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InGaAs(P)/InP近红外单光子探测器暗计数特性研究基于InGaAs(P)/InP 雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diodes,SPADs)的近红外单光子探测器具有功耗低、不需超低温制冷、可靠性高、使用简单、易集成、近红外探测效率高等优点,在光通讯波段(1310 nm、1550 nm)量子密钥分发(QKD)、激光测距(1064nm、1550nm)等前沿领域有着迫切的应用需求,但其暗计数特性对应用有诸多限制。
InGaAs(P)/InPSPAD基近红外单光子探测器主要包括InGaAs(P)/InP SPAD及其驱动电路,二者的性能均可影响探测器性能。
本论文主要针对InGaAs(P)/InP SPAD基近红外单光子探测器的暗计数特性及其影响因素、InGaAs(P)/InPSPAD暗电流特性及其影响因素进行深入研究,探索二者关联特性,为SPAD器件及单光子探测器的性能优化提供指导。
搭建SPAD 器件变温测试平台对SPAD暗电流特性进行了研究;搭建激光束诱导电流(LBIC)测试系统对SPAD器件的响应均匀性及其边缘击穿特性进行了研究;研制SPAD器件单光子探测性能测试装置对不同SPAD器件对应单光子探测器的暗计数特性进行了研究。
对SPAD器件暗电流特性及其对应单光子探测器的暗计数关联性进行探索,研究发现SPAD雪崩击穿偏压处的暗电流斜率与相应单光子探测器的暗计数相关,斜率较小时相应的暗计数较小;暗电流与暗计数存在抖动情况,此抖动均与温度呈负相关,与过偏压无关。
目前对暗计数特性的研究主要集中于影响机制,并未发现对上述结果的报导。
单光子激光雷达技术研究及应用第一章引言单光子激光雷达技术是指利用激光器发射单光子，通过探测器接收反射回来的单光子信号，进行精确定位和距离测量的一种新型激光雷达技术。
近年来，单光子激光雷达技术发展迅速，被广泛应用于地质勘探、遥感测量、环境监测、智能交通、机器人导航等领域。
本文将对单光子激光雷达技术进行深入研究，并探讨其应用及未来发展前景。
第二章单光子激光雷达技术原理单光子激光雷达技术的核心是单光子探测器（SPAD）。
SPAD 是一种高灵敏度的半导体器件，可以探测到单个光子的到达。
在激光雷达系统中，激光器向目标发射脉冲激光，光子经过反射后到达探测器。
探测器在接收到光子信号之后，会输出一个时间标记，用于确定反射光子的飞行时间。
通过测量飞行时间，可以计算出目标与激光雷达之间的距离。
第三章单光子激光雷达技术优势相较于传统的连续波雷达和调制雷达，单光子激光雷达技术有以下优势：1. 高分辨率：单光子激光雷达可以测量微小的距离变化，精度高达毫米级。
2. 高精度：单光子激光雷达可以实现无人机在空中的精确定位。
3. 适用范围广：单光子激光雷达可以测量不同环境下的距离和位置，包括空气、水和固体等。
4. 抗干扰性强：单光子激光雷达技术可以避免电磁干扰和光照干扰，提高了信号的可靠性和稳定性。
第四章单光子激光雷达技术应用单光子激光雷达技术已经被大量应用于各个领域：1. 地质勘探：单光子激光雷达可以探测到地下油气层，为石油勘探提供了更为精确的数据。
2. 遥感测量：单光子激光雷达可以测量地球表面的高度、结构和物质组成，用于制作三维地图。
3. 环境监测：单光子激光雷达可以检测大气中的污染物和游离基团，提高环境监测的精度和效率。
4. 智能交通：单光子激光雷达可以实现车辆、行人和障碍物的立体感知，提高了交通安全性。
5. 机器人导航：单光子激光雷达可以为机器人提供更为准确的环境感知，辅助机器人实现自主导航和定位。
第五章单光子激光雷达技术发展前景随着人工智能、物联网等新技术的迅猛发展，单光子激光雷达技术在下一代智能制造、智能交通及智慧城市建设中将发挥越来越重要的作用。
