超短脈沖門控高速InGaAs/InP APD單光子探測

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

對單個光子進(jìn)行弱光檢測的器件已經(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)體制冷甚至無需制冷)、探測效率高、誤計(jì)數(shù)低、時間抖動小、最大計(jì)數(shù)率高等優(yōu)勢,在近紅外通信波段單光子的檢測中脫穎而出,成為主流探測器。

InGaAs/InP APD通常具有兩種工作模式,即線性模式(增益倍數(shù)只能達(dá)到103量級)和蓋革模式(增益倍數(shù)高達(dá)106量級)。因此為實(shí)現(xiàn)單光子水平的弱光信號檢測,APD往往需要工作在蓋革模式下以響應(yīng)單個光子,而單個載流子觸發(fā)產(chǎn)生的自持雪崩無法自然停止,為保護(hù)APD器件,也為了再次響應(yīng)光子信號進(jìn)行下一次探測,需要快速將APD兩端偏壓降至雪崩電壓以下,以此對雪崩進(jìn)行抑制并使APD恢復(fù)到探測模式。在光子到達(dá)時間預(yù)期可知的應(yīng)用(如量子密鑰分發(fā))中,通常使用門脈沖控制電路來抑制雪崩,這種方法在快速恢復(fù)APD探測提高其工作速率的同時,還可以大大降低探測器的誤計(jì)數(shù)。然而,由于APD結(jié)電容的微分效應(yīng),經(jīng)門信號充放電產(chǎn)生的尖峰噪聲會將雪崩信號湮沒,因此從尖峰噪聲中提取出微弱的有效雪崩信號是門控蓋革模式單光子雪崩二極管(SPAD)的核心問題。近年來,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濾波方案的提出一舉將門信號重復(fù)頻率提高至GHz水平,但自平衡方案使用電纜線延時,限制了工作重復(fù)頻率的可調(diào)諧性,而正弦門濾波在低頻應(yīng)用時會帶來較大的誤計(jì)數(shù),使單光子探測器在介于低頻(100 MHz)與高頻(GHz水平)之間工作時仍保持較好的探測性能成為難點(diǎn)。

本文提出一種超短脈沖門控的高速低噪聲的單光子探測方案,將超短脈沖門控低通濾波與平衡方案結(jié)合起來,使利用電容平衡方案的單光子探測器工作在700 MHz時仍保持極佳的探測性能,當(dāng)探測效率為10%時,暗計(jì)數(shù)率為7.1×10-7/門,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 單光子探測方案設(shè)計(jì)

尖峰噪聲主要來源于APD的容性效應(yīng),門脈沖信號注入時,由于等效電容充放電會產(chǎn)生一個幅值很大的尖峰噪聲將微弱的雪崩信號湮沒。尤其隨著門信號重復(fù)頻率的提高,APD結(jié)電容的非線性特性更為復(fù)雜,其電容值會隨著工作溫度、偏置電壓、門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。隨著InGaAs/InP APD單光子探測器工作頻率的提升即門脈沖信號重復(fù)頻率的提高,暗計(jì)數(shù)和后脈沖概率會隨之明顯增大,通常可以通過減小門脈沖寬度來有效減少誤計(jì)數(shù)。但同時,由于超短脈沖信號的采用,會導(dǎo)致APD的兩端充放電的速度加快,尖峰噪聲也會隨之增大,從而增加從中提取出有效雪崩信號的難度。

本文使用一個幅值和脈寬均可調(diào)的超短脈沖信號作為門信號,并將一個可調(diào)電容與APD并聯(lián),產(chǎn)生一個與APD尖峰噪聲類似的微分信號,這二個信號經(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,之后級聯(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。

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,射頻信號發(fā)生器(SG)輸出電平較低的700 MHz周期信號,信號經(jīng)門脈沖產(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)的超短脈沖門控信號,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。其中在可調(diào)電容端采用移相器(PS)和可調(diào)衰減器(Attn2)對取出的信號進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié),以便實(shí)時調(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超短脈沖門控頻率下工作時,APD中的等效結(jié)電容對其響應(yīng)出的信號容易產(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,此時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?？紤]到噪聲信號與雪崩信號的頻譜分布,尖峰噪聲信號主要分布在門信號重復(fù)頻率的基頻及其諧波頻率上,而雪崩信號的頻譜帶寬一般≤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聯(lián)一個截止頻率為700 MHz的低通濾波器(LPF)來進(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的完整性。由于超短門控信號的使用,有效雪崩時間持續(xù)較短,雪崩信號隨之會減小,因此我們在低通濾波器后采用一個射頻放大器放大信號,再將該信號經(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為無光和有光入射時經(jīng)過電容平衡與低通濾波后提取出的信號波形,雪崩信號可以通過高速比較器設(shè)置閾值從噪聲信號中甄別出來。此外,本實(shí)驗(yàn)中所采用的門脈沖產(chǎn)生電路可以產(chǎn)生脈寬和幅值均可調(diào)的門信號,而門信號的幅值和脈寬對探測器的暗計(jì)數(shù)和后脈沖概率有一定的影響,可以通過細(xì)微調(diào)節(jié)這些參數(shù)進(jìn)一步提高探測器的性能。

