)脈沖信號(hào)注入時(shí),由于等效電容充放電會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幅值很大的尖峰噪聲將微弱的雪崩信號(hào)湮沒(méi)。尤其隨著門(mén)信號(hào)重復(fù)頻率的提高,APD結(jié)電容的非線(xiàn)性特性更為復(fù)雜,其電容值會(huì)隨著工作溫度、偏置電壓、門(mén)控頻率的變化而變化,導(dǎo)致單一電容不能模擬出與APD相似的尖峰噪聲信號(hào)。隨著InGaAs/InP APD單光子探測(cè)器工作頻率的提升即門(mén)脈沖信號(hào)重復(fù)頻率的提高,暗計(jì)數(shù)和后脈沖概率會(huì)隨之明顯增大,通常可以通過(guò)減小門(mén)脈沖寬度來(lái)有效減少誤計(jì)數(shù)。但同時(shí),由于超短脈沖信號(hào)的采用,會(huì)導(dǎo)致APD的兩端充放電的速度加快,尖峰噪聲也會(huì)隨之增大,從而增加從中提取出有效雪崩信號(hào)的難度。

本文使用一個(gè)幅值和脈寬均可調(diào)的超短脈沖信號(hào)作為門(mén)信號(hào),并將一個(gè)可調(diào)電容與APD并聯(lián),產(chǎn)生一個(gè)與APD尖峰噪聲類(lèi)似的微分信號(hào),這二個(gè)信號(hào)經(jīng)取樣電阻采集后被送入功分器初步消除噪聲并提取出雪崩信號(hào),之后級(jí)聯(lián)合適的低通濾波器進(jìn)一步濾除噪聲,從而完成高效的單光子探測(cè)。

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,射頻信號(hào)發(fā)生器(SG)輸出電平較低的700 MHz周期信號(hào),信號(hào)經(jīng)門(mén)脈沖產(chǎn)生電路(PG)整形放大處理后產(chǎn)生出幅度與脈寬均可調(diào)的超短脈沖門(mén)控信號(hào),與直流偏壓耦合后送入平衡電路,則初步得到隱藏尖峰噪聲的雪崩信號(hào)。其中在可調(diào)電容端采用移相器(PS)和可調(diào)衰減器(Attn2)對(duì)取出的信號(hào)進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié),以便實(shí)時(shí)調(diào)整電容模擬尖峰噪聲的波形使其與APD端響應(yīng)的尖峰噪聲相匹配。由于在700 MHz超短脈沖門(mén)控頻率下工作時(shí),APD中的等效結(jié)電容對(duì)其響應(yīng)出的信號(hào)容易產(chǎn)生復(fù)雜畸變,因此可調(diào)電容很難模擬出與其十分相似的噪聲信號(hào),此時(shí)的噪聲抑制比不夠理想,很難從噪聲中提取出有效的雪崩信號(hào)。考慮到噪聲信號(hào)與雪崩信號(hào)的頻譜分布,尖峰噪聲信號(hào)主要分布在門(mén)信號(hào)重復(fù)頻率的基頻及其諧波頻率上,而雪崩信號(hào)的頻譜帶寬一般≤700 MHz,且隨著頻率的升高而減小,因此我們選取在平衡電路后級(jí)聯(lián)一個(gè)截止頻率為700 MHz的低通濾波器(LPF)來(lái)進(jìn)一步濾除尖峰噪聲。該濾波器的帶外抑制比大于35 dB,它既可以有效濾去平衡電路難以消除的尖峰噪聲,也可以避免破壞雪崩信號(hào)的完整性。由于超短門(mén)控信號(hào)的使用,有效雪崩時(shí)間持續(xù)較短,雪崩信號(hào)隨之會(huì)減小,因此我們?cè)诘屯V波器后采用一個(gè)射頻放大器放大信號(hào),再將該信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路送入高速數(shù)字示波器(OSC)中進(jìn)行計(jì)數(shù)。如圖2為無(wú)光和有光入射時(shí)經(jīng)過(guò)電容平衡與低通濾波后提取出的信號(hào)波形,雪崩信號(hào)可以通過(guò)高速比較器設(shè)置閾值從噪聲信號(hào)中甄別出來(lái)。此外,本實(shí)驗(yàn)中所采用的門(mén)脈沖產(chǎn)生電路可以產(chǎn)生脈寬和幅值均可調(diào)的門(mén)信號(hào),而門(mén)信號(hào)的幅值和脈寬對(duì)探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)和后脈沖概率有一定的影響,可以通過(guò)細(xì)微調(diào)節(jié)這些參數(shù)進(jìn)一步提高探測(cè)器的性能。