单光子探测器技术原理简介1. 工作原理单光子探测器是一种对微弱光信号进行探测的设备，输入光强度最低可到单光子水平。
以通信最常用的1550nm和1310nm光波长为例，单个光子的能量分别为1.28*10-19焦耳和1.52*10-19焦耳，这意味着输入信号能量极其微弱，必须使用特殊的光子检测器件探测输入光子脉冲事件。
不同种类的雪崩管服务于不同的探测应用目的，例如基于Si的雪崩管适用于可见光波段检测，InGaAs或InP 的雪崩管更适合近红外波段。
薄结工艺标准CMOS工艺厚结工艺常见的SACM型InGaAs/InP APD的半导体结构数据来自Micro Photon Devices公司数据来自Perkin Elmer公司单光子探测器的工作原理是利用工作于盖革模式（Geiger Mode）下的InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD）进行单光子探测。
所谓盖革模式是指APD 工作时要加反向偏压，偏压幅度略微超过雪崩阈值电压，盖革模式与线性模式的区别在于能够将微弱光生载流子放大产生宏观电流。
根据对APD施加偏压的波形，将探测器分为门控工作模式和自由运行模式两类。
光子入射到APD内部引发雪崩，产生微弱雪崩电流脉冲。
探测器内部处理电路采用跨导放大器将微弱电流脉冲转换成电压脉冲并放大、整形，再经过甄别、死时间处理后输出电平、宽度固定的数字脉冲，探测器有脉冲输出表示检测到了输入单光子或微弱光脉冲，而脉冲前沿位置代表光子输入时刻。
光子输入事件及其发生事件正是量子信息、单光子雷达等应用关注的最重要内容，单位时间内计数值则反映了输入光强度。
入射光子引发雪崩发生后，必须尽快将雪崩淬灭，一方面避免雪崩管过度放电，更重要的是将雪崩管恢复到可用状态，能够及时检测下一个入射光子事件。
根据淬灭方式的不同，将探测器分为主动淬灭和被动淬灭两类。
通过空间耦合光内部集成了TEC，耦合光纤输入耦合光纤，需外部配置TEC量子通信主流技术是基于通信光纤的方案，与常规通信一样远距离传输必然使用单模光纤，例如电信基础设施建设广泛应用的G.652单模光纤。
第４５卷 第１期２０２１年１月激 光 技 术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．４５，Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ，２０２１ 文章编号：１００１ ３８０６（２０２１）０１ ０１０５ ０４ＩｎＧａＡｓ纳米线雪崩焦平面探测器发展研究张 伟１，徐 强１，谢修敏１，邓 杰１，覃文治１，胡卫英１，陈 剑１，宋海智１，２（１．西南技术物理研究所，成都６１００４１；２．电子科技大学基础与前沿科学研究所，成都６１００５４）摘要：基于ＩｎＧａＡｓ纳米线的光电探测器，由于其优异的性能而受到广泛的关注和研究。
综述了ＩｎＧａＡｓ纳米线光电探测器的探测机理、材料结构、器件性能和当前的研究现状。
讨论了ＩｎＧａＡｓ纳米线雪崩焦平面探测器结构设计、纳米线材料精密生长、纳米线材料的界面与缺陷控制、纳米线雪崩焦平面器件制备工艺等关键技术。
对发展高光子探测效率、低噪声、高增益ＩｎＧａＡｓ纳米线雪崩焦平面探测器的前景进行了展望。
关键词：传感器技术；雪崩焦平面探测器；ＩｎＧａＡｓ纳米线阵列；光电二极管；探测器中图分类号：Ｏ４７５ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０ ７５１０／ｊｇｊｓ ｉｓｓｎ １００１ ３８０６ ２０２１ ０１ ０１８ＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅａｖａｌａｎｃｈｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅｄｅｔｅｃｔｏｒｓＺＨＡＮＧＷｅｉ１，ＸＵＱｉａｎｇ１，ＸＩＥＸｉｕｍｉｎ１，ＤＥＮＧＪｉｅ１，ＱＩＮＷｅｎｚｈｉ１，ＨＵＷｅｉｙｉｎｇ１，ＣＨＥＮＪｉａｎ１，ＳＯＮＧＨａｉｚｈｉ１，２（１．ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００４１，Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌａｎｄＦｒｏｎｔｉｅｒＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｕｎｉ ｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓｂａｓｅｄｏｎＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｓｔｕｄｉｅｄｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｍａｔｅｒｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｄｅｖｉｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓｗｅｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅａｖａｌａｎｃｈｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅｄｅｔｅｃｔｏｒ，ｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｇｒｏｗｔｈｏｆｎａｎｏｗｉｒｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅａｎｄｄｅｆｅｃｔｃｏｎｔｒｏｌｏｆｎａｎｏｗｉｒｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｎａｎｏｗｉｒｅａｖａｌａｎｃｈｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅｄｅｖｉｃｅｓｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｔｈｅｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｈｉｇｈｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｌｏｗｎｏｉｓｅａｎｄｈｉｇｈｇａｉｎＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅａｖａｌａｎｃｈｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅｄｅｔｅｃｔｏｒｗａｓｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ａｖａｌａｎｃｈｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅｄｅｔｅｃｔｏｒ；ＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅａｒｒａｙ；ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ；ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ 基金项目：四川省科技计划资助项目（２０１８ＴＺＤＺＸ０００１）；国家重点研发计划资助项目（２０１７ＹＦＢ０４０５３０２）作者简介：张 伟（１９８３ ），男，博士研究生，现主要从光电功能材料与器件的研究。
