基于InGaAs/InP APD高速单光子探测方法及应用

【摘要】单光子探测是弱光检测的一项重要技术,可以检测到最小能量的光信号,被广泛应用于量子保密通信、荧光检测、激光雷达、光时域反射仪等重要领域。为满足日益增长的需求,人们亟需开发出高探测效率、低噪声、低时间抖动且具备光子数分辨性能的高速单光子探测器。其中,基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器,易于集成且功耗低,是近红外通信波段光子检测的最佳选择之一。通常,InGaAs/InPAPD工作在盖革门模式下,因其容性效应产生的尖峰噪声信号会将有效的光生雪崩信号湮没,需要引入后续电路提取雪崩信号。为此,本论文围绕“实现基于InGaAs/InPAPD高速单光子探测,并提高其探测性能”这一主线,发展了电容平衡、改良型自差分平衡、低通滤波及滤波平衡相结合等方案,抑制尖峰噪声提取雪崩电信号,最终将探测器的工作重复频率提高到GHz,实现“准连续”高性能探测。同时,基于这些方案,我们研发出实用化高速单光子探测器,并将其应用于激光测距,实现了日光下百米量程内的高精度距离测量。此外,我们还将低通滤波方案应用于多像素光子计数器(MPPC),实现了高速光子数可分辨探测。本论文的主要研究内容和创新点介绍如下：1.提出平衡方案,通过模拟或者分束的方法,产生一个与尖峰噪声相同的信号,并将这两个信号差分,即可消除噪声提取雪崩信号。1)电容平衡方案,通过一个可调电容模拟APD的容性特征,产生与尖峰噪声相同的差分信号,最终可实现～19.5dB的噪声抑制比。基于此方案,我们实现了多通道同时探测,并使APD工作在室温下,进一步减小其功耗,满足空间探测等应用的需求。调整多通道间的间隔可知,电容平衡方案的最高工作频率可达～260MHz。2)改良型自差分平衡方案,在将APD输出信号分束的过程中,引入了移相器和可调衰减器,精密调节分束的两路信号的相差及幅度,最终抑制比达-29dB。与传统的自差分平衡方案不同,该方案无需改变电路,即可实现探测器工作重复频率一定范围内的任意调节。此外,我们将改良型自差分平衡电路级联起来,提高了系统的信噪比～10dB。2.提出新型滤波方案,根据尖峰噪声及雪崩信号的频谱分布特性,选用合适的滤波器,滤除噪声的同时保存有效的雪崩信号。1)新型滤波方案,使用低通滤波器将高频的尖峰噪声滤除,提取出分布在低频范围内的雪崩信号,达到高抑制比的同时,减小对雪崩信号完整性的破坏,降低了探测器的时间抖动特性。该方案特别适用于高速单光子探测,加载的门信号可为GHz正弦或者脉冲信号。当探测门信号为1.5GHz超短脉冲时,单光子探测器探测效率可达30.4%,且暗计数为4.6×10-5/门,后脉冲概率为6.0%。2)新型滤波与平衡电路相结合,充分利用这两种方案的优势,引入正弦波来平衡未被滤除干净的噪声信号。在保障噪声抑制比的条件下,可选用截止频率较高的低通滤波器,尽可能多地保存雪崩信号的频谱信息。最终,该方案可将1GHz单光子探测器的尖峰噪声抑制到热噪声水平,且探测器的时间抖动仅为60ps。3.实现了基于多像素光子计数器(MPPC)的高速光子数可分辨探测。将200MH的正弦门信号加载在MPPC上,缩短了其恢复探测下一个光脉冲的时间,明显地改善其高频的光子数分辨特性。此外,选用低通滤波方案,可将正弦门信号产生的尖峰噪声抑制至热噪声水平的同时,尽可能减小MPPC的时间抖动,最终保障MPPC的探测性能。4.实现了实用化GHz单光子探测器,并将其应用于1550nm激光测距。提出多重频率激光测距法,提高了基于时间相关单光子计数(Time-correlatingsingle-photoncounting)技术的脉冲“飞行时间(TOF)”测距方案中的绝对量程。1)新型滤波方案,结构相对简单性能稳定,基于此,我们实现了小型化GHz单光子探测器。探测器包括温控模块、偏压模块、时钟模块、门脉冲模块、噪声抑制模块及脉冲整形模块等,将各功能模块化,使得整体结构更紧凑,且能满足各种不同应用的需求。加载1GHz正弦门在APD上,探测效率为10%时,暗计数为1.5×10-5/门,时间抖动约为76ps。2)利用小型化的高速单光子探测器,实现了1550nm波段激光测距。1-GHz探测器工作在“非锁相模式”,其时间抖动约为240ps,保障了测距系统的表面分辨率。提出多重复频率激光脉冲的方法,实现了基于TCSPC技术的”TOF”激光测距,该方法简单有效地提高了测距系统的绝对量程。使用10MHz和9.7MHz重复频率的脉冲激光,将绝对量程从15m提高到1455m。同时,测距系统工作在室外日光下,实现了毫米量级测距准确度的百米目标测量。
【作者】梁焰；
【导师】曾和平；
【作者基本信息】华东师范大学，光学，2014，博士
【关键词】单光子探测；雪崩光电二极管；噪声抑制；多像素光子计数器；激光测距；平衡探测；正弦滤波；

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