1.54μm APD光电探测器组件的研制及应用

第４０卷第６期２０１９年１１月应　用　光　学JournalofAppliedOpticsVol．４０No．６Nov􀆰２０１９

文章编号:１００２Ｇ２０８２(２０１９)０６Ｇ１１１５Ｇ０５

收稿日期:２０１９Ｇ０３Ｇ０７;　修回日期:２０１９Ｇ０５Ｇ２１

基金项目:国家十二五重大工程项目(２０１５０６１３);国家自然科学基金面上项目(６１６７５０９２);航空科学基金(２０１７０８W４００１);

广东省科技计划项目(２０１６B０１０１１１００３);广东省自然科学基金面上项目(２０１６A０３０３１３０７９);广东省攻关项目子项目(３２４１５１１８００３);广东省公益科技计划项目(２０１７A０１０１０２００６);广州市产业领军人才聚集工程项目(CXLJTDＧ２０１６０７);广州

市科技计划项目(２０１７０７０１０３９６);暨南大学科研培育与创新基金(１１６１８４１３)

作者简介:李永亮(１９９２－),男,硕士研究生,主要从事光电信息获取与处理技术研究.EＧmail:３１３９６１５５３＠qq．com

通信作者:张军(１９６８－),女,博士,研究员,博导,主要从事生物３D打印、精密仪器及医疗仪器、机器视觉及摄像测量、可见光通信及计算机光学、光学设计与光谱技术等研究.EＧmail:Tzhangjun_oe＠jun．edu．cnAPD探测器模块性能及噪声检测

李永亮,余健辉,张　军

(暨南大学理工学院广州市可见光通信重点实验室,广东广州５１０６３２)

摘　要:为了实现可见光通信系统的探测器模块微小型化,设计并制作了一款５０cm３的温控APD探测器模块,并对模块的稳定性、温控效果和噪声特性进行了检测.结果表明,APD探测器

模块的光电流测量平均相对偏差为０．７９５％;APD探测器的雪崩增益和响应度随着温度的降低

而提高;APD探测器电阻的变化影响负载电阻分压,使得过剩噪声因子的测量值远大于真实值,

且会随着入射光功率的增大而增大.可以得出结论:提高反向偏置电压与降低温控温度相配合,

ｃＨ　Ａ　ｓｒ：　Ｊｒ　Ｅ　ＡＮＤ　Ｎ（＝１ｉ　０　Ｙ　ｉＮｆ‘Ｏ［￣ＭＡｒＩＯＮ　Ｊ“ｎ　２０　１５　中国　奠技信息２０１５年第１　１鞠　新研究　ＤＯＩ：１　０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１　００１—８９７２．２０１　５．１　１．００６　

ＡＰ　Ｄ单光子探测器的抑制技术　－６ｄ＇，溪张栎存康小麓　

为实现高光子测量效率，快速控制雪崩淬灭，缩短死区时间，　并对光子脉冲进行准确计数，在分析光电二极管雪崩增益特性及工　作原理的前提下，设计出高效雪旃二极管探测器。针对雪崩淬灭和　电压恢复抑制方式不同，对雷崩抑制电路的被动和主动模式进行分　析与仿真。测试结果表明：全被动模式虽然电路模型简单，容易实现，　但是死区时间过长，光子数目测量率较低；而主动工作模式可以实　现高效计数，极大限度地缩短死区时间，克服偏压恢复时间较长的　缺陷。本文利用高速放大器的高速特性，设计出精密快速的抑制电路，　用以控制探测器的雪崩淬灭和电压恢复，实施了主动淬灭与快恢复　相结合的抑制电路。　