ingaas单光子探测器测试标准题目：InGaAs单光子探测器测试标准及步骤解析引言：随着量子通信、光子计算和量子信息等领域的不断发展，单光子探测器作为光学实验中至关重要的组成部分，其性能的准确测试和有效评估变得尤为重要。
本文将详细介绍InGaAs单光子探测器测试的标准及相关步骤，以帮助读者了解其操作原理和测试过程。
一、InGaAs单光子探测器简介InGaAs单光子探测器是一种基于铟镓砷化物（InGaAs）材料制作的半导体器件，其在近红外区域有着高度敏感的光子探测能力。
其工作原理是当光子入射到探测器上时，通过光电效应产生载流子，最终转化为电信号输出。
二、InGaAs单光子探测器测试标准1. 探测效率测试：探测效率是评估探测器灵敏度的关键指标，可以用来描述InGaAs单光子探测器探测到输入信号的能力。
测试时，通过输入标准光源，分析输出信号来计算探测效率。
2. 暗计数率测试：暗计数率是指探测器在无光源情况下产生的误测率，即产生虚假信号的速率。
暗计数率低表示探测器噪声小，对于低光强下信号的准确探测更为重要。
测试时，将探测器置于完全无光的环境中，记录单位时间内的误测事件数量。
3. 噪声等效温度测试：噪声等效温度是一个衡量探测器噪声性能的重要指标，其值越低表示探测器的噪声性能越好。
测试时，使用标准热源，通过测量输出电压等参数来计算噪声等效温度。
4. 相干串扰测试：相干串扰是表示探测器在工作状态下由于光子的干涉效应而产生的误差。
测试时，通过输入相干光源，记录准确的探测输出与期望输出之间的差异。
5. 出射波束测试：出射波束测试用于评估探测器的准直性能。
测试时，使用合适的设备和方法来测量和记录探测器产生的光束的发散角和波前质量。
三、InGaAs单光子探测器测试步骤1. 准备测试环境：确保测试环境的干净、稳定和无尘，以避免外界干扰对测试的影响。
调整室温和湿度，确保测试环境符合标准。
2. 清洗探测器：在操作探测器之前，首先使用合适的方法清洗探测器表面，确保其表面无污染物和杂质。
红外焦平面探测器的国内外技术现状和发展趋势一、焦平面APD探测器的背景及特点焦平面APD探测器主要是由：APD阵列和读出电路(ROIC)两部分组成，其中APD是核心元件。
1、APD雪崩光电二极管（APD）是一种具有内部增益的半导体光电转换器件，具有量子响应度高、响应速度快、线性响应特性好等特点，在可见光波段和近红外波段的量子效率可达90%以上，增益在10～100倍，新型APD材料的最大增益可达200倍，有很好的微弱信号探测能力。
2、APD阵列的分类按照APD的工作的区间可将其分为：Geiger-modeAPD（反向偏压超过击穿电压）和线性模式APD（偏压低于击穿电压）两种。
（1）Geiger-modeAPD阵列的特点优点：1）极高的探测灵敏度，单个光子即可触发雪崩效应，可实现单光子探测；2）GM-APD输出信号在100ps量级，即有高的时间分辨率，进而有较高的距离分辨率，厘米量级；3）较高的探测效率，采用单脉冲焦平面阵列成像方式；4）较低的功耗，体积小，集成度高；5）GM-APD输出为饱和电流，可以直接进行数字处理，读出电路(ROIC)不需要前置放大器和模拟处理模块，即更简单的ROIC。
缺点：1）存在死时间效应：GM-APD饱和后需要一定时间才能恢复原来状态，为使其可以连续正常工作需要采用淬火电路对雪崩进行抑制。
2）GM-APD有极高的灵敏度，其最噪声因素更加敏感，通道之间串扰更严重。
（2）线性模式APD阵列的特点优点：1）光子探测率高，可达90%以上；2）有较小的通道串扰效应；3）具有多目标探测能力；4）可获取回波信号的强度信息；5）相比于GM-APD，LM-APD对遮蔽目标有更好的探测能力。
缺点：1）灵敏度低于GM-APD；（现今已经研制出有单光子灵敏度的LM-APD）2）读出电路的复杂度大于GM-APD（需对输入信号进行放大、滤波、高速采样、阈值比较、存储等操作）。
（其信号测量包括强度和时间测量两部分）按照基底半导体材料APD可分为：SiAPD、GeAPD、InGaAsAPD、HgCdTeAPD。