SG—信號(hào)發(fā)生器; PG—門(mén)控產(chǎn)生電路; LD—激光器; Attn1—光學(xué)衰減器; PS—移相器; Attn2—電學(xué)衰減器; PC—功分器;LPF—低通濾波器; AMP—射頻放大器; ADC—模數(shù)轉(zhuǎn)換電路; OSC—數(shù)字示波器; Cooling Box—制冷盒圖1 超短脈沖門(mén)控單光子探測(cè)的實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.1 Experimental setup of single-photon detection with ultrashort gates

圖2 無(wú)光和有光入射時(shí)放大器輸出的信號(hào)波形Fig.2 Waveforms of the output signal of amplifier while the incident laser was off and on

2 單光子探測(cè)性能測(cè)試

通常衡量單光子探測(cè)器性能的指標(biāo)有探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)、后脈沖概率、時(shí)間抖動(dòng)、死時(shí)間和飽和計(jì)數(shù)率,這些性能參數(shù)之間相互制約,在不同的應(yīng)用需求中,對(duì)于探測(cè)器的性能要求也不盡相同,因此在實(shí)際應(yīng)用中需要權(quán)衡各個(gè)指標(biāo)并進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)和改善。本實(shí)驗(yàn)中,我們主要根據(jù)本方案的單光子探測(cè)器的性能對(duì)探測(cè)效率η、暗計(jì)數(shù)率PD和后脈沖概率PA進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量。

探測(cè)效率η指探測(cè)器響應(yīng)入射光子的概率。本實(shí)驗(yàn)中,我們采用光子標(biāo)定法,通過(guò)衰減激光器的輸出光功率來(lái)標(biāo)定光子,η的計(jì)算式為

(1)

式中:P為探測(cè)器的計(jì)數(shù)率;PD為探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)率;μ為平均入射光子數(shù);f為激光器重復(fù)頻率。

暗計(jì)數(shù)是由于受APD的材料特性、摻雜工藝以及熱激發(fā)效應(yīng)等因素影響,在沒(méi)有光子入射時(shí)探測(cè)到的噪聲信號(hào)計(jì)數(shù)。暗計(jì)數(shù)率PD定義為關(guān)閉激光光源后探測(cè)器輸出的計(jì)數(shù)率與門(mén)信號(hào)重復(fù)頻率的比值。

后脈沖計(jì)數(shù)是由于APD材料缺陷,雪崩之后晶格缺陷捕獲載流子并緩慢釋放,在下次進(jìn)入蓋革模式后觸發(fā)雪崩,這種偽雪崩計(jì)數(shù)與光生雪崩不同,是在沒(méi)有光子到達(dá)時(shí)由于捕獲載流子再釋放引起的。后脈沖概率PA即為光子計(jì)數(shù)后的總后脈沖計(jì)數(shù)與光子計(jì)數(shù)的比值,即

(2)

式中:fgate和fphoton分別為門(mén)脈沖和光脈沖的重復(fù)頻率;Cnonilluminated和Cilluminated指探測(cè)門(mén)內(nèi)無(wú)光和有光入射時(shí)的每門(mén)計(jì)數(shù)率;Cdark為探測(cè)門(mén)暗噪聲的每門(mén)計(jì)數(shù)率。

我們采用衰減的弱相干光作為準(zhǔn)單光子源,對(duì)采用超短脈沖門(mén)控濾波與平衡結(jié)合方案的單光子探測(cè)性能進(jìn)行測(cè)試。工作重復(fù)頻率為10 MHz的1 550 nm高速皮秒激光器,與門(mén)信號(hào)同步觸發(fā),衰減至每脈沖1個(gè)光子,入射在APD上。可通過(guò)調(diào)節(jié)門(mén)信號(hào)與光信號(hào)二者之間的延時(shí),使探測(cè)效率達(dá)到最大。將APD置于自制的密封制冷盒中,內(nèi)部通過(guò)半導(dǎo)體制冷片制冷至-30 ℃。調(diào)節(jié)超短脈沖門(mén)信號(hào)峰峰值為7 V,脈寬約為500 ps。通過(guò)調(diào)節(jié)加載在APD上的直流偏壓來(lái)改變探測(cè)器的探測(cè)效率,并通過(guò)數(shù)字示波器采集并記錄模數(shù)轉(zhuǎn)換后的雪崩信號(hào),測(cè)試其暗計(jì)數(shù)率和后脈沖概率在探測(cè)效率從1%～20%之間的變化,如圖3所示。

圖3 后脈沖概率及暗計(jì)數(shù)率隨著探測(cè)效率的變化Fig.3 After pulse probability and dark count rate as a function of the detection efficiency

