高時間穩定性的雪崩光電二極管單光子探測器*

張海燕 汪琳莉 吳琛怡 王煜蓉 楊雷 潘海峰 劉巧莉 郭霞 湯凱 張忠萍 吳光?

1) (華東師范大學, 精密光譜科學與技術國家重點實驗室, 上海 200062)

2) (北京郵電大學, 電子工程學院, 北京 100876)

3) (中國科學院, 上海天文臺, 上海 200030)

雪崩光電二極管單光子探測器是一種具有超高靈敏度的光電探測器件, 在遠距離激光測距、激光成像和量子通信等領域有非常重要的應用.然而, 由于雪崩光電二極管單光子探測器的雪崩點對工作溫度高度敏感,因此在外場環境下工作時容易出現增益波動, 繼而導致單光子探測器輸出信號的延時發生漂移, 嚴重降低了探測器的時間穩定性.本文發展了一種穩定輸出延時的方法, 采用嵌入式系統控制雪崩光電二極管, 使其處于恒定溫度, 并實時補償由環境溫度引起的延時漂移, 實現了雪崩光電二極管單光子探測器的高時間穩定性探測.實驗中, 環境溫度從 16 ℃ 變化到 36 ℃, 雪崩光電二極管的工作溫度穩定在 15 ℃, 經過延時補償, 雪崩光電二極管單光子探測器輸出延時漂移小于±1 ps, 時間穩定度達到0.15 ps@100 s.這項工作有望為全天候野外條件和空間極端條件下的高精度單光子探測應用提供有效的解決方法.

1 引 言

單光子探測技術被廣泛應用于激光測距、三維成像、激光通信、時間傳遞、量子通信和天文觀測等 諸 多 領 域[1?12].其 中, 基 于 雪 崩 光 電 二 極 管(avalanchephotodiode, APD)的單光子探測器因量子效率高、工作波段寬、結構緊湊、室溫工作等優點, 逐步發展成為應用最為廣泛的單光子探測器.但是APD器件的雪崩點對工作溫度高度敏感,使得雪崩增益隨之發生變化[13], 繼而改變了單光子探測效率、暗計數、輸出延時等重要指標和參數,影響了APD單光子探測器的穩定性.采用半導體制冷將APD置于低于室溫的恒溫環境中[14], 可明顯改善單光子探測器的穩定性, 而且減小了暗計數.另外, APD單光子探測電路和外圍控制電路也會受到環境溫度影響, 由于電路面積遠大于APD器件, 很難采用溫控的方法一并解決電路的穩定性問題.捷克技術大學的 Prochazka研究小組在APD單光子探測器的時間穩定性和精度方面做了大量的工作, 在探測器的溫度漂移補償技術上取得了重要進展.2013年, 他們[15]通過被動電路補償的方法, 在20—50 ℃的溫度范圍內標定了單光子探測器的輸出延時與溫度的關系為280 fs/K.2017年, 他們[16]優化了補償電路, 使輸出延時的溫度變化低至 70 fs/K, 即在 20—50 ℃ 溫度變化范圍內, 輸出延時的總漂移量為2.1 ps.但是被動補償電路只能在符合器件溫度拐點的特定溫度范圍內實現補償.本文通過半導體制冷, 使APD工作在恒定的溫度, 基于高精度的延時測量, 建立了APD探測電路延時隨環境溫度的變化關系, 通過在APD增益飽和區內微調APD的直流偏置電壓,實現了單光子探測器輸出延時的高穩定性.實驗中, 環境溫度從 16 ℃ 變化到 36 ℃, 探測器的輸出延時漂移小于 ±1 ps.

2 低時間抖動APD單光子探測器

要實現高時間穩定性的單光子探測, 首先要實現低時間抖動的單光子探測.APD單光子探測器的時間抖動由APD器件和探測電路兩部分共同決定.本文使用北京郵電大學自主研制的蓋革SiAPD器件, 采用CMOS工藝制備(其半導體結構如圖1插圖所示, 基于外延的平面n+-p-p–-p+的APD 結構, 感光面直徑為 200 μm).為了提高時間特性, 器件采用極薄的吸收層和雪崩增益層, 在蓋革模式下, 雪崩增益層的電場超過 105V/cm, 加速了載流子輸運過程, 減小了Si APD器件雪崩過程的時間抖動.

圖1 APD 單光子探測電路原理圖, 插圖為蓋革模式 Si APD器件半導體結構Fig.1.Schematic of APD single-photon detection circuit, in which the illustration is the semiconductor structure of the Geiger-mode Si APD.

圖2 (a) 雪崩脈沖上升沿波形; (b)雪崩脈沖幅度均值隨偏置電壓變化曲線; (c) APD單光子探測器時間抖動Fig.2.(a) The waveform of the rising edge of the avalanche pulse; (b) the curve of the mean amplitude of the avalanche pulses with the bias voltage; (c) the time jitter of the APD single-photon detector.