上转换单光子探测器的研究及其应用的开题报告
一、选题背景
单光子探测器是一种能够探测单个光子的仪器，具有高灵敏度、高时间分辨率、高量子效率、低噪声等优势，广泛应用于量子通信、量子计算、生命科学、材料科学等领域。
然而，传统的单光子探测器需要采用冷却器降低噪声和提高灵敏度，使得设备体积大、成本高、应用范围受限。
上转换单光子探测器是一种新型单光子探测器，其通过将光子能量上转换为高能级激子，以实现提高量子效率和降低噪声的目的，具有很大的应用潜力。
二、研究目的
本文旨在对上转换单光子探测器的原理、制备方法、性能评价等方面进行深入研究，探索其在量子通信、量子计算、生命科学等领域的应用前景。
三、研究内容
1. 上转换单光子探测器的原理及优缺点分析
2. 上转换单光子探测器制备方法的研究
3. 上转换单光子探测器的性能评价及优化
4. 上转换单光子探测器在量子通信、量子计算、生命科学等领域的应用前景分析
四、研究方法
1. 文献综述法：对国内外上转换单光子探测器的研究现状进行详细了解
2. 实验法：通过实验制备上转换单光子探测器，进行性能评价及优化
3. 理论模拟法：采用理论模拟手段分析上转换单光子探测器的原理及性能
五、预期成果
1. 深入了解上转换单光子探测器的原理及性能，研究其优缺点
2. 确定上转换单光子探测器的制备方法，并进行性能评价及优化
3. 探索上转换单光子探测器在量子通信、量子计算、生命科学等领域的应用前景
4. 发表本文研究成果，为相关领域的研究和应用提供参考。
在８００．９００ｎｍ波段，硅雪崩光电二极管凭借其优越性能、高可靠性以及廉价获得了广泛的应用。
根据硅在８００—９００ｎｍ波段的光吸收系数值，为获得高的量子效率，ＡＰＤ需要具有３０—５０ｎｍ长的耗尽区。
在单边突变的ｐ－ｎ结中，为得到长的耗尽区并降低ＡＰＤ的工作电压，硅ＡＰＤ采用了一种有ｎ＋．Ｐ．舻ｐ＋构成的拉通型结构，如图２．２所示。
图２－２拉通型ＡＰＤ内部结构及电场分布其中７ｃ层为受主杂志，掺杂浓度很低，接近Ｐ型本征层。
图中右方表示了电场强度的分布示意图。
近年来，随着半导体工艺技术的发展，人们开展了硅单光子探测器的集成化和阵列化的研究。
由于拉通型结构耗尽层厚，所需功率大且需热电冷却，不易集成化。
因此一种新的薄型结构被开发，如图２．３所示。
该结构所需偏置电压仅为１５．４０Ｖ，同时因为耗散功率小，不需冷却。
虽然利用薄型ＡＰＤ制成的硅单光子探测器的探测效率在８３０ｎｍ时只有１０％。
但由于集成化和阵列化可以发挥更大、更广的作用，因此还是有越来越多的人投入到薄型硅ＡＰＤ的研究当中。
图２－３薄型ＡＰＤ内部结构２．３．２锗（Ｇｅ）ＡＰＤｌｌ２Ｉ对锗ＡＰＤ单光子探测器的研究很早就开展了。
实验表明，当温度高于１００Ｋ时，只要锗ＡＰＤ的偏置电压大于其雪崩电压就会产生雪崩效应，这是由于锗ＡＰＤ的热激发非常严重。
在实际应用中，必须将其冷却至１００Ｋ以下。
通常使用液氮将８山东大学硕士学位论文第三章正弦门控单光子探测器设计３．１正弦门控工作模式１１４ｉ在单光子探测中，由于ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰＡＰＤ探测的是极其微弱的单光子信号，要想使光生载流子转换为可测量的宏观电流，需要非常大的倍增增益。
ＩｎＧａＡｓＡＰＤ工作在盖革模式下，即偏置电压略高于雪崩击穿电压，此时，ＡＰＤ会发生自持雪崩增益，理论上增益为无穷大。
当雪崩发生后，所产生的电流非常大，此时需要及时抑制雪崩，否则雪崩次数增多会损坏ＡＰＤ。
另外，在雪崩效应的发生过程中，ＡＰＤ无法对后续入射的光子再次做出响应，为使ＡＰＤ能够准确探测到下一个单光子，要求必须能够及时快速抑制雪崩电流。
基于InGaAs(P)/InP APD的单光子探测器的研制和性能研究单光子探测器是目前量子信息领域、激光雷达和生物医学等领域的关键器件。