引言　本文研究～种新式光电探测技术——单光子探测技　术，它能够利用光电效应，检测单个光子并进行计数。单　个光子入射到光电倍增器件上会产生光电子，光电子通过　倍增系统产生电脉冲，称其为单光子脉冲。计数电路根据　脉冲幅度大小对其进行计数，其中单光电子峰的脉冲幅度　较大，探测器噪声（主要是热噪声）为幅度较／Ｊ￣Ａ９脉冲；　随着单光子技术的不断发展，目前已在量子信息技术、高　能物理、生物发光、放射探测、大气测污、天文测光等领　域有着广泛的应用，前景颇好。　近年来，致力于寻求能够获得较好结果的设计探测器　的器件，以雪崩光电二极管（ＡＰＤ）作为核心器件由于　具有量子效率高、功耗低、体积小等优点被广泛应用。而　ＡＰＤ通常所加反向电压高于其雪崩电压，也就是常说的　工作在盖革模式下。为解决雪崩不能自然停止问题，不仅　需采取措施快速抑制雪崩，并在抑制过程结束后，应使其　快速恢复至等待状态，从而准备对下一个光子进行探测。　本文首先分析了ＡＰＤ器件的等效电路模型，用于对　后面电路进行仿真，第２部分分析了雪崩抑制电路被动模　式的工作原理，并对其进行仿真，对仿真结果进行分析。　第３部分分析了雪崩抑制电路主动模式的工作原理以及详　细介绍设计原理，并对其进行仿真，分析设计出的高效控　制雪崩淬灭与电压恢复的电路结果；第４部分进行总结，　并对该领域展望未来。　ＡＰＤ等效电路模型　如图１所示，ＡＰＤ的等效电路模型为一个光控开关　Ｋ与电压源Ｖｂ的串联构成，光控开关Ｋ模拟有无光子入　射，有光子入射时开关闭合。电压源　为ＡＰＤ的雪崩电　压值。　为ＡＰＤ等效内阻，　为ＡＰＤ的结电容，　为　分布电容，它的值一般为皮法量级。　被动淬灭模式　被动淬灭模式也可称之为无源抑制方式，如图２所示，　由限流大电阻与取样电阻串联而成，雪崩信号从取出。　在单光子探测器工作过程中，当无光子到达时，探测　器处于等待状态，ＡＰＤ两端电压Ｖａ略高于雪崩电压，　此时开关Ｓ断开。当有光子入射时，雪崩发生，开关Ｋ　闭合，由于限流大电阻分压，ＡＰＤ两端的电压开始下降，　

四象限InGaAs APD探测器的研究

王致远;李发明;刘方楠

【期刊名称】《光通信研究》

【年(卷),期】2007(000)006

【摘 要】文章中设计的四象限InGaAs雪崩光电二极管(Avalanche Photo

Diode,APD)的管芯结构采用正入光式平面型结构,而材料结构采用吸收区、倍增区渐变分离的APD结构,在对响应时间、暗电流和响应度等参数进行计算与分析的基础上,优化了器件结构参数.试验结果表明,其响应时间≤1.5 ns,响应度≥9.5 A/W,暗电流≤40 nA,可靠性设计时使PN结和倍增层均在器件表面以下,可有效抑制器件表面漏电流,提高器件的可靠性.

【总页数】4页(P43-46)

【作 者】王致远;李发明;刘方楠

【作者单位】重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065;重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065;重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065

【正文语种】中 文

【中图分类】TN3

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APD光电二极管特性测试实验

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APD光电二极管特征测试实验

一、实验目的

1、学习掌握 APD光电二极管的工作原理

2、学习掌握 APD光电二极管的基本特征

3、掌握 APD光电二极管特征测试方法

4、认识 APD光电二极管的基本应用

二、实验内容

1、 APD光电二极管暗电流测试实验

2、 APD光电二极管光电流测试实验

3、 APD光电二极管伏安特征测试实验

4、 APD光电二极管雪崩电压测试实验

5、 APD光电二极管光电特征测试实验

6、 APD光电二极管时间响应特征测试实验

7、 APD光电二极管光谱特征测试实验

三、实验仪器

1、光电探测综合实验仪 1 个

2、光通路组件 1 套

3、光照度计 1 台

4、光敏电阻及封装组件 1 套

5、 2#迭插头对（红色， 50cm） 10 根

6、 2#迭插头对（黑色， 50cm） 10 根

7、三相电源线 1 根

8、实验指导书 1 本

9、示波器 1 台 APD光电二极管特性测试实验

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四、实验原理

雪崩光电二极管 APD— Avalanche Photodiode 是拥有内部增益的光检测器， 它能够用来

检测轻微光信号并获取较大的输出光电流。

雪崩光电二极管能够获取内部增益是鉴于碰撞电离效应。当 PN结上加高的反偏压时，

耗尽层的电场很强， 光生载流子经过时就会被电场加快， 当电场强度足够高 ( 约 3x105V／ cm)

时，光生载流子获取很大的动能， 它们在高速运动中与半导体晶格碰撞， 使晶体中的原子电

离，进而激发出新的电子一空穴对， 这类现象称为碰撞电离。 碰撞电离产生的电子一空穴对

在强电场作用下相同又被加快， 重复前一过程， 这样多次碰撞电离的结果使载流子快速增添，

电流也快速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。

图 6-1 为 APD的一种构造。外侧与电极接触的 P 区和 N 区都进行了重混杂，分别以 P+和 N+