APD單光子探測電路如圖1所示, 本文在Prochazka等[15?17]的方案的基礎上進行了優化,采用高速比較器直接甄別APD的雪崩脈沖, 獲得了輸出信號.通過“門控和淬滅邏輯電路”的控制,APD陽極的電平通過開關三極管迅速拉高,APD雪崩得到快速抑制.比較器采用差分輸入, 可以有效抵消抑制脈沖產生的共模信號.同時, 甄別電平輸入端通過對地電容, 對交流輸入信號積分,當抑制脈沖加載到比較器兩端時, 經過設定的積分時間以后, 甄別輸入端的電平提升, 使得比較器輸出翻轉, 決定了輸出信號的脈沖寬度.對于探測電路而言, 抑制雪崩脈沖幅度漲落是實現低時間抖動的關鍵.恒比鑒別電路是抑制脈沖漲落的傳統技術[18,19], 但是該技術受限于電路器件性能, 通常只能補償到 100 ps量級, 并且電路復雜.本文通過對SiAPD器件特性進行分析, 得到SiAPD的雪崩脈沖上升沿速率約為 1.7 ns/V (圖2(a)).為了獲得高探測效率, SiAPD器件工作在蓋革模式下的增益飽和區內.圖2(b)給出了雪崩脈沖幅度均值隨偏置電壓的變化曲線, 增益飽和區域內雪崩脈沖幅度變化趨于平坦, 峰峰值變化小于20 mV, 結合雪崩脈沖上升沿速率, 可以估算出在整個增益飽和區內, 脈沖幅度變化引起的時間抖動小于8 ps, 因此本文采用直接甄別的方法.時間抖動測試中, 采用 532 nm 脈沖激光, 脈沖寬度為 28 ps, 經過衰減后照射到SiAPD靶面, 使得單光子探測器的計數率為0.1, 輸出信號作為計時器(HydraHarp400)“stop”信號, 激光脈沖的同步信號作為計時器“start”信號, 計時器分辨率設置為 1 ps, 測試得到單光子探測器的時間抖動全幅半高寬(full width at halfmaximum, FWHM)為 56 ps, 如圖2(c)所示, 實現了低時間抖動單光子探測, 為高時間穩定性打好了基礎.

3 APD單光子探測器輸出延時穩定與補償

APD單光子探測器的輸出延時主要有以下3個影響因素: 1) APD器件內部載流子的渡躍時間;2)雪崩脈沖甄別時刻的變化; 3)比較器等探測電路的延時漂移.在APD內部, 載流子的渡躍時間隨著電場的增加而減小[20].所以, 在恒定溫度下,提高APD的偏置電壓會減小探測器的輸出延時.恒定溫度下, 雪崩增益會隨著APD的偏置電壓提高而增大, 使得雪崩脈沖幅度隨之增大, 輸出延時減小.探測電路的傳輸延時也會隨溫度發生變化,主要來自比較器的傳輸延時, 探測電路中使用的高速比較器為ADCMP553, 其傳輸延時隨溫度的變化率為 0.25 ps/K.

綜上分析, 溫度變化是探測器輸出延時漂移的主要來源, 環境溫度發生變化, APD雪崩點也會變化, 進而引起延時漂移, 同時探測器的探測效率和暗計數等關鍵性能指標也會大幅發生變化, 所以本文通過溫控的方法穩定SiAPD器件的溫度.如圖3所示, SiAPD器件貼在三級半導體制冷片(thermoelectric cooler, TEC)冷面, 真空密封在TO-8管殼內, 光信號通過增透玻璃窗片入射到APD靶面.TEC熱面通過管殼底座固定在鋁合金探測器外殼上散熱.冷面與熱面均貼有溫度傳感器, 通過可編程門陣列 (field-programmable gate array, FPGA)板 卡 采 集.溫 度 控 制 電 路 采 用Xilinx 的 ARTIX-7 系列的 FPGA, 使 用 比 例-積分 -微 分 (proportion integration differentiation,PID)算法, 控制 TEC電流, 令 SiAPD器件處于恒定的低溫下, 穩定精度優于 ±0.1 ℃.

不同于SiAPD器件, 整個探測電路由于分布面積大, 很難通過溫控的方法抑制這部分延時漂移.本文通過偏壓補償的方法補償整個探測電路的延時漂移.由圖2(b)可知, SiAPD在增益飽和區域內, 脈沖幅度和探測性能變化很小.因此, 通過微調SiAPD偏置電壓, 可以精確地補償探測電路的延時漂移, 實現輸出延時穩定的高精度單光子探測.如圖3 所示, FPGA 采集冷面溫度, 使用 PID算法控制SiAPD器件溫度, 同時采集探測器外殼溫度, 即探測電路所處的環境溫度, 作為偏壓補償的依據.實驗對探測器的輸出延時進行標定, 精確測量每個溫度段的延時漂移, 通過查表的方式設置相應的補償電壓, 實現探測電路的漂移補償.其中,延時的測量精度決定了最終的補償效果.本文采用事件計時器, 測得分辨率為 13 ps, 精度為 8 ps, 經過多次累計測量, 延時均值的測量精度為0.3 ps.