基于InGaAs(P)/InP雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器适用于近红外波段,
制冷要求低,响应速度快,体积小巧,光纤与器件耦合较容易,实用性较强。
然而,相对于超导纳米线等性能更高的探测器以及用于可见光波段探测的光电倍增管
和SiAPD,基于InGaAs(P)/InPAPD的单光子探测器的主要缺点在于其探测效率相对偏低,后脉冲概率较大。
单光子探测器常用于量子通信、激光雷达、荧光寿命分析等应用,不同应用对探测器的性能和工作条件要求差别较大,且其各项性能
指标受外部参数影响较大。
研究单光子探测器的性能与其工作模式和参数的关系,特别是后脉冲效应与各参数的关系,针对不同应用系统研究不同侧重点的单光子探测技术,具有重要
的研究意义和应用价值。
本论文研制了基于InGaAs(P)/InPAPD的近红外自由运转单光子探测器和门控单光子探测器,对其性能的测试方法和影响因素进行了研究,重点针对后脉冲效应进行了深入研究,并在激光测距系统应用中比较了两种
探测器的性能及其对系统性能的影响。
主要的研究内容如下:1.综合现有猝灭恢复电路的优点,设计了超低延迟的主动猝灭主动恢复(AQAR)电路,研制了高性能
的自由运转单光子探测器。
设计了在APD的阳极或阴极进行雪崩提取和猝灭的多种不同AQAR电路组合,不同电路组合具有不同的猝灭延迟和不同的最大过偏压。
对不同电路组合的雪崩猝灭性能进行了比较研究,并以此为指导对电路结构进行改进。
利用商用SiGe集成电路比较器、高速E-pHEMT射频晶体管和电容平衡噪声抑制电路设计了超低延迟的AQAR电路,其中巧妙地利用了比较器自身的
锁存功能实现雪崩后猝灭状态的锁存,降低了反馈环路延迟;引入了电容平衡法,较好地消除了微分噪声。
改进的AQAR电路使雪崩持续时间短至约1ns,显著提高了自由运转探测器的性能。
而且,该电路兼容门控功能,便于应用和性能研究。
研制的基于PGA-284型InGaAsP/InP APD的自由运转探测器在-40℃、10%
探测效率、1μs死时间时后脉冲概率仅约4%,暗计数约482 Hz,最短死时间35 ns,最大探测效率25%,综合性能达到甚至部分超过了其他基于主动猝灭技术的探测
器和基于负反馈雪崩二极管(NFAD)的自由运转探测器,达到世界先进水平。
2.为了研究与自由运转探测器相比后脉冲效应较小的高速门控单光子探测器的性能
指标,研制了门控频率可调的高速门控单光子探测器。
设计了窄脉冲成型电路和二级射频放大电路,用于生成大幅度、窄脉宽的门控信号。
结合多种平衡和滤波噪声抑制技术的优点,提出了基于APD-PIN结电容平衡电路和贝塞尔型低通滤波器的门控微分噪声抑制技术,其中APD-PIN结电容平衡电路对200MHz以下门控的门控微分噪声抑制比约34dB,且具有较小的插入损耗(2.2dB)。
采用该技术研制的高速门控探测器在-50℃、200MHz以下门控频率时,探测效率10%时的暗计数概率约4×10-6/门,后脉冲概率不超过2%,最大可用探测效率25%;在1.25 GHz门控频率时,探测效率10%时的暗计数概率为1.84×10-6/门,后脉冲概率为1%,最大可用探测效率29%。
该探测器综合性能较好,成本低,易于使用,参数变更方便,便于进行探测器性能研究。
3.研制了自动化的单光子探测器性能测试系统,对单光子探测器的性能指标测量和表征方法进行了系统性的总结和发展。
主要包括以下内容:(1)搭建了单光子探测器性能测试系统,设计了内置于单光子探测器的基于FPGA的性能测试模块,包括了温度控制、偏压控制、多功能计数器、时间数字转换器(TDC)等功能,并实现了自动化的变参数测量。
其中,基于FPGA的TDC的时间分辨率为99 ps,基于TDC-GPX的TDC分辨率为25 ps。
(2)发展了基于APD自发光和变鉴别电平的雪崩脉冲波形测量方法。
采用时间相关单光子计数技术,测量APD雪崩过程自发光以获得雪崩脉冲的波形,并提出了通过改变鉴别电平计算获得雪崩脉冲的实际幅度的方法。
