小体积，高性能——集成型近红外单光子探测器助力激光雷达应用

封面|刘俊良, 许伊宁, 董亚魁, 李永富, 刘兆军, 赵显. 集成型快速主动淬灭InGaAsP近红外单光子探测器[J]. 中国激光, 2021, 48(12): 1212002

文章链接：http://www.opticsjournal.net/Journal/zgjg/News/PT210715000017C9Fb.cshtml

【封面解读】光子是光能量的最小单位，是量子信息的载体。集成化近红外单光子探测器模块利用InGaAs/InP单光子雪崩二极管在吸收光子后产生的雪崩倍增，将光子的有无及其到来的时间转换为数字信号，其低死时间、低功耗、小体积的特点在量子信息、激光雷达等领域具有广阔的应用前景。

研究背景

在远距离高性能激光雷达应用中，目标的回波光信号往往十分微弱。使用单光子探测器可大大降低激光器的功率要求，大幅提高有效探测距离。而在航天器、无人机等平台上使用的激光雷达除要求探测距离远外，还需要体积小、重量轻、功耗低。因此，需要通过集成化、模块化的设计方法，在保证探测器高性能的前提下降低探测器的体积和功耗，以满足条件苛刻的系统应用需求，提高其在系统应用中的便利性和可靠性。

创新研究

课题组通过对探测器进行多方面的设计优化，实现了高性能、小体积、低功耗的目标。首先，课题组设计了元件数少、结构紧凑的超低延迟雪崩淬灭电路，使雪崩脉冲幅度仅数百uA，约1 ns，如图1（左）所示，从而获得了更低的后脉冲概率和暗计数率。

为了在实现快速淬灭的同时保证电路在微型化后复杂的电磁环境中稳定工作，课题组通过在平衡电容电路中增加额外的RC电路，增加了到达雪崩比较器反向输入端的尖峰脉冲的幅度和时长，使整个电路对尖峰脉冲噪声残余的容限大幅提高，同时降低了可设置的最低雪崩鉴别电平，提高了淬灭速度。

其次，在设计的电路的基础上，将平衡电路、测温电阻PT1000、热电致冷片（TEC）和 SPAD 芯片等关键部件进行集成封装，如图一（右）所示，不仅减小了探测器的整体体积，还使 SPAD 和平衡电路共享相似的电磁环境和分布参数，提高了抗干扰能力和稳定性。

图1 主动淬灭SPAD的典型雪崩脉冲（左）、SPAD集成制冷封装结构图（右上）及实物图（右下）

最后，设计优化了探测器的各电路模块，形成了多片层叠的电路板（图2），包括纹波小于1 mV 的超低噪声负高压产生电路、基于级联开关电源和低压差线性稳压器的高效率低噪声TEC控制电路、基于 FPGA 的主控电路以及前述淬灭电路等，包括温度、偏压、死时间、可选外部门控等所有电路参数可调。最终探测器的整体尺寸约63 mm×54 mm×44 mm。

图2 探测器电路实物（左下）及探测器整体实物图（上：光纤耦合、右下：空间耦合）

课题组在1.06 μm波长下对所研制的探测器进行了性能测试，其探测效率可达30%，在室温且散热良好的条件下最低制冷温度可达-35℃，实测功耗不足6 W。

探测器的暗计数率如图3所示。探测效率20%以上时，由于短死时间时后脉冲概率较大，暗计数率随死时间的下降上升较快，实际使用时应适当延长死时间至1 μs以上。在10%探测效率、-30℃时，暗计数率低至0.9 kHz，且不同死时间下暗计数率的变化较小，死时间50 ns时的暗计数率仅比5 μs死时间时的暗计数率增加了27%，后脉冲概率为14.6%。

因此，该探测器的死时间低至50 ns，已接近Si基自由运转单光子探测器的水平，综合性能达到世界先进水平。

图3 不同温度、探测效率和死时间条件下的暗计数率

展望

课题组计划进一步加强与国内外各研究及应用机构的深度合作，积极推动该类探测器在各领域的应用；同时开展针对不同波段、感光面大小的芯片的集成化单光子探测器的研制，并进一步缩减体积和功耗，不断完善探测器性能和稳定性。

课题组介绍：

山东大学红外感知技术与应用课题组由中国工程院方家熊院士组建，现由李永富副教授牵头，依托激光与红外系统集成技术教育部重点实验室开展科研工作。课题组主要从事红外感知领域的技术基础与应用研究，在近红外单光子探测、智能短波红外成像、光谱感知物联网等方面开展了系列研究工作。课题组先后承担多项国家、省部级及企事业单位委托项目，获授权国家发明专利10余项，成功研制高性能近红外单光子探测器、智能识别型短波红外成像仪等系列特色产品，并致力于相关技术的应用及转化。