圖3 基于FPGA板卡的溫度控制和偏壓補償示意圖Fig.3.Schematic of temperature control and bias voltage compensation based on the FPGA board.

實驗測試SiAPD偏置電壓與輸出延時的變化關系, SiAPD器件在溫度控制電路作用下處于恒定溫度 15 ℃, 控制環境溫度穩定在 ±1 ℃ 以內,在增益飽和區域內選取7個偏置電壓值, 每個電壓采集186個延時數據, 計算出各個電壓點的延時分布的峰值中心, 如圖4所示, 線性擬合后得到延時-偏壓變化系數為175.3 ps/V.

圖4 輸出延時隨 Si APD 偏置電壓變化曲線Fig.4.The curve of the detection delay with the bias voltage of the Si APD.

實驗選取增益飽和區內的中間偏置電壓值作為Si APD的初始偏置電壓值, 控制環境溫度緩慢升高, 實時測量探測器的輸出延時值, 同時采集環境溫度, 獲取輸出延時與環境溫度的對應數據.根據實驗數據計算全部輸出延時的均值作為補償基準, 實驗中每個溫度點累計測量5000個延時值,通過計算得到每個溫度點對應的輸出延時均值, 根據延時-偏壓變化系數, 計算出補償所需的偏置電壓, 完成APD單光子探測器的輸出延時補償.

4 單光子探測器時間穩定性測試

本文測試了APD單光子探測器的時間穩定性, 實驗測試了在環境溫度變化情況下, 探測器的輸出延時穩定性.實驗中, 測試溫度范圍是16—36 ℃,Si APD 器件的制冷溫度為 15 ℃, 初始偏置電壓為 33.56 V.測試過程中, 環境溫度從 16 ℃ 緩慢升高至 36 ℃, 溫度變化率為升高 0.75 K/min.APD單光子探測器的計數率保持在0.1附近, 同時采集輸出延時和環境溫度, 得到輸出延時與環境溫度的變化曲線.如圖5(a)中黑色曲線所示, 在沒有偏置電壓補償之前, 探測器的輸出延時漂移約為 ± 10 ps.在偏置電壓補償之后, 輸出延時漂移在 ±1 ps以內(圖5(b)).在圖5(a)中, 藍色曲線為補償后的延時數據, 與未補償的數據相比, 極大地提高了探測器輸出延時的時間穩定性.

圖5 環境溫度為 16 ℃-36 ℃ 所對應的延時漂移 (a)偏置電壓補償前后延時漂移; (b)偏置電壓補償后延時漂移Fig.5.The delay drift as a function of the environment temperature from 16 ℃ to 36 ℃: (a) The delay drift before and after the compensation by the bias voltage; (b) the delay drift after the compensation by the bias voltage.

圖6 偏置電壓補償前后, APD 單光子探測器的時間穩定度對比圖Fig.6.Comparison diagram of time deviation of the APD single-photon detector before and after the compensation by the bias voltage.

本文對APD單光子探測器進行了時間穩定度 (time deviation, TDEV)分析.實驗中, 環境溫度從16 ℃逐漸升溫到36 ℃, 分別測試了偏置電壓補償前后APD單光子探測器對應的實時輸出延時, 并進行了時間穩定度分析.如圖6所示, 偏置電壓補償前, APD單光子探測器的輸出延時穩定度為 0.6 ps@100 s; 偏置電壓補償后, APD 單光子探測器的輸出延時穩定度提升為0.15 ps@100 s,表明探測器的時間穩定性有了明顯的提高.

5 結 論

本文介紹了一種具有高時間穩定性的APD單光子探測技術, 在SiAPD器件溫控的基礎上, 選擇在SiAPD蓋革模式增益飽和區內微調偏置電壓, 補償探測電路隨環境溫度變化引起的輸出延時漂移, 極大地提高了APD單光子探測器的時間穩定性, 在16—36 ℃溫度范圍內的輸出延時漂移僅為 ±1 ps, 100 s內的時間穩定度達到 0.15 ps.該技術采用嵌入式系統, 參數調節靈活, 并且不受探測電路芯片溫度與延時變化特性的限制[15?17], 另外, 可以通過測試更大溫度范圍內各個溫度點的延時補償量, 實現更大環境溫度范圍內的穩定輸出,滿足外場和空間環境下的衛星激光測距和星地激光脈沖時間傳輸測量的需求.