SG—信號發(fā)生器; PG—門控產(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 超短脈沖門控單光子探測的實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.1 Experimental setup of single-photon detection with ultrashort gates

圖2 無光和有光入射時放大器輸出的信號波形Fig.2 Waveforms of the output signal of amplifier while the incident laser was off and on

2 單光子探測性能測試

通常衡量單光子探測器性能的指標(biāo)有探測效率、暗計(jì)數(shù)、后脈沖概率、時間抖動、死時間和飽和計(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,對于探測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)衡各個指標(biāo)并進(jìn)行針對性的設(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器的性能對探測效率η、暗計(jì)數(shù)率PD和后脈沖概率PA進(jìn)行詳細(xì)測量。

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

(1)

式中:P為探測器的計(jì)數(shù)率;PD為探測器的暗計(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,在沒有光子入射時探測到的噪聲信號計(jì)數(shù)。暗計(jì)數(shù)率PD定義為關(guān)閉激光光源后探測器輸出的計(jì)數(shù)率與門信號重復(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,是在沒有光子到達(dá)時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分別為門脈沖和光脈沖的重復(fù)頻率;Cnonilluminated和Cilluminated指探測門內(nèi)無光和有光入射時的每門計(jì)數(shù)率;Cdark為探測門暗噪聲的每門計(jì)數(shù)率。

我們采用衰減的弱相干光作為準(zhǔn)單光子源,對采用超短脈沖門控濾波與平衡結(jié)合方案的單光子探測性能進(jìn)行測試。工作重復(fù)頻率為10 MHz的1 550 nm高速皮秒激光器,與門信號同步觸發(fā),衰減至每脈沖1個光子,入射在APD上?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)門信號與光信號二者之間的延時,使探測效率達(dá)到最大。將APD置于自制的密封制冷盒中,內(nèi)部通過半導(dǎo)體制冷片制冷至-30 ℃。調(diào)節(jié)超短脈沖門信號峰峰值為7 V,脈寬約為500 ps。通過調(diào)節(jié)加載在APD上的直流偏壓來改變探測器的探測效率,并通過數(shù)字示波器采集并記錄模數(shù)轉(zhuǎn)換后的雪崩信號,測試其暗計(jì)數(shù)率和后脈沖概率在探測效率從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)探測效率小于10% 時,暗計(jì)數(shù)率和后脈沖概率隨著探測效率的增加而緩慢增大,此后,上升幅度逐步增大;當(dāng)探測效率為10%時,暗計(jì)數(shù)率僅為7.1×10門-1,后脈沖概率為3.7%;探測效率上升到15%時,暗計(jì)數(shù)率僅上升至1.4×10-6門-1,后脈沖概率增長幅度較大為7.9%;探測效率達(dá)到20%時,暗計(jì)數(shù)率增長至3.3×10-6門-1,后脈沖概率為15.6%。

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

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

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

以往單光子探測研究可知,工作在相同溫度的探測器,其暗計(jì)數(shù)率和后脈沖概率均是隨著探測效率的增大而增大的;而探測器在相同的探測效率下,隨著工作溫度的提高,探測器的暗計(jì)數(shù)率會隨之增大,而后脈沖概率總體呈下降趨勢。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數(shù)量級(見表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器工作在700 MHz時的性能,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超短脈沖門控濾波與平衡相結(jié)合的單光子探測方案,結(jié)合電容平衡與低通濾波方案的優(yōu)勢,濾除尖峰噪聲提取出微弱的雪崩信號,并在700 MHz頻率工作時展示出了良好的探測性能。基于本文的單光子探測方案,可以通過調(diào)節(jié)超短脈沖門控信號的幅度和脈寬來進(jìn)一步改善單光子探測器的性能,這種方案一方面突破了電容平衡技術(shù)在單光子探測中的工作頻率上限,另一方面也避免了正弦門控濾波技術(shù)在低頻段工作時的不足,解決了在自差分平衡技術(shù)中工作頻率不易調(diào)節(jié)的問題,讓單光子探測器實(shí)現(xiàn)工作重復(fù)頻率在更大的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)并保持極佳的探測性能。