當(dāng)探測(cè)效率小于10% 時(shí),暗計(jì)數(shù)率和后脈沖概率隨著探測(cè)效率的增加而緩慢增大,此后,上升幅度逐步增大;當(dāng)探測(cè)效率為10%時(shí),暗計(jì)數(shù)率僅為7.1×10門(mén)-1,后脈沖概率為3.7%;探測(cè)效率上升到15%時(shí),暗計(jì)數(shù)率僅上升至1.4×10-6門(mén)-1,后脈沖概率增長(zhǎng)幅度較大為7.9%;探測(cè)效率達(dá)到20%時(shí),暗計(jì)數(shù)率增長(zhǎng)至3.3×10-6門(mén)-1,后脈沖概率為15.6%。

另外,在探測(cè)效率為10%時(shí),我們通過(guò)調(diào)節(jié)光信號(hào)與門(mén)信號(hào)之間的相對(duì)觸發(fā)延時(shí),測(cè)試單光子探測(cè)器的計(jì)數(shù)率,從而獲得加載在APD上的有效門(mén)寬。計(jì)數(shù)率歸一化處理后的結(jié)果如圖4所示,整個(gè)計(jì)數(shù)率曲線(xiàn)的半高全寬為200 ps,即為有效門(mén)寬。由圖4可知,有效門(mén)寬小于實(shí)際加載的門(mén)脈沖寬度,這與門(mén)脈沖加載在APD上充放電的時(shí)間有關(guān),這也說(shuō)明在探測(cè)中我們需要精確控制光信號(hào)與門(mén)信號(hào)之間的延時(shí),以便確保最佳的探測(cè)效率。如果繼續(xù)縮短超短脈沖門(mén)的寬度,則探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)和后脈沖計(jì)數(shù)也會(huì)進(jìn)一步減小,但隨之有效雪崩時(shí)間也會(huì)縮短,雪崩信號(hào)的幅度隨之降低,會(huì)進(jìn)一步加大雪崩信號(hào)的提取難度,對(duì)噪聲抑制比的要求更高。同時(shí),門(mén)信號(hào)的幅度對(duì)探測(cè)器的性能也有影響,且不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系,因此選擇合適的門(mén)脈沖寬度和幅度對(duì)探測(cè)器的性能至關(guān)重要,對(duì)于工作在不同頻率的探測(cè)器,可通過(guò)調(diào)節(jié)門(mén)信號(hào)的寬度和幅度來(lái)進(jìn)一步提高探測(cè)器的性能。

為了進(jìn)一步說(shuō)明基于超短門(mén)控濾波與平衡相結(jié)合方案的單光子探測(cè)器的性能,我們將此方案分別與日本Namekata等所采用的正弦門(mén)控濾波方案[10]和劉宏敏等采用的高速二極管平衡方案[11]進(jìn)行對(duì)比,性能參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 不同探測(cè)方案的性能比較Tab.1 Performance comparison of different detection techniques

以往單光子探測(cè)研究可知,工作在相同溫度的探測(cè)器,其暗計(jì)數(shù)率和后脈沖概率均是隨著探測(cè)效率的增大而增大的;而探測(cè)器在相同的探測(cè)效率下,隨著工作溫度的提高,探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)率會(huì)隨之增大,而后脈沖概率總體呈下降趨勢(shì)。因此,本實(shí)驗(yàn)中采取的方案在暗計(jì)數(shù)率上比前兩種方案均低了一個(gè)數(shù)量級(jí)(見(jiàn)表1),后脈沖概率也相應(yīng)得到了較大的改善,明顯提高了單光子探測(cè)器工作在700 MHz時(shí)的性能,體現(xiàn)了本方案的優(yōu)越性。

3 結(jié)論與展望

本文提出了一種基于InGaAs/InP APD超短脈沖門(mén)控濾波與平衡相結(jié)合的單光子探測(cè)方案,結(jié)合電容平衡與低通濾波方案的優(yōu)勢(shì),濾除尖峰噪聲提取出微弱的雪崩信號(hào),并在700 MHz頻率工作時(shí)展示出了良好的探測(cè)性能。基于本文的單光子探測(cè)方案,可以通過(guò)調(diào)節(jié)超短脈沖門(mén)控信號(hào)的幅度和脈寬來(lái)進(jìn)一步改善單光子探測(cè)器的性能,這種方案一方面突破了電容平衡技術(shù)在單光子探測(cè)中的工作頻率上限,另一方面也避免了正弦門(mén)控濾波技術(shù)在低頻段工作時(shí)的不足,解決了在自差分平衡技術(shù)中工作頻率不易調(diào)節(jié)的問(wèn)題,讓單光子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)工作重復(fù)頻率在更大的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)并保持極佳的探測(cè)性能。