采用该方法对雪崩脉冲的特性进行了表征,得出了其与偏压的关系。
类似地,利用测量不同鉴别电平下雪崩计数率的方法获得门控单光子探测器雪崩脉冲幅度分布及其与偏压的关系。
这两种方法为后续的探测效率和后脉冲概率研究提供了有力支撑。
(3)提出了一种基于激光周期内计数统计法的后脉冲概率测量方法,通过统计每个激光周期内0、1、2个或以上雪崩脉冲计数发生的情况估算探测效率和后脉冲概率。
该方法降低了暗计数波动对测量结果的影响,可以快速、低成本地评估单光子探测器的性能。
(4)对暗计数和后脉冲概率进行了变温、变压等实验,得出了其主要的影响因素。
暗计数的实验结果表明,对于非特意挑选的器件,其暗计数的主要来源是暗计数产生的后脉冲,缺陷和杂质产生的载流子引发的雪崩,以及InGaAs的本征载流子引发的雪崩;InGaAsP的本征载流子产生的暗计数相对较少。
对后脉冲概率进
行了深入研究,对20 ns至12μs这一宽时间范围内的后脉冲概率进行了分段研究,通过变压、变温测量并对结果进行积分,得出了载流子的释放速率随温度的上升而上升,而被俘获率随温度的上升而下降,随偏压的升高而下降的结论,并从释放速率和被俘获率两者的变温测量结果出发进行了陷阱激活能的计算,对现有的载流子释放速率模型和激活能模型进行了验证和发展。
(5)研究还对多光子入射时的性能指标进行了测量,结果表明高速门控探测器在多光子入射时的单光子探测效率和后脉冲概率会有一定程度的增大,并分析了引起该性能变化的原因。
4.针对目前迅速发展的激光雷达应用,对自由运转探测器和高速门控单光子探测器在非同轴激光测距系统中的性能进行了比较研究。
实验研究了两种探测器的暗计数、后脉冲、以及自由运转探测器的掩蔽效应对激光测距系统峰值信噪比等性能指标的影响。
结果表明,对于光子到来时间不可预计的应用,高速门控单光子探测器的实际探测效率低,仅其峰值探测效率的20%左右,但其信噪比与自由运转探测器死时间适中时的结果相近。
使用自由运转探测器时对目标的探测性能会受到暗计数和前一目标的综合影响,即“掩蔽”效应。
在死时间短于500ns时,探测效率、信噪比等指标开始急剧下降。
因此可以得出结论,高速门控单光子探测器工作在“准连续”状态下时的信噪比较好,但实际探测效率较低,仅适用于短时间内可以积累足够的光子计数的情形;自由运转探测器在死时间1μs左右时的综合性能较好,但应注意适当降低回波光子数,使目标的探测概率保持在较低的数量级以减轻掩蔽效应。
论文中的主要创新点总结如下:1.设计了超低延迟的主动猝灭主动恢复电路,显著提高了自由运转探测器的性能,且兼容了门控功能。
研制的基于PGA-284型InGaAsP/InP APD的自由运转探测器综合性能达到甚至部分超过了其他基于主动猝灭技术的探测器和基于NFAD的自由运转探测器。
2.发展了基于电容平衡法的门控微分噪声抑制电路,提出了基于APD-PIN结电容平衡与低通滤波相结合的低插入损耗、高抑制比的雪崩脉冲提取电路。
基于该电路研制的探测器综合性能较好,门控频率等参数调整方便,易于使用。
3.发展了雪崩脉冲波形的定量间接测量方法。
改进了基于APD自发光的雪崩脉冲波形测量方法,利用不同鉴别电平下APD自发光的时间相关单光子计数重建雪崩脉冲的波形并计算获得实际幅度。
该方法为探测效率和后脉冲概率研究提供了有力支撑。
4.提出了一种利用激光脉冲周期内雪崩脉冲计数的统计特性估算探测效率和后脉冲概率的统计测量方法,减小了暗计数波动对后脉冲概率测量结果的影响,硬件实现和计算复杂度低,可以在保持与其他方法相似准确度的前提下实时、快速、低成本地评估探测器的性能。
5.基于宽死时间范围内后脉冲概率随温度和偏压变化的测量结果,深入研究了APD的后脉冲特性及其影响因素,获得了释放速率和被俘获率的特性,并进行了陷阱激活能的计算。
6.在激光测距系统中进行了高速门控探测器和自由运转探测器的性能比较,得出了不同探测器的适